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国际工程科学与技术学报
使用PELTIER效应的热电制冷
Prof. Rajendra. P. Patil*, Pradhyumna Suryawanshi, Akshay Pawar, Avdhoot Pawar
* Assistant Professor, Department Of Mechanical Engineering, PVPIT, Bavdhan, Pune, India Department Of Mechanical Engineering, PVPIT, Bavdhan, Pune, India
摘要
在军事和医学科学领域，有用于冷却保存样品或标本的冰箱。它们包括用于储存血浆、血液制品、疫苗、医疗或药品用品的制冷装置。它们与家庭或餐厅所使用的普通冰箱不同，因为它们需要非常的卫生并且完全可靠。但是在将部件从一个地方运输到另一个地方的情况下，没有制冷系统。对于这种问题，将使用便携式制冷系统来解决。热电制冷是一种新的替代方案，因为它可以将废电转化为有用的冷却方式，且有望在应对今天的化石能源挑战中发挥重要作用。因此非常需要热电制冷，特别是需要长寿命和低费维护的发展国家。热电装置是固态装置。因为没有机械运动部件，所以它们是可靠的能量转换器且没有噪音或振动。它们体积小，重量轻。作为冰箱，因为它们不使用CFC气体（氟利昂，又名氟里昂，名称源于英文Freon，它是一个由美国杜邦公司注册的制冷剂商标。在中国，氟利昂定义存在分歧，一般将其定义为饱和烃的卤代物的总称，按照此定义，氟利昂可分为CFC、HCFC、HFC等4类；但有些学者将氟利昂定义为CFC制冷剂。氟利昂在常温下都是无色气体或易挥发液体，无味或略有气味，无毒或低毒，化学性质稳定，但是CFC类制冷剂破坏大气臭氧层）或任何其他制冷剂气体，所以对环境友好。由于这些优点，热电装置已经得到了广泛的应用。在本文中，给出了热电装置的基本知识和这些应用的概述。（关键词：制冷，热电系统，Peltier效应）
一、介绍
空调（AC,A/C按钮就是空调的意思，这个按钮的灯亮了，就是压缩机工作了，会增加油耗，主要做用是用来制冷，吹冷风。空调AC和无AC的区别是一个是利用空调压缩机，一个是没有利用）几乎成为每个家庭不可或缺的一部分，但传统的空调有以下缺点：
1）传统的空调系统消耗太多能量。为了满足他们的需求，自然资源被燃烧用于发电，导致温室效应（温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，其引发了一系列问题已引起了世界各国的关注）并且加剧了地球上的污染。
2）发酵过的气化剂（气化剂指煤炭气化过程中所必需的气体介质。煤制气化剂是以煤或焦炭等含碳的物质为原料，以空气和水蒸汽为气化剂，在常压固定床煤气发生炉内气化获取可燃气体的技术，生成气体的主要成分是一氧化碳、氢气、氮气、二氧化碳，可燃组份为一氧化碳和氢气，由于含有大量的惰性组份氮气，因此煤气热值不高，低热值为6 MJ/Nm3左右）和氟利昂一旦泄漏就会造成地区不可逆转的伤害，使生命遭受极端的紫外线辐射（紫外辐射就是波长范围约10～400 nm的光辐射。在这个波长范围内不同波长的紫外辐射有不同的效应，在研究和应用中，常把紫外辐射划分为：A波段400～320 nm；B波段320～280 nm；C波段280～200 nm；真空紫外波段200～10 nm。波长小于200 nm的紫外辐射由于大气的吸收，所以在空气中不能传播）。
因此，提出了构建热电冷却和加热系统的建筑物。Thomas Seebeck（托马斯·约翰·塞贝克，德国物理学家。1770年4月9日出生于塔林，卒于1831年12月10。1821年塞贝克发现以其名字命名的热电效应，即塞贝克效应）发现电流会在由两种不同金属构成的闭合回路中连续流动，条件是金属的连接点要保持两种不同的温度。Peltier效应于1834年由法国制表师和兼职物理学家Jean Charles Athanase Peltier（Jean Charles Athanase Peltier出生于1785年2月22日，卒于1845年10月27日，他是法国物理学家。他原本是手表经销商，但30岁时接受了物理实验和观察。Peltier是不同物理系的众多论文的作者，但他的名字特别与伏打电路中交叉点的热效应有关。他介绍了Peltier效应。 Peltier1840年还引入了静电感应的概念，其基于在最接近它的第二物体及其自身电荷的影响下材料中电荷分布的改变。这种效果在最近开发的无污染冷却机制中非常重要）发现。Peltier发现，在两种不同材料之间的界面处通电流会导致热量的吸收和热量的释放，这是材料的不同能量水平作用的结果，特别是n型半导体材料和p型半导体材料。随着电子从p型半导体材料移动到n型半导体材料，电子跳跃到更高的能级，从周围区域吸收能量，能量在这种情况下是热量。反之亦然。随着电子从n型半导体材料移动到p型半导体材料，电子落到较低的能级，从而向周围区域释放能量。本项目的目的是利用Peltier效应设计热电冰箱来冷藏和保持指定的温度，在5°C至25°C范围内进行温度控制,5升的内部冷却空间和半小时的保留时间。
