热电制冷的原理（一）

热电制冷是利用珀尔帖效应的原理进行制冷的，其制冷效果主要取决于两种电偶对材料的热电势。由于半导体材料具有较高的热电势，因此，可以用它来做成小型的热电制冷器。由于热电制冷器不需要介质，又无机械运动部件，可靠性高，并可以逆向运转，在电子设备或电子元器件的热控制方面得到了比较广泛的应用。一、热电制冷的基本原理当任何两种不同的导体组成一电偶对，并通以直流电时，在电偶的相应接头处就会发生吸热和放热现象。但这种效应在金属中很弱，而在半导体中则比较显著。热电制冷的电偶是利用特制的N型和P型半导体用铜连接片焊接而成的。其结构原理如图1所示，图2是实际结构图。当直流电从N型流向P型时，则在2、3端的铜连接片上产生吸热现象（称冷端），而在1、4端的铜连接片上产生放热现象（称热端）。如果电流方向反过来流，则冷、热端互换。

图1 热电制冷原理图

图2 热电制冷结构图热电制冷的原理可用载流子（电子或空穴）流过节点时势能的变化来解释。由于载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的，所以载流子在流过节点时，必然引起能量的传递；当载流子由较低的势能变到较高的势能时，必须吸收外界的能量；反之，必然要放出能量。这是研究热电制冷的基本出发点。热电制冷的吸热和放热是由载流子流过节点时，势能的变化而引起的能量传递过程。上部的金属片被冷却下来，成为冷端，而下部两个连接片均放热，成为热端。这就是热电制冷的本质。温差电效应由同时发生的五种不同效应组成。其中塞贝克、珀尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能的相互转换是直接可逆的，而焦耳和傅里叶效应是热的不可逆效应。（1）塞贝克效应当两种不同导体连接在一起的一个节点加热，而另一个节点的温度保持不变，这时就可能产生电动势。其电压与节点间的温差成正比，即

式中 α——某一对材料的塞贝克系数（μV／℃）；Δt——两节点之间的温差（℃）。（2）珀尔帖效应当直流电通过两种不同的材料时，节点上将吸热或放热，节点上的热量与电流成正比

式中 π——珀尔帖系数（V）；I——电流（A）。塞贝克系数和帕尔帖系数之间的关系为式中 Tc——冷端温度（℃）；

1α、α2——材料1和2的塞贝克系数（μV／℃）。因此，两种不同材料节点上吸收或放出的热量为