溫差電致冷現象已發現一百五十多年瞭。1834年法國科學傢珀爾帖（Peltier）發現瞭一種效應，在兩個不同導體組成的回路中通電時，一個接頭吸熱，另一個接頭放熱。這就是所謂珀爾帖效應。1911年，德國人Altenkirch用實驗證實瞭此效應可以致冷，提出溫差電致冷的理論，並得到溫差電致冷器基本參數的熱力學公式。本世紀50年代，由於半導體材料制造技術的突破，溫差電致冷技術獲得瞭較快發展。

溫差電致冷組件是利用珀爾帖效應工作的熱泵，可用於致冷，也可以致熱。它是一種沒有轉動部件的固態器件，壽命長，工作時無噪聲，又不會釋放有害物質（如氟氯烴），能在任意角度安裝運行，調節電壓或電流時可以精確控制溫度。由於它具有的一系列優點，在國防、工業、農業、科學研究各領域都得到瞭廣泛的應用

當前，溫差電致冷器在中（致冷功率在100W～500W范圍）、小（致冷功率低於100W）功率的應用占極大部分。在某些小功率場合已經是並將仍然是唯一可用的致冷方式。在激光二極管、CCD器件、紅外探測器的冷卻等小功率應用領域，應用相當普遍。中功率應用領域，溫差電致冷也有相當大的市場，如氣體除濕器，氣體或液體冷卻器等。近幾年中小功率溫差電致冷器應用年增長超過20%。大功率（致冷功率大於500W）溫差電致冷器，包括電子儀器空調艙、計算機空調機等，在權衡空間大小、重量、可靠性、運行方式等要求後，在軍用領域是竟爭力的。

1       工作原理、結構與制造工藝流程

在兩個不同的導體組成的回路中通電時，一個接頭吸熱，另一個接頭放熱，接頭的吸熱或放熱取決於電流的方向。如果在放熱的接頭上維持一定的溫度，則另一個接頭就開始冷卻，一直到從周圍介質中傳入該接頭上的熱量和沿溫差電偶臂傳入的熱量的總和等於所吸收的珀爾帖熱為止。在熱平衡條件下，冷接頭的熱平衡方程為：

Qc=aTcI-0.5I²R-K(Th-Tc)

方程式中第一項是珀爾帖熱, a稱為材料的塞貝克系數。其實，塞貝克系數與冷面溫度的乘積就是該材料對在冷接頭處的珀爾帖系數。方程中第二項是焦耳熱的一半，我們假設通電過程中熱偶上產生的焦耳熱有一半傳到冷接頭。方程中的第三項是由傅利葉熱傳導定律決定的由熱接頭傳導到冷接頭的熱量。

在說到溫差電材料和溫差電組件時經常提到優值（有的文獻則用品質因子的說法）的概念，以表示溫差電材料和組件熱電性能的好壞。溫差電材料的優值與它的塞貝克系數、電導率和熱導率有關，定義為：

z = a² ó / k

公式中優值z的單位是1/K，塞貝克系數a的單位是V/K，電導率ó的單位是S/cm，熱導率k的單位是w/（cm·k）。

常規的單級溫差電致冷組件是由若幹對溫差電偶電串聯構成。溫差電元件呈矩形截面。流行的結構中銅制導流片連接P、N型元件,用高純氧化鋁(或氧化鈹)陶瓷片在冷面和熱面與外界耦合。

多級溫差電致冷組件，常規的結構方式是上一級的熱面作為下一級的冷面，如此疊加成的多層次組件，通常呈金字塔形式。一般情況下，各級溫差電偶串聯供電。

制作溫差電致冷組件，首先要制備溫差電致冷材料。常用的溫差電材料是用區域熔煉法（可以用電阻爐區熔，也可以用高頻區熔）、佈裡奇曼法等熔融生長法制備的定向多晶。用於室溫附近致冷，目前最好的P型溫差電材料是摻一定量雜質的贗二元Bi2Te3-BiSe3，以及由Bi2Te3- Sb2Te3- Bi2Se3組成並摻一定量雜質的贗三元材料。優值在2.5×10‐3 / K左右。

