热电制冷特点及应用

热电制冷的特点

　　(1)结构简单

　　整个制冷器由热电堆和导线连接而成，没有任何机械运动部件，因而无噪声、无摩擦、可靠性高、寿命长，而且维修方便。

　　(2)体积小

　　特别在小体积、小负荷的用冷场合，使用热电制冷有其独到的好处。

　　(3)启动快、控制灵活

　　只要接通电源，即可迅速制冷。冷却速度和制冷温度都可以通过调节工作电流简单而方便池实现。

　　(4)操作具有可逆性

　　既可以用来制冷，又可以改变电流方向用于制热，因而可以用来制做高于室温到低于室温范围内的和恒温器。

　　(5)主要缺点是效率低，耗电多

　　由于缺少更好的半导体材料．限制了它的发展。另外，半导体电堆的元件价格很高。综合效率和价格比的因素：在大容量情况下，势电制冷的效率不及蒸气压缩式制冷、价格昂贵。但是蒸气压缩式制冷机的效率随容量的减小而下降，而热电制冷的效率与容量大小无关：且压缩机也不可能做得过于小．而热电制冷小到可以仅由一对基本电偶组成。产冷量在20w以下，温差不超过；50度时、热电制冷的效车高于压缩式制冷。

　 热电制冷的应用

　　需要微型制冷的场合，热电制冷会发挥很好的作用。它在国防、科研、医疗卫生等领域广泛地用作电子器件、仪表的冷却器，或用在低温测仪、器械中，或制作小型恒温器等。

　　1.热电制冷在电子元件上的应用

　　使用条件严格、对温度反应敏感的电子元器件，必须保证它们在低温或恒定的温度条件下工作，才能发挥其性能。例如：红外探测器需要在低温下才能有高灵敏度和探测率。硫化铅、硒化铅红外控测器在-10℃时的响应比20℃时的响应要高出几倍；在-78℃时，其探测率可以提高一个数量级。为此用途的热电制冷器，一种是由4级电堆组成，在真空中输入功率10w，达到-95℃的低温，而制冷器本身仅有750g重，连散热器、电风扇加在一起的体积也只有。另一种是二级电堆组成，耗电6w，冷却硫化铅红外探测器，使其讯噪比提高许多倍。

　　许多电子元件要求在恒温条件下工作，例如电阻、电容、电感、晶体管、石英晶体管等。用热电制冷方法制做恒温器，为它们提供恒温器的温度控制简单、精确。用热敏电阻作感温件，它们的温控精度可达±0.05℃。

　　在标准电器（电池、电容）标定测量中，需要超级恒温槽。采用热电制冷制作，其恒温控制精度可达0.005℃。

图1 石英晶体振荡器恒温器

　　石英晶体振荡器用的热电恒温器在外界温度变化幅度为45~-15℃时，工作室内温度可以稳定在10±0.5℃。所配备的热电堆功率30w；电流3A。恒温工作室容积为450×138（mm），整个外形尺寸为：144×56×56（mm）。其结构如图1所示。

　　多路通讯机用的恒温器结构示意图如图2所示。它使用的热电制冷器工作电流为3A；功率为5w；实际效率为36％。采用空气自然对流的散热方式，散热片面。当外界环境温度在-5~45℃之间变化时，恒温室内温度可以稳定在25±1℃。

图2 多路通讯机用恒温器

　　原子物理、天文学等科技领域中所广泛使用的光学倍增管，其暗电流、噪声、灵敏度等参数主要取决于光电阴极的温度。用二级热电制冷器为它提供低温，可以有效地降低其噪声和暗电流，提高灵敏度。

