温差电致冷组件(丛书第19章)

第十九章 温差电致冷组件
1 概述
致冷技术与现代人的日常生活密切相关，食物保鲜、房间空调、等等，无不需要用到致 冷机。但是，传统的机械制冷技术，大都采用氟氯烃制冷剂。人们发现，大量使用这种制冷 剂，已经破坏了大气层中的臭氧层，其结果是世界性的气候恶化，人们患致各种各样的皮肤 病。 能不能找到一种无公害的致冷技术？回答是肯定的。 温差电致冷技术就是一种无公害的 致冷技术，温差电致冷器就是一种绿色的致冷机。 温差电致冷现象已发现近二百年了。1834 年法国科学家珀尔帖（Peltier）发现了一种 效应，在两个不同导体组成的回路中通电时，一个接头吸热，另一个接头放热。这就是所谓 珀尔帖效应。 温差电致冷器有很多优点。 它是一种没有转动部件的固态器件，体积小、寿命长，工 作时无噪声，又不会释放有害物质（如氟氯烃）；只要改变电流的方向，同一个致冷器可用 于致冷,也可以致热；它能在任意角度安装运行，调节电压或电流就可以精确控制温度。由 于它具有这一系列优点，在工业、农业、科学研究和国防等各领域都得到了广泛的应用。
图 5 激光二极管用温差电致冷器 手持式红外夜视仪的冷却： 使用单级和多级温差电致冷组件作为手持式红外夜视仪的致 冷器，操作方便、维护简单，是野战部队的一种现代化装备。 低噪声前置放大器的降温（见图 6）：TEC2-15803 型二级温差电致冷组件的最大温差可 达 85℃，可用于卫星地面站低噪声前置放大器，以降低放大器的信噪比。
3 工作原理、结构与制造工艺流程
温差电致冷建立在珀尔帖效应的基础上, 见图 1。
图 1 珀尔帖效应原理示意图 在两个不同的导体组成的回路中通电时，一个接头吸热，另一个接头放热，接头的吸热 或放热取决于电流的方向。 如果在放热的接头上维持一定的温度, 则另一个接头就开始冷 却, 一直到从周围介质中传入该接头上的热量和沿温差电偶臂传入的热量的总和等于所吸 收的珀尔帖热为止。在热平衡条件下，冷接头的热平衡方程为：
级数 1 2 3 4 6 8 最大温差 60－70 80-95 95-110 100-120 120-135 130-140 ℃
组件作为温度控制组件，配以散热器、换冷器等热量交换系统，以及温度控制和显示元件。 温控箱的内部容积约 70 升，重量 45kg。
图8
温差电恒温运输系统
5 使用与维护
选择温差电致冷组件时，必须预先知道三个应用参数，即热面温度 Th，冷面温度 Tc，致 冷功率 Qc( 即热负荷)。温差电致冷组件的热面温度与散热方式有关。通常,温差电致冷组 件散热方式有水冷、强迫风冷、自然风冷三种。如用强迫风冷散热时温差电致冷组件的热面 温度一般比环境温度高 10～15℃，如用自然对流冷却时温差电致冷组件的热面温度一般比 环境温度高 20～40℃，如用水冷散热时温差电致冷组件的热面温度一般比环境温度高 2～5 ℃。 单级温差电致冷组件最大温差可达 60～70℃。如要求致冷器温差超过此范围，必须选 用多级温差电致冷组件。 如要采用多级温差电致冷组件, 则要确定用几级温差电致冷组件较 为合适。 在目前的工艺水平， 采用性能最好的温差电材料制作的单级和多级温差电致冷组件可能 达到的最大温差见表 2。 表2 各级温差电致冷组件的温差范围
第二部分 一个英文字母 结构类别