  制備的溫差電制冷材料多晶錠去掉頭尾後,用切片機按溫差電元件的高度切成片,再用劃片機切成所需尺寸的元件。

最後,利用模具將溫差電元件焊接到按一定形式排佈的帶導流片的陶瓷板上,形成溫差電制冷組件。目前市售溫差電致冷組件多用熔點138℃的焊料焊接，長期工作溫度為80℃，短期工作溫度為100℃。近幾年研制成功一種高溫溫差電致冷組件，使用較高熔點的焊料制作，最高持續工作溫度為150℃。

2       溫差電致冷的優越性

a） 小型化：一般情況下，溫差電致冷器外形尺寸和體積遠遠小於機械制冷系統，重量也比較輕。各種標準的和特殊的尺寸以及結構的溫差電致冷組件可供選擇，適用於各種應用的需要。

b）  具有致冷和加熱兩種功能：改變直流電源的極性，同一致冷器可實現加熱和致冷兩種功能。

c）  精確溫控：使用合適的閉環溫控電路，可實現溫度控制。溫差電致冷器控溫精度可優於±0.1℃。

d）  高可靠性：溫差電致冷組件為固體器件，無運動部件，因此失效率低。典型的溫差電致冷器的壽命大於二十萬小時。

e）  工作時無聲：與機械制冷系統不一樣，溫差電致冷器工作時不產生噪音。

f）  可使用常規電源：溫差電致冷器對電源要求不高。可使用一般直流電源，工作電壓和電流可在大范圍調整。

g）  可實現點致冷：可隻冷卻一專門的元件或特定的面積，不必要冷卻一完整的封裝外殼和整體。

h）  具有發電能力：若在溫差電致冷組件兩面建立溫差，則可產生直流電。可利用溫差電致冷組件制作小功率發電裝置。

i）  綠色器件：溫差電制冷器不會釋放氟氯烴或其它有害化學物質，不危害環境。溫差電致冷器是一種綠色無公害半導體器件。

3       性能參數與曲線

反映溫差電致冷組件的熱電性能的主要參數是最大溫差電流、最大溫差、最大致冷功率和最大溫差電壓。

最大溫差電流（Imax）指的是熱面溫度27℃，冷面無熱負荷，溫差電致冷組件能達到最大溫差時的工作電流，單位A。

最大溫差（Δmax）指的是熱面溫度27℃，冷面無熱負荷，溫差電致冷組件能達到最大溫差，單位℃，此時溫差電致冷組件在最大溫差電流Imax工作。

最大致冷功率（Qcmax）指的是熱面溫度27℃，溫差電致冷組件在冷面能吸收的最大熱負荷，單位W，此時溫差電致冷組件在最大溫差電流Imax工作。

最大溫差電壓（Vmax）指的是熱面溫度27℃，冷面無熱負荷時，溫差電致冷組件在最大溫差電流Imax工作時的電壓，單位V。

有時，還用到性能系數這個概念。溫差電致冷組件的性能系數定義為致冷功率（致冷運行時）或致熱功率（致熱運行時）與輸入功率之比值。一般情況下，溫差電致冷組件致熱運行時性能系數大於1。

4       分類與命名方法

溫差電致冷組件可分為單級溫差電致冷組件和多級溫差電致冷組件。單級溫差電致冷組件指的是隻有一個熱面和一個冷面的單層溫差電致冷組件。為瞭獲得更大溫差或者更大性能系數，將上一級溫差電致冷組件的熱端與下一級溫差電致冷組件的冷端熱耦合，如此疊加形成的多層次的組件被稱為多級溫差電致冷組件。

