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。

　　（1）欲使 最佳
　　由式前面内容可知，应使KR最小，并使电压V满足 的条件。
则
　　　　　　　　　　　　

　　利用上式，按 ，求出电偶尺寸优化条件为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　这时，(KR)取得最小值
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)

　　，按 ，求出工作电压（或工作电流）的优化值 （或 ），以及在该条件下的制冷系数最佳值 ，
　　　　　　　　　　　　；　　　　　　　　　　　　(3)
　　　　　　　　　　　　；　　　　　　　　 (4)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)
式中
　　　　　　　　　　　　；　　　　　　　　　　　　　 (6)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (7)

　　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 。当电偶冷端、热端温度分别是 ， 时，依上述计算式(5)可得 。而相同工作温度区间的卡诺制冷系数 。。可见，热电制冷的循环效率即使在制冷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I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，故存在使制冷能力最大的工作电流最佳值。按 的条件，求得
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(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 或冷端温度 反映）。由式(9)可以看出，若冷端负荷减小，则制冷量变小，这时冷端温度 将降低或者制冷温差 将增大。到极限情况=0 时，达到最低冷端温度min 或最大制冷温差max 。利用式(9)和式(7)得
　　　　　　　　　　　　　；　　　　　　　　　　(10)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 (11)

　　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。

　　（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。材料是否适合用作热电偶元件，由材料的优值系数z决定。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12)

　　z值越高，材料越好。z中所包含的三个物理参数,,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,, 与载荷体密度n之间的关系见图1。由图中看出，在 附近，z有峰值。这恰恰是半导体范围。

　　所以热电制冷中使用的材料，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，Bi2Te3，Bi2Si3，Sb2Te3，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0.004~0.005。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。

上一页：多级热电制冷器
下一页：基本热电偶的制冷特性