c) 双面金属化，用 TT 表示 在第二部分中， 常用的陶瓷式温差电致冷组件用 C 表示， 小型陶瓷式温差电致冷组件(温 2 差电元件截面小于或等于 1mm ，这类温差电致冷组件常称微型温差电致冷组件)用 S 表示。 第五部分表示温差电致冷组件的最大温差电流值， 对 C 型温差电致冷组件而言， 取最大温差 电流的整数值;对于 S 型温差电致冷组件而言， 组件的最大温差电流的 10 倍才是型号中的数 值。 例如，型号为 TEC1－12705TT 的致冷组件，是一种陶瓷式单级致冷组件，由 127 对温差 电偶构成，其最大温差电流为 5A，它热面和冷面外侧都有金属化层。
2 分类与命名
温差电致冷组件可分为单级温差电致冷组件和多级温差电致冷组件。单级温差电致冷组 件指的是只有一个热面和一个冷面的单层温差电致冷组件。 为了获得更大温差或者更大性能 系数， 将上一级温差电致冷组件的热端与下一级温差电致冷组件的冷端热耦合， 如此叠加形 成的多层次的组件被称为多级温差电致冷组件。 温差电致冷组件在应用过程中与热交换器构成一个完整的系统，通常称为温差电致冷 器，该致冷器也可用于加热。按热交换器型式进行分类，温差电致冷器可分为空冷式温差电 致冷器和水冷式温差电致冷器。 我国已经在电子工业部部颁标准 （SJ2856-88） 中公布了温差电致冷组件的型号命名法。 温差电致冷组件的型号由六部分组成：温差电致冷组件；结构类型；级数；元件总对数;电 流值；外表面状态。各部分的符号、含义及表示方法见表 1。 表 1 部 分 符 号 含 义 英文字母 用一个英文字母 用一位阿拉伯数字 用三位阿拉伯数字 用二位阿拉伯数字 a) 无金属化层，不表示 b) 单面金属化，用 T 表示 表 示 方 法 第一部分 TE 第三部分 一位数字 第四部分 三位数字 第五部分 二位数字 第六部分 不超过两个 英文字母 温差电致冷组件 级数 元件总对数 最大温差电流值 外表面状态
图 6 低噪声前置放大器用温差电致冷器 精密露点仪的致冷器（见图 7）：TEC3－16503 型三级温差电致冷组件的最大温差可达 95℃以上， 是测量露点范围－60℃～－70℃的精密露点仪关键部件。 半导体致冷的精密露点 仪操作和维护简单，能便携使用。
图 7 精密露点仪的温差电致冷器 军用微机主机和外部设备的热加固： 军用计算机采用 TEC1－12703 或 TEC1－12705 型单 级温差电致冷组件为热泵元件的小型空调器加固，可以保证整机在环境温度－20℃～＋55 ℃时正常工作。TEC1-12703 和 TEC1-12705 组件还可用于微机光、磁记录器恒温器和磁盘、 光盘恒温箱。 红外定标器的致冷：TEC1－03108 型温差电致冷组件可冷却红外定标器的红外元件，以 保证导弹的精确制导。 导弹发射车调温系统用热泵：导弹发射车调温系统采用 ZLQ－2 温差电致冷器，使导弹 发射前温度保持 20℃±3℃。 该致冷器在工作电流为 30A 时， 冷、 热面温差不小于 50℃， 致 冷功率不小于 12W; 该致冷器采用了整体防水密封结构 。 弹头储运箱温度调节器：弹头储运箱采用温差电空调器，可保证运输时弹头温度处于 20℃±5℃的环境温度。 空间生物仪器控温用温差电致冷器： 这种致冷器在返回式卫星和宇宙飞船中使用， 可以 控制航天器内生物仪器温度保持在 18℃～25℃。一种类型致冷器已在我国第十七颗返回式 卫星中成功使用。 军用方舱空调器：军用方舱采用温差电空调器，以保证环境温度－45℃～＋55℃时，车 载电子设备能正常工作。 光电倍增管的致冷: 温差电致冷光电倍增管体积小， 操作方便， 适合实验室和野外使用。 