  溫差電致冷組件在應用過程中與熱交換器構成一個完整的系統，通常稱為溫差電致冷器。該致冷器也可用於加熱。按熱交換器型式進行分類，溫差電致冷器可分為空冷式溫差電致冷器和水冷式溫差電致冷器。

我國已經在中國電子科技集團公司部頒標準（SJ2856-88）中公佈瞭溫差電致冷組件的型號命名法。溫差電致冷組件的型號由六部分組成。第一部分代表溫差電致冷組件，用TE表示;第二部分表示結構類別，常用的陶瓷式溫差電致冷組件用C表示，小型陶瓷式溫差電致冷組件（溫差電元件截面小於或等於1mm²，這類溫差電致冷組件常稱微型溫差電致冷組件）用S表示； 第三部分表示級數，如1表示一級，3表示三級；第四部分表示組件內溫差電偶總對數，用三位阿拉伯數字表示；第五部分用兩位數字表示溫差電致冷組件的最大溫差電流值，對C型溫差電致冷組件而言，取最大溫差電流的整數值，對於S型溫差電致冷組件而言，組件的最大溫差電流的10部才是型號的數值；第六部分表示溫差電致冷組件外表面的狀態，如單面金屬化的用T表示,雙面金屬化的用TT表示，無金屬化的則不表示。

例如，型號為TEC1-12705TT的致冷組件，是一種陶瓷式單級致冷組件，由127對溫差電偶構成，其最大溫差電流為5A，它熱面和冷面外側都有金屬化層。

5       產品目錄

5.1產品目錄

標準的單級溫差電致冷組件、微型單級溫差電致冷組件、多級溫差電致冷組件的性能參數見附錄1。5.2結構形式

溫差電致冷組件的結構型式有如下四種。

第Ⅰ種結構型式為常規單級溫差電致組件的結構型式。第Ⅳ種結構型式為常規多級溫差電致冷組件的結構型式。目前,第Ⅱ種結構型式單級溫差電致冷組件有TES1-01810、TES1-01815、TEC1-12704、TEC1-12706、TEC1-12708溫差電致冷組件，第Ⅲ種結構型式單級溫差電致冷組件有TES1-03920SP溫差電致冷組件。

6安裝方法

6.1螺栓固緊法

1)     安裝表面研磨或拋光，熱槽表面的平面度不大於0.03mm。

2)      小心清潔安裝表面和組件表面,除去毛刺、臟物、油脂。

3)      安裝多於一個組件時，組件厚度公差在±0.05mm以內。

4)      組件熱面和冷面分別塗一均勻的薄層導熱矽脂。

5)      將組件放置在熱槽和被冷卻物體之間,四個或六個螺栓固緊熱槽和備冷卻物體。註意用力均勻,切勿過度。

6.2膠粘法

1)     安裝表面研磨或拋光，熱槽表面的平面度大於0.03mm。

2)      小心清潔安裝表面和組件表面,除去毛刺、臟物、油脂。

3)      組件熱面和冷面分別塗一均勻的薄層導熱環氧樹脂。

4)     將組件放置在熱槽和被冷卻物體之間。

5)     輕夾組件,直至導熱膠固化。

6.3焊接法

1)     熱槽表面必須是可焊的,即是銅材或已經塗復的鋁材。

2)      將低溫焊料預先掛在熱槽和組件表面,低溫焊料的熔點至少比焊接組件的焊料的熔點低20～30。

3)      小心清潔安裝表面和組件表面,除去臟物、油脂。

4)      在安裝表面和之間表面塗適量焊劑。

5)      在適當溫度下進行焊接。

6)      冷卻後清除焊劑等殘餘物。

註意:焊接法有損壞組件的風險,必須進行溫度控制,以避免組件過熱。當最終產品須熱循環運行時,最好不使用焊接法。

7       使用與維護

選擇溫差電致冷組件時,必須預先知道三個應用參數,即熱面溫度Th,冷面溫度Tc,致冷功率Qc(即熱負荷)。溫差電致冷組件的熱面溫度與散熱方式有關。通常，溫差電致冷組件散熱方式有水冷、強迫風冷、自然風冷三種。如用強迫風冷散熱時溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環境溫度高10～15℃，如用自然對流冷卻時溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環境溫度高20～40℃，如用水冷散熱時溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環境溫度高2～5℃。

