溫差電致冷

　　利用珀耳帖效應達到致冷的目的。1834年法國J.C.A.珀耳帖發現，當兩種不同金屬連接起來並通以電流時，有一接頭吸熱，另一接頭放熱，稱為珀耳帖效應。當用N型半導體和P型半導體構成溫差電偶，珀耳帖效應遠遠強於金屬電偶。溫差電致冷器現已進入實用階段。

半導體溫差電偶

　　圖中半導體溫差電偶為由N型半導體和P型半導體構成的溫差電偶，用銅片把兩個半導體連接起來。電流I由N型半導體流向P型半導體時，該接頭吸收珀耳帖熱αIT₁，式中α=α₁－α₂,α₁、α₂分別為P型半導體和N型半導體的溫差電動勢率，P型半導體的溫差電動勢率為正，而N型的為負。另一接頭，電流由P型半導體流向N型半導體，有熱量釋放出來。通過各種散熱方式把熱端的熱量帶走，冷端就能保持較低溫度。在熱平衡條件下，冷端所能達到的溫度取決於半導體材料的溫差電特性和冷端的熱負載及器件的設計。當材料的溫差電動勢率α大，所吸收的珀耳帖熱αIT₁就大。同時要求材料的電阻率和熱導率盡量小，使所產生的焦耳熱和由熱端向冷端的熱傳導盡量小，因為這兩部分熱量都會降低致冷效率。具有這種特性的最佳致冷材料為Bi₂Te₃及其固溶體Bi₂Te₃–Bi₂Se₃、Bi₂Te₃–Sb₂Te₃、Bi₂Te₃–Bi₂Se₃–Sb₂Te₃等。另外，溫差電動勢率和電阻率是載流子濃度的敏感參數，隨著載流子濃度的增加，電阻率減小，溫差電動勢率也減小。理論計算表明，最佳的載流子濃度為10¹⁹/厘米³的數量級，因此溫差電致冷用的原材料純度一般隻要達到99.999％即可，價格比較低廉。

　　實際應用的致冷器由若幹塊溫差電堆組成。當熱負載為零時，半導體致冷材料的最大溫差可達80℃左右，有熱負載時的溫差小於此值。為瞭獲得更低的溫度或更高的致冷效率，可采用多級結構、良好熱接觸和有效的散熱方式。溫差電致冷器的優點是：無機械轉動部件，工作無噪聲，無制冷劑的腐蝕和污染，致冷容量可變易控溫，設計靈活性大，形狀可任意變化，可小型化和微型化，隻要改變電流方向就可變致冷為發熱。普遍應用於：儀器儀表用的小型致冷器、恒溫器；醫學上的顯微切片冷凍臺，治療上的冷凍器；攜帶式冷熱箱、半導體冰箱、半導體空調器等。如作為光電倍增管或CCD的致冷器采用兩個電堆，每個電堆由31對半導體元件組成。元件尺寸為2.2毫米×2.2毫米×2.5毫米。致冷器重量為2.7千克，電功率為55瓦，采用水冷散熱。致冷器可保證光電倍增管的光陰極溫度比周圍空氣低40℃，大大降低瞭光電倍增管的噪聲。