二、材料审查
热电模块由两种不同于的半导体材料制成，当通过连接结施加相似极性和适当方向的电压时，产生热电冷却效应（Peltier效应）。两个散热器和风扇分别连接到热电模块的热端和冷端，以增强热传导系统的性能。对于特定模块和固定的热/冷端温度，存在最佳电流和最佳电压以获得最大性能系数（COP，传热学中的概念，即能量与热量之间的转换比率，简称制热能效比。其物理含义为：空调器单位功率下的制热量）。
三、热电冷却
在热电制冷系统中，Peltier效应是在两种不同类型的半导体材料的连接点之间产生热通量的现象。 Peltier加热器，冷却器或热电热泵是一种固态的有源热泵，它根据电流的方向消耗电能，可将热量从设备的一侧传递到另一侧。这种仪器也称为Peltier装置、Peltier热泵、固态冰箱或热电冷却器（TEC，半导体致冷器Thermo Electric Cooler）。热电冷却采用Peltier效应在两种不同类型的半导体材料的连接点之间产生热通量。它们可以用于加热或冷却（冷藏），但实际上主要的应用是冷却。它也可以用作加热或冷却的温度控制器。这种技术远不如蒸汽压缩制冷适用于制冷方面。 Peltier冷却器的主要优点是缺少活动部件或循环液体、几乎无限的寿命和避免泄漏的潜力，以及它的小尺寸和灵活的形状。它的主要缺点是成本高，功率效率低。许多研究人员和公司正在努力开发既便宜又高效的Peltier冷却器。
四、PELTIER效应
Peltier冷却器也可用作热电发电机。当作为冷却器工作时，在整个设备上施加电压，结果在冷却器两侧之间的温度差异将会增加。
图1 – Peltier效应。
当作为发电机运行时，装置的一侧被加热到大于另一侧的温度，结果在冷却器两侧之间的电压差异将会增加。
五、SEEBECK效应
当一对不同金属的两个连接点保持在不同的温度时，就会出现产生电动势（电动势即电子运动的趋势，能够克服导体电阻对电流的阻力，使电荷（英文electric charge，为物体或构成物体的质点所带的正电或负电，带正电的粒子叫正电荷，表示符号为“ ”；带负电的粒子叫负电荷，表示符号为“﹣”。也是某些基本粒子的属性，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引）在闭合的导体回路中流动的一种作用）的这种情况。他通过改变连接点的温度进行了一系列测试一组材料的各种组合。发现电动势输出为：
Delta;Ealpha;Delta;T........................................................（1）
其中Delta;E和Delta;T是电动势的输出和连接点的温差。电动势的产生现象被称为SEEBECK效应，等式1的比例常数表示为
alpha;ab=Delta;E/Delta;T..................................................（2）
并称为SEEBECK系数或热电力。应注意，alpha;ab（alpha;-alpha;b）是一对不同的金属（A和B或P和N或p和n）的系数。
六、工作准则
典型的热电模块由两种陶瓷物质（陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料）组成，用作基础和电气P型和N型碲化铋绝缘体（碲化铋是一种灰色的粉末，分子式为Bi2Te3。碲化铋是个半导体材料，具有较好的导电性，但导热性较差。虽然碲化铋的危险性低，但是如果大量的摄取也有致命的危险但此种材料即可允许电子在室温条件下无能耗地在其表面运动，这将给芯片的运行速度带来飞跃，甚至可大大提高计算机芯片的运行速度和工作效率），它们在陶瓷之间串联电连接并且热并联。陶瓷还用作模块内部电气之间必须与热端接触的散热器以及抵抗冷端表面的物体的绝缘元件。导电材料通常是连接到陶瓷的铜垫上，保持模块内部的电连接。