多級(jí)熱電制冷器

P型和N 型半導(dǎo)體制冷元件與連接片串聯(lián)的焊接在儀器，組成的制冷單元稱為熱電堆（也稱制冷電堆或半導(dǎo)體制冷堆）。一個(gè)或幾個(gè)熱電堆與熱交換器結(jié)合在一起，構(gòu)成電制冷器。

如果一個(gè)熱電堆中只有一個(gè)溫度相同的冷端和一個(gè)溫度相同的熱端，這種熱電堆就稱單級(jí)熱電堆，由它組成的制冷器稱單級(jí)熱電制冷器。

熱電制冷裝置可以通過(guò)調(diào)節(jié)工作電壓來(lái)改變它的制冷量和制冷溫度。作為小型冷源，易于實(shí)現(xiàn)連接和精密控制。如熱電制冷的零點(diǎn)儀可以達(dá)到±0.001K的精度。

熱電制冷裝置使用直流電工作，對(duì)于工作電壓的波動(dòng)范圍有一定要求。如果允許的產(chǎn)冷量損失為1%左右，那么電壓的波動(dòng)吸收不得超過(guò)如下表的值。因此，最好采用蓄電池或整流電源。

1多級(jí)制冷器

如果制冷器中間還有一個(gè)或幾個(gè)中溫端（既是上一級(jí)的熱端，又是下一級(jí)的冷端），則稱為多級(jí)熱電堆，響應(yīng)的制冷器稱多級(jí)熱電制冷器。多級(jí)熱電堆可達(dá)到較大的制冷溫差。

在目前的材料水平上?半導(dǎo)體單級(jí)制冷最大能達(dá)到大約的溫差70K。半導(dǎo)體單極制冷不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)更大的溫差，而且在較大的溫差工作時(shí)，它的制冷系數(shù)迅速下降，制冷工況迅速惡化。因此在要實(shí)現(xiàn)較大溫差的場(chǎng)合，一半采用多級(jí)制冷。我們這里為了簡(jiǎn)化計(jì)算，以三級(jí)制冷器為例進(jìn)行分析。大于三級(jí)以上的制冷器具有相同的推導(dǎo)模式。

圖１３級(jí)TEC制冷器

如上圖所示，總溫差為△T，三級(jí)的溫差和制冷系數(shù)分別為，，；，，。當(dāng)不考慮級(jí)間傳熱溫差及各種損失時(shí)，多級(jí)電堆的總溫差為第一級(jí)的熱端溫度與末端一級(jí)冷端溫度只差，即可得到

? （1）

多級(jí)電堆的制冷量就是最末一級(jí)電堆冷端的吸熱量

熱端散熱量就是第一級(jí)電堆的熱端散熱量，即

總的消耗電功耗為

總的制冷系數(shù)為

考慮到I級(jí)的制冷量等于II級(jí)的散熱量，即有

I級(jí)的制冷系數(shù)為，II級(jí)的制冷系數(shù)為，III級(jí)制冷系數(shù)為

由

得到

（9）式子進(jìn)行變換后得到總的制冷效率如下

就是第一級(jí)TEC的散熱量，就是最末一級(jí)電堆冷端的吸熱量。根據(jù)（9）式。

將（12）代入到（10）中可以計(jì)算得到總制冷效率

（13）式子就是三級(jí)制冷TEC的制冷效率。當(dāng)TEC的材料一致，制冷效率相同時(shí)，

則（13）式子變?yōu)?/p>

從上面（9）式可以看到每一級(jí)電堆的散熱量都比制冷量大很多倍，所以，高溫級(jí)的熱點(diǎn)原件要比低溫級(jí)的元件熱電偶對(duì)數(shù)大許多倍。從（14）式子看到溫度越低，元件的溫差電性能越差?？偟臏夭畈⒉皇请S著級(jí)數(shù)的增多而按照比例提高的，所以實(shí)際上多級(jí)電堆級(jí)數(shù)不宜很多。一般為2~3級(jí)。最多8級(jí)。

原文標(biāo)題：多級(jí)熱電制冷器TEC的制冷效率計(jì)算

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