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半导体电子制冷原理 (帕尔帖效应,热电制冷)
来源: | 作者:Wilson | 发布时间: 2017-07-26 | 5173 次浏览 | 分享到:
半导体电子制冷又称热电制冷,或者温差电制冷,它是利用"帕尔帖效应"的一种制冷方法,与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。
  1843年,法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝,再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上,通电后,他惊奇的发现一个接头变热,另一个接头变冷;这个现象后来就被称为"帕尔帖效应"。 
 
      "帕尔帖效应"的物理原理为:电荷载体在导体中运动形成电流,由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级,当它从高能级想低能级运动时,就会释放出多余的热量。反之,就需要从外界吸收热量(即表现为制冷)。

所以,"半导体电子制冷"的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差,即热电势差。纯金属的导电导热性能好,但制冷效率极低(不到1%)。半导体材料具有极高的热电势,可以成功的用来做小型的热电制冷器。 
      经过多次实验,科学家发现:P型半导体(Bi2Te3-Sb2Te3)和N型半导体 (Bi2Te3-Bi2Se3)的热电势差最大,应用中能够在冷接点处表现出明显制冷效果。

  通上电源之後,冷端的热量被移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高,这就是著名的Peltier effect。这现象最早是在1821年,由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现,不过他当时做了错误的推论,并没有领悟到背後真正的科学原理。到了1834年,一位法国表匠,同时也是兼职研究这现象的物理学家Jean Peltier,才发现背後真正的原因,这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用,也就是[致冷器]的发明(注意,这种叫致冷器,还不叫半导体致冷器)。下面我们来看一下半导体致冷器的结构:


由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成,而N P之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好,外观如右图所示,看起来像三明治(下图为实物图):

电子冰箱简单结构为:将P型半导体,N型半导体,以及铜板,铜导线连成一个回路,铜板和导线只起导电作用,回路由 12V直流电供电,接通电流后,一个接点变冷(冰箱内部),另一个接头散热(冰箱后面散热器)。

  半导体电子制冷的优点为: 
  1.结构简单,部件少,维修方便;
  2.无机械传动部件,无磨损,无噪音,寿命长; 
  3.无需制冷剂制冷(压缩式和吸收式都需要),绝对环保;   4.效率高,耗电量低(在100W以下,耗电量只有压缩式和吸收式的一半。