焊料最常用于连接接头以增强电气连接并且将模块保持在一起耦合，在大多数模块中使用的术语是偶数P型和N型骰子，其中一个共享电气互连。虽然P型半导体材料和N型半导体材料都是铋的合金和碲，在相同温度下都具有不同的自由电子密度（自由电子密度指的是单位体积导体中的自由电子数量。自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。各种金属的自由电子密度有相同的数量级）。电子缺陷在P型骰子中，而N型骰子具有过量的电子。当电流在模块中上下流动时，它会尝试在材料中建立新的平衡。电流将P型半导体材料视为需要冷却的热结，N型半导体材料作为需要加热的冷端。由于材料实际上是相同的温度，结果是材料热的那一侧变得更热，而冷的那一侧变得更冷。电流的方向将决定特定的模具是否会冷却或加热。简而言之，反转极性将切换冷热侧。
图2- Peltier 模块
耦合在大多数模块中使用的术语是偶数个P型骰子和N型骰子，并且每个模块中的一个共享电互连。虽然P型半导体材料和N型半导体材料都是铋和碲的合金，但在相同温度下它们都具有不同的自由电子密度。电子缺陷是P型骰子，而N型骰子有过多的电子。当电流在模块中上下流动时，它会试图在材料内建立新的平衡。电流将P型半导体材料视为需要冷却的热结，N型半导体材料作为需要加热的冷端。由于材料实际上处于相同的温度，结果是材料热的那一侧变得更热，而冷的那一侧变得更冷。电流的方向会确定特定的模具是否会冷却或加热。总之，反转极性会切换冷热两侧。
TEM（透射电子显微镜的英语：Transmission electron microscope，缩写TEM，简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2 nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2 mu;m、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”）操作工作原理基于Peltier效应。Peltier效应是温差通过在连接到半导体材料样品的两个电极之间施加电压来产生。其中一个TEM侧是冷却而另一侧是加热。使用TE模块时，必须支持材料的热端的散热。如果材料热端的温度与环境温度相似，那么我们就可以得到温度在较冷的一面。根据当前的值，即通过热电模块泄漏，降低了冷却程度。电子在热电热交换器中充当热载体。热泵泵浦作用是跨越p-n结的电子数量的实际函数。
七、性能规格
八、PELTIER模块的特点
1）Peltier模块可以将热能转换为电能，或者当向Peltier模块提供电力时，然后模块在一侧吸收热量（冷侧）并在其他侧吸收热量（热侧）。
2）传统系统可以使用或产生有害气体，如氯氟碳（CFCs）和氢氯氟烃（HCFCs）。Peltier模块不能使用或产生这些有害气体。
3）Peltier模块可以在DC电源（DC电源，英文direct current，即直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。如干电池、蓄电池、直流发电机等。直流电源有正、负两个电极，正极的电位高，负极的电位低，当两个电极与电路连通后，能够使电路两端之间维持恒定的电位差，从而在外电路中形成由正极到负极的电流）上运行。
4）通过使用适当的闭环电路（闭环控制电路是指与控制对象存在反馈联系的控制电路。开环控制电路结构简单，成本低，但控制精度较低。为在系统中保持转速的恒定，可以加入一些测量比较元件组成闭环系统），Peltier模块可以控制精确的温度。
九、观察
图1-风扇开启时的时间与温度关系图。
图2-Peltier的时间与温度关系图（当风扇关闭时）。
图3-热电冰箱的单位消耗量。
十、结论
本文回顾了多年来TER系统的发展。这项关于热电制冷的研究强调TER系统是一种新型制冷系统，TER系统将是传统的更好的制冷系统替代方案。不同研究人员对TER系统开展的研究和开发工作有在本文中进行了彻底的审查。本文还得出结论，为了实现更好的COP和温度控制，我们可以将TER与其他制冷系统结合起来。例如，组合VCR（VCR-盒式磁带录像机VCR是Video Cassette Recorder的缩写 盒式磁带录像机。就功能上而言，它是使用空白录像带并加载录像机进行影像的录制及存储的监控系统设备）和TER系统降低能耗，在冷藏区域内提供高COP和良好的温度
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