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1、热电制冷性能的影响因素关键词：影响热电制冷性能的影响因素 热电制冷性能由工作参数和电偶本身的材料特性决定。由式前面内容可知，应使KR最小，并使电压V满足则利用上式，按，按(1)欲使最佳这时，(KR)取得最小值丿+猛-11 +比(空)通Z称为电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质(温差电动势率、电阻热导率)有关。Z是评价电偶热电性能的一个综合参数。通常，热电偶的优值系数Z =。当电偶冷端、热端温度分别是= 273KT = 293Ke = 1 66H -时，依上述计算式(5)可得口巩。而相同工作温度区间的卡诺制冷系数273旬293- 273I %氏匕=节2。可见，热电制冷的循环效率即使在制冷
2、系数达到最 佳值时也只有12%，远不及蒸气压缩式制冷的理论循环效率。这是由于热电制冷中固体温差电过程 的热力学不可逆程度较高。所以，热电制冷并不是一种能效经济的制冷方式。(2)欲使制冷能力最佳根据电偶制冷能力的表达式。可见，电偶的制冷能力与工作电流丨有关。帕尔贴热越大，焦耳热 损失越小，则制冷能力越大。但帕尔贴热与电流成正比，焦耳热与电流的平方成正比，故存在使制冷7 j能力最大的工作电流最佳值口氏。按的条件，求得口氏=R =/ R (A)(8)该电流下，使得制冷能力最佳。则有(9)制冷能力表现为制冷量。和制冷深度(用制冷温差AT或冷端温度爲 反映)。由式(9)可以 看出，若冷端负荷减小，则制冷
3、量变小，这时冷端温度绻将降低或者制冷温差山丁将增大。到极限 情况。=0时，达到最低冷端温度兀min或最大制冷温差心max。利用式(9)和式得込总=尹K弧诃=討+叭-1)K利用式(10)和式(11)计算不同Z值时，电偶处于制冷能力优化情况下的最大温差和最低冷端温度, 见表1。表1 不同值时的最犬温差和最底温度(Tn = 300K)Z (1/K)1x105x10lxlO-35xl03295.6280.4264.92004.419.635.1100(3)材料的影响式(5)、(10)和(11)表明，实现工作参数优化后，热电制冷性能-无论是制冷系数还是制冷能力， 都只取决于电偶的优值系数Z。材料是否适合
4、用作热电偶元件，由材料的优值系数z决定。Z =皿 (12)z值越高，材料越好。z中所包含的三个物理参数总，吓的值是相互联系的。它们的大小主要取 决于电荷载体(电子或离子)的浓度。离子传导型导体中，载荷体可能是正离子，也可能是负离子， 它是消弱或加强电子的作用。电子传导型导体中，载荷体是电子。电流可以由电子运动形成，也可以 是空穴移动形成电流。优值系数z及组成的三个参数总月2与载荷体密度n之间的关系见图1。由图中看出，在 旳=10个沁?附近，z有峰值。这恰恰是半导体范围。导 半J蛍咄巅庚】Mi】斑-6O/K2】我荷体密度nmcm3（对数坐标）图1载荷体密度与材料性能的关丢所以热电制冷中使用的材料
5、，应是落在元素周期表的金属与非金属转换线两侧的元素的化合物 对。最常用的元素为：铋（Bi）、锑（Sb）、碲（Te）、硒（Se）。它们已经被作成各种半导体化 合物在热电制冷装置中使用，例如：PbTe，SnTe，BizTes，BizSis，SbzTes，ZnSb等等。目前国内制备较好的热电材料，P型的有碲化铋（Bi2Te3-Bi2Se3）固溶体合金。它们在温室下的 温差电性能见表2。实验材料铋-锑化合物在200K时z值为0.0040.005。各种材料的z值与温度有 关，目前适合低温制冷的半导体材料并不多。表2 半导障材料在室温下的温差电性能导体材料性能IK熔法制备粉末治金法制备P型N型P型N型ljOV/K)215-210200-230180-200180-200cr(Q - cm)-11050-1150800-1200800-900900-1000ZW/(mk)1.6-1.91.8-2.01.1-1.31.3-1.5z(l/k)(3.23.5)X10-3(3.0-32)X10-3(2.3-28)X10-3(2.2-27)X10-3
