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熱電制冷原理:珀爾帖效應的應用

   2020-12-28 子琪2506
核心提示:熱電制冷是熱電效應主要是珀爾帖效應在制冷技術方面的應用。實用的熱電制冷裝置是由熱電效應比較顯著、熱電制冷效率比較高的半導體熱電偶構成的。

    熱電制冷是熱電效應主要是珀爾帖效應在制冷技術方面的應用。實用的熱電制冷裝置是由熱電效應比較顯著、熱電制冷效率比較高的半導體熱電偶構成的。

    像金屬這樣的材料都有自由電子分布著,這些電子由于溫度梯度或電場的作用而運動。若對金屬棒的一端加熱,自由電子的動能就將增加,致使純電子流流向冷端。電荷是與每個電子相連系著,所以由熱能引起的電子流動也是電流。在導體或溫度場中,載流子的濃度關系實際上是塞貝克效應。

若我們把載流子從一種材料到另一種材料的遷移當作電流來看,則每種材料載流子的勢能不同。因此,為滿足能量守恒的要求,載流子通過結點時,必然與其周圍環境進行能量交換。這就是爾帖效應。能級的改變是現象的本質,這使構成制冷系統成為可能。作為一個例子,我們來研究一下8-8所示的組合在一起的兩種不同的熱電材料片。

    n型材料有多余的電子,有負溫差電勢。p型材料電子不足,有正溫差電勢。當電子從p型穿過結點至n型時,其能量必然增加,而且增加的能量相當于結點所消耗的能量。這一點可用溫度降低來證明。相反,當電子從n型流至p型材料時.結點的溫度就升高。

    8-8所示電路的連接方法在實際應用中無用.因此要用圖8-9的連接方法來代替。根據實驗證明,在溫差電路中引入第三種材料(連接片和導線)不會改變電路的特性。這樣,半導體元件可以各種不同的連接方式來滿足使用要求。

如圖8-9把一只p型半導體元件和一只n半導體元件聯結成熱電偶,接上直流電源后,在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移,在上面的一個接頭處,電流方向是n→p,溫度下降并且吸熱,這就是冷端。而在下面的一個接頭處,電流方向是p→n,溫度上升并且放熱,因此是熱端。

    按圖8-8把若干對半導體熱電偶在電路上串聯起來,而在傳熱方面則是并聯的,這就構成了一個常見的制冷熱電堆。按圖示接上直流電源后,這個熱電堆的上面是冷端,下端是熱端。借助熱交換器等各種傳熱手段。使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度,把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫,這就是熱電制冷器的工作原理。

 

 

 
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