水冷式 GZLQ-1 型光电倍增管温差电致冷器与 R928 型光电倍增管适配, 室温条件下致冷温 度低于 -20℃,可将光电倍增管的暗电流降低 3 个数量级以上。 温差电恒温运输系统：温差电恒温运输系统包括温差电温控箱、蓄电池组和主浮充充电 机。该系统具有交直流两用的功能，在无交流电源时，使用蓄电池组保证温控箱系统的正常 工作，其连续工作时间大于 6h。在有交流电源时，可通过充电机为温控箱提供 24VDC 的工 作电压，同时可对蓄电池组进行浮充充电。温控箱是该系统的核心部分，它是以温差电致冷
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性能与应用
反映温差电致冷组件的热电性能的主要参数是最大温差电流、最大温差、最大致冷功率 和最大温差电压。 最大温差电流（Imax）：热面温度 27℃, 冷面无热负荷, 温差电致冷组件能达到最大 温差时的工作电流, 单位 A。 最大温差（ΔTmax）：热面温度 27℃, 冷面无热负荷时, 温差电致冷组件能达到的最大 温差, 单位℃, 此时温差电致冷组件在最大温差电流 Imax 工作。 最大致冷功率（Qcmax）：热面温度 27℃, 温差电致冷组件在冷面能吸收的最大热负荷, 单位 W, 此时温差电致冷组件在最大温差电流 Imax 工作。 最大温差电压（Vmax）：热面温度 27℃, 冷面无热负荷时, 温差电致冷组件在最大温差 电流 Imax 工作时的电压, 单位 V。 有时，还用到性能系数这个概念。温差电致冷组件的性能系数定义为致冷功率（致冷运 行时）或致热功率（致热运行时）与输入功率之比值。一般情况下，温差电致冷组件致热运 行时性能系数大于 1。 TEC1-12703 温差电致冷组件的在几种热面温度时的特性曲线见图 4。
1 Qc Tc I I 2 R K (Th Tc ) 2
式中
（1）
I－ 电流，A； K－ 温差电致冷组件的热导，W/℃； Qc－ 致冷功率，W； R－ 温差电致冷组件的内阻，Ω； Th－ 温差电致冷组件的热面温度，K； Tc－ 温差电致冷组件的冷面温度，K； α－ 温差电致冷组件的塞贝克系数，V/℃。 方程式中第一项是珀尔帖热。方程中第二项是焦耳热的一半，我们假设通电过程中热偶 上产生的焦耳热有一半传到冷接头。 方程中的第三项是由傅利叶热传导定律决定的由热接头 传导到冷接头的热量。 在说到温差电材料和温差电组件时经常提到优值（Figure of Merit，有的文献则称为品质
因子）的概念，以表示温差电材料和组件热电性能的好坏。温差电材料的优值与它的塞贝克 系数、电导率和热导率有关，定义为/K,塞贝克系数 α的单位是 V/K,电导率σ的单位是 S/m,热导率κ 的单位是 W/（m·K）。 常规的单级温差电致冷组件是由若干对温差电偶电串联构成。温差电元件呈矩形截面。 流行的结构中铜制导流片连接 P、N 型元件，用高纯氧化铝(或氧化铍)陶瓷片在冷面和热面 与外界耦合。这种夹层结构示于图 2。 1 2 3
图3
一只 5 级温差电致冷组件的照片
制备的温差电致冷材料多晶锭去掉头尾后，用切片机按温差电元件的高度切成片，再用 划片机切成所需尺寸的元件。
最后，利用模具将温差电元件焊接到按一定形式排布的带导流片的陶瓷板上，形成温差 电致冷组件。目前市售温差电致冷组件多用熔点 138℃的焊料焊接, 长期工作温度为 80℃, 短期工作温度为 100℃。近几年研制成功一种高温温差电致冷组件，使用较高熔点的焊料制 作， 最高持续工作温度为 150℃。