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1、利用珀耳帖效应达到致冷的目的。1834年法国J.-C .珀耳帖发现，当两种不同金属连接起 来并通以电流时,有一接头吸热，另一接头放热。这种现象后来被称为珀耳帖效应、珀耳帖 效应长期未能实际应用于制作致冷器，其原因是金属的珀耳帖效应很弱。直到20世纪50 年代，对半导体材料的研究进一步深入，人们用N型半导体和P型半导体构成温差电偶，珀 耳帖效应远远强于金属电偶。从此温差电致冷器逐渐进入实用阶段。原理图1半导体温差电偶为由N型半导体和P型半导体构成的温差电偶，用铜片把两个半导体连接起来。电流I由N 型半导体流向P型半导体时，该接头吸收珀耳帖热烫，式中女=空-樊，淳、分别为P 型半导体和N型半导体的
2、温差电动势率，P型半导体的温差电动势率为正，而N型的为负。在另一接头，电流由P型半导体流向N型半导体，有热量释放出来。通过各种散热方式把热 端的热量带走，冷端就能保持较低温度。在热平衡条件下，冷端所能达到的温度取决于半导 体材料的温差电特性和冷端的热负载以及器件的设计（工作状态、散热条件等）。实际致冷 器有最大温差和最大致冷效率两种工作状态。 最大温差状态（即最大产冷量状态）：当电流为826-01时，致冷器两端的温度差达到最大值，式中衣为N型和P型半导体电阻之和,为冷端温度。如 果热负载Q =0，致冷器两端温差最大可达：826-022式中为热端温度，E为半导体材料的品质因数，826-03式中由
3、、分别为P型和N型半导体的热导率,Q、分别为电阻率。采用这种方式工作可以节省半导体材料，但是致冷效率较 低。 最大致冷效率状态：当电流为怎1一 %）（篮一1）70 = L826-04 L的电功率之比值）可达最大值E时，致冷效率门热负载Q与所消耗采用这种工作方式可以节省电+1826-05能消耗，但与前一方式相比，它需要较多的半导体材料。由（）881-01岫和的表达式可知，kg2半导体材料的品质因数Z越大，所 能达到的最大温差和致冷效率越大，这就要求材料的温差电动势率kg2世kg2尽量大， 使所吸收的珀耳帖艾尽量大。kg2同时要求材料的电阻率和热导率尽量小，使所产生 的焦耳热和由热端向冷端的热传导
4、尽量小，因为这两部分热量都会降低致冷效率。具有这种 特性的最佳致冷材料为Bi Te 及其固溶体Bi Te Bi Se，Bi Te -Sb Te，Bi Te -Bi Se -Sb Te等。另外，温差电动势率和电阻率是载流子浓度的敏感参数，随着 载流子浓度的增加，电阻率减小，但温差电动势率也减小。理论计算表明，最佳的载流子浓 度为10 /厘米 的数量级，因此，温差电致冷用的原材料纯度一般只要99.999%即可，因 而价格低廉。结构 在实际应用中往往需要把若干对温差电偶串联或并联成温差电堆，致冷器由若干 块温差电堆组成。当热负载为零时，半导体致冷材料的最大温差可达80左右，有热负载 时的温差小于此值
5、。为了获得更低的温度或更高的致冷效率，可以采用多级结构。图2二 级致冷器结构示意图 2二联廉*暮纳抻承亦图是二级致冷器结构示意图，上级致冷器的热端与下级致冷器的冷端要求良好热接触。温差电致冷器是利用电能把热量由冷端转移到热端的装置。因此如何把热量不断地从热 端带走是致冷器设计的主要内容之一。散热方式主要有空气自然对流式、强迫通风式和水冷 式。空气自然对流式较简便，但散热效果稍差，水冷式的散热效果最佳，但需要耗费大量的 水。也可采用循环水冷再通过散热片由空气自然对流散热。应用 与通常使用的压缩机制冷相比，当制冷量较大时，用温差电致冷不但造价高而且 耗电量要大一倍左右。温差电致冷器的优点是：无机械
6、转动部件，工作无噪声，无制冷剂的 腐蚀和污染，维修方便，寿命长，致冷容量可变，设计灵活性大，其形状可以任意变化，可 小型化和微型化，容易控温，只要改变电流方向就可变致冷为发热。根据这些特点，温差电 致冷适合于制作各种小型致冷器和恒温器，以及用于要求无声和无污染的特殊场合。主要用 途有：仪器仪表用的小型致冷器、恒温器，例如光电倍增管、红外探测器和半导体激光器 等用的致冷器，半导体零点仪、露点仪、标准频率振荡器和电子器件用的恒温器，石油凝点 测定仪等。医学上的应用有病理切片用的显微切片冷冻台、白内障摘除器、皮肤病冷冻治 疗器、致冷帽等。其他还有携带式冷热箱、半导体冰箱、半导体空调器等。大容量温差电 致冷器效率比不上压缩机的效率，原因是半导体致冷材料的品质因数Z还不够大，而小容量 温差电致冷器的各种特性均优于压缩机制冷器。图3光电倍增管致冷器为光电倍增管用的致冷器的照片。致冷器采用两个电堆，每个电堆由31对半导体元件组成。 元件尺寸为2.2x2.2x2.5毫米。致冷器重量为2.7千克，电功率为55瓦，采用水冷散 热。致冷器可保证光电倍增管的光阴极温度比周围空气低40 ，大大降低了光电倍增管的 噪声。这种光电倍增管致冷器的温差电偶采用一级结构。如果采用两级结构，电功率增至 200瓦，可保证光阴极的温度比周围空气低60 。