　　又如，美国的MI4010型4级微型并导体制冷器，用在手提式热观察仪上。热端温度300K时，冷端温度195K，制冷量50mw　，消耗电功率7.2w。

   　　2.热电制冷在工业上的应用

   　　①高真空技术

　　为了提供极高的真空度，需要在扩散泵上加冷阱。用热电制冷的冷阱与用液态气体（如液态空气、液氮、……）制冷的冷阱相比，前者可以将真空度提高约1个数量级。

　　②工业气体含水量的测定与控制

　　冶金、化工、机械制造工业中，常常需要准确地测定气体的湿度。测定装置中的露点湿度计是很关键的部件。用热电制冷元件制作的露点湿度计具有结构简单、精度高的优点。图3是69式露点仪的示意图。它可以测至-90℃的露点温度。其工作过程如下：被测气体内入口流入零工作室，开动仪器，使镜面开始降温，首先调节光栅 ,使硅光池 的光电压差等于零，这时表示没有信号输出。在整个过程中镜面温度由露点温度显示器Ⅶ自动追踪显示。当温度降以一定程度，镜面出现露珠，此时硅光电池 的受光显著减弱，A与 通过I的比较，有信号输出。这个信号经过放大及一系列过程去带动继电器Ⅲ，使指示灯Ⅶ发出指示。同时，制冷电堆的电源停止供电，温度跟踪也随之停止。这时露点温度显示器Ⅶ显示出的值即为露点温度。

图3 露点测量仪装置示意图
A，A'－硅光电池；B－光反射镜面；C－铂电阻测温计；D－半导体制冷电堆；
E－散热器；G，G－光栅；1，2－热电堆的电极；3，4－铂电阻的两端；
Ⅰ－硅光电池A，A'比较器；Ⅱ－放大器；Ⅲ－继电器；Ⅳ－制冷电堆的电源；
Ⅴ－平衡电桥； Ⅵ－功率放大器；Ⅶ－露电温度显示器；Ⅷ－指示灯

　　为了重复进行测量，需要消露。这时，只要改变制冷电堆的电流方向将对镜面的制冷作用转变成加热作用即可实现。不过需要注意反向电流一般应小于正向电流，以免过热烧坏制冷元堆的元件。

　　③测量仪和分析仪

　　热电偶温度测量装置中必须使用零点仪。一般多用冰水混合物作零点，使用起来不够方便。可以用热电制冷器做成人工零点仪，使测量方便可靠。图4示出半导体零电仪的一种结构示意图。

图4 半导体零点仪

　　又譬如，在石油、化工工业中需要测量各种冷凝液、油品的物理性质，比如石油倾点、石油凝点、柴油的冷、滤点等，在这些测量仪和分析仪中也用到热电制冷。

　　精密机床的油箱冷却也可以用热电制冷提供冷源。

    　　3.热电制冷在畜牧业和医学上的应用

    　　在畜牧业中热电制冷主要用于储存良种畜的精液。动物的精子在室温下很快会死亡；在0℃时可存活几天；在-78℃时则可存活几年。因而用热电制冷的冷藏瓶在低温下保存和输送动物精液十分方便。

　　热电制冷在医学上的应用更为广泛。例如：在外科小手术中，用热电制冷器对浅表的腔壁很薄的小脓肿施行冷冻麻醉，然后可以简单、安全地施行切开排脓手术。又如冷冻止血、冷冻切除白内障等。组织切片中用热电制冷器，设备简单、小巧、降温快，大大缩短制片时间，并能提高制片质量。热电制冷器还是低温手术的冷却设备。用热电制冷器做成降温帽用于为患者头部降温。药用热电冷藏箱，容积在10~20L时，经济性比机械式制冷好，用于保存血桨、疫苗、血清、药品等。生物试验用的小型恒温槽也是采用热电制冷方式。

   　　4.其它方面的应用

    　　在电源充足，运行经济性不作为首要考虑问题的应用场合，取热电制冷可靠、简单、无噪声、无振动、无工质泄漏等长处，用以作空调或冷却装置。如核潜艇、卫星站、飞机、地下建筑的空调器。

上一页：电磁制冷
下一页：多级热电制冷器