电子制冷

1834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，当它从高能级向低能级运动时，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。但当时由于使用的金属材料的热电性能较差， 能量转换的效率很低， 热电效应没有得到实质应用。

直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于1945年前发表了研究成果，表明 碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，达到相当水平，才得到大规模的应用。80年代以后，半导体的 热电制冷的性能得到大幅度的提高，进一步开发热电制冷的应用领域。

半导体制冷片（TE）也叫 热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一 制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，上图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（ 碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成. 半导体制冷片的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成 电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。 制冷片内部是由上百对电偶联成的 热电堆（如右图），以达到增强制冷（制热）的效果。以下三点是 热电制冷的 温差电效应。

1、 塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）

一八二二年德国人 塞贝克发现当两种不同的 导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个 温差电动势： ES=S.△T

式中：ES为温差电动势

S（?）为温差电动势率（塞贝克系数）

△T为接点之间的温差

2、 珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）

一八三四年法国人 珀尔帖发现了与 塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。

Qл=л.I л=aTc

式中：Qπ 为放热或吸热功率

π为 比例系数，称为珀尔帖系数

I为工作电流

a为 温差电动势率

Tc为 冷接点温度

3、 汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）

当电流流经存在 温度梯度的 导体时，除了由导体电阻产生的 焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：

Qτ=τ.I.△T

Qτ为放热或吸热功率

τ为 汤姆逊系数

I为工作电流

△T为温度梯度

以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明 碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。

优点：

（1）无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可靠性高。

（2）不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。

（3）半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航天航空领域中有广泛的应用。

（4）作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便，可通过调节工作电流大小来调节器制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的工作状态。

（5）尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。

半导体制冷虽有许多优点，但也有一些缺点有待克服。

缺点：

（1）在大制冷量的情况下， 半导体制冷器的制冷效率比机械压缩式 冷冻机低。因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。

（2） 电偶对中的电源只能使用 直流电源，如果使用交流电源，就会产生 焦耳热，达不到吸热降温的目的

（3）电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本比较高，目前还不能在普通制冷领域广泛使用。

半导体 温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导航系统。

2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、 血液分析仪等。

3、实验室装置方面： 冷阱、 冷箱、 冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了