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热电制冷原理深度解读
来源:亚美    发布时间:2021-09-01 04:49:01
本文摘要:热电加热器是利用珀尔帖效应的原理展开加热器的,其加热器效果主要各不相同两种电偶对材料的热电势。

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热电加热器是利用珀尔帖效应的原理展开加热器的,其加热器效果主要各不相同两种电偶对材料的热电势。由于半导体材料具备较高的热电势,因此,可以用它来制成小型的热电制冷器。由于热电制冷器不必须介质,又无机械运动部件,可靠性低,并可以逆向运转,在电子设备或电子元器件的热控制方面获得了较为普遍的应用于。一、热电加热器的基本原理当任何两种有所不同的导体构成一电偶对,并通以直流电时,在电偶的适当接头处就不会再次发生放热和放热反应现象。

但这种效应在金属中弱,而在半导体中则比较显著。热电加热器的电偶是利用特制的N型和P型半导体用铜相连片焊而出的。

其结构原理如图1右图,图2是实际结构图。当直流电从N型流向P型时,则在2、3端的铜相连片上产生放热现象(称之为冷端),而在1、4端的铜相连片上产生放热反应现象(称之为热端)。

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如果电流方向反过来流,则冻、热端交换。图1热电加热器原理图图2热电加热器结构图热电加热器的原理能用载流子(电子或空穴)流到节点时势能的变化来说明。由于载流子在金属和半导体中的势能大小是有所不同的,所以载流子在流到节点时,必定引发能量的传送;当载流子由较低的势能逆到较高的势能时,必需吸取外界的能量;反之,必定要释放出能量。

这是研究热电加热器的基本出发点。热电加热器的放热和放热反应是由载流子流到节点时,势能的变化而引发的能量传递过程。

上部的金属片被加热下来,沦为冷端,而下部两个相连片均放热反应,沦为热端。这就是热电加热器的本质。

温差电效应由同时再次发生的五种有所不同效应构成。其中塞贝克、珀尔帖和汤姆逊三种效应指出电和热能的互相切换是必要共轭的,而焦耳和傅里叶效应是冷的不可逆效应。

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(1)塞贝克效应当两种有所不同导体相连在一起的一个节点冷却,而另一个节点的温度维持恒定,这时就有可能产生电动势。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有所不同的材料时,节点上将放热或放热反应,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,两种有所不同材料节点上吸取或释放出的热量为(3)汤姆逊效应当电流流到有温度梯度的导体时,在导体和周围环境之间将展开能量的互相交换,但由于其换热在热电制冷系统中影响较小,故可以忽略不计。(4)焦尔效应导体中通过电流时所产生的热量相等导体电阻R和电流I平方的乘积,即(5)傅里叶效应经过均匀分布介质沿某一方向传导的热量与横向这个方向的面积A和该方向的温差Δt成正比,即式中k——导电系数(W/(m·℃));δ——热传导方向上材料的厚度(m)。

在热电加热器中,由于不存在傅里叶效应和焦耳效应,使热量从热节点流向冻节点。二、热电制冷器的结构热电制冷器是由热电(对)填、冷板和散热器构成。冻板装在电堆的冷端。为了强化传热,冷板可得有所不同形式,如肋片式、平板式等。

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散热器装有在电堆的热端,风扇形式可有强制风冷、强制水冷和大自然加热等。图3右图为热电制冷器的结构示意图。无论使用哪种加热形式,都必需使冷板、加热器电偶堆和散热器三者之间的相连符合导电和电绝缘的拒绝。


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