單級溫差電致冷組件最大溫差可達60～70℃。如要求致冷器溫差超過此范圍，必須選用多級溫差電致冷組件。如要采用多級致冷組件，則要確定用幾級溫差電致冷組件較為合適。

在目前的工藝水平，采用性能最好的溫差電材料制作的單級和多級溫差電致冷組件可能達到的最大溫差見表1

表1 各級溫差電致冷組件的溫差范圍

熱負荷有主動熱負荷和被動熱負荷之分。被動負荷包括輻射熱負荷、對流熱負荷和傳導熱負荷。在設計系統前應當先根據實際應用情況把主動熱負荷和被動熱負荷估算出來。

使用溫差電致冷組件時，一定要註意以下幾點：

1.溫差電致冷組件致冷運行時，熱面必須散熱。必要時，可在散熱器上安裝熱保護繼電器，以防止致冷組件過熱而損壞。下面，分三種散熱情況進行討論。

①水冷散熱：即利用一水套（銅質或鋁質），接上自來水管，讓流水將熱量帶走。

②強迫風冷散熱：采用肋狀鋁質或銅質散熱器，並配以軸流風扇或離心風扇，將溫差電致冷組件熱面的熱量帶走。

③自然風冷散熱：采用較強迫風冷大得多的鋁質或銅質肋狀散熱器，將溫差電致冷組件熱面的熱量帶走。

2.絕熱的考慮

為瞭達到最佳致冷效果，致冷器內部冷熱面之間應當絕熱。綜合考慮體積、絕熱效果等問題，最佳絕熱層厚度在25～30mm，如絕熱層厚度再增加，則體積迅速增加，而絕熱效果改善不明顯。溫差電致冷器的絕熱材料可采用聚氨酯泡沫塑料（軟泡或硬泡）或聚苯乙烯發泡塑料等絕熱材料。

3.電源的考慮

溫差電致冷組件必須直流供電，電源的波紋系數應不大於10％。電源的紋波系數為10％時，致冷組件的溫差減少2％；電源的紋波系數為20％時，致冷組件的溫差減少5％。多級溫差電致冷組件和低電平信號。

4.可改變單級溫差電致冷組件工作的方向，使其在致冷或致熱狀態運行。但多級溫差電致冷組件隻能在致冷狀態工作，不可隨意改變電流方向。

8訂貨須知

8．1常規的單級溫差電致冷組件和多級溫差電致冷組件，連續工作時最高工作溫度為＋80℃，冷熱面陶瓷片為氧化鋁陶瓷片，外側無金屬化層。常規單級溫差電致冷組件的高度公差為±0.25mm。

8．2如有需要，訂貨時應作如下說明：

1)     熱、冷面外側金屬化。

2)     熱面外側金屬化。

3)     冷面外側金屬化。

4)     連續工作時最高工作溫度＋150％℃。

5)     連續工作時最高工作溫度＋200％℃。

8．3我所可滿足用戶如下特殊要求：

1)     熱面陶瓷片外側預掛＋96℃焊料。

2)     熱、冷面陶瓷片外側預掛＋96℃焊料。

3)     熱面陶瓷片外側預掛＋117℃焊料。

4)     熱、冷面陶瓷片外側預掛＋117℃焊料。

5)     熱面陶瓷片外側預掛＋138℃焊料。

6)     熱、冷面陶瓷片外側預掛＋138℃焊料。

7)     高度公差±0.025mm。

8)     電信級溫差電致冷組件，預先進行高強度老化篩選。

9)     提供溫差電致冷組件的測試數據、有關的性能曲線。

10)  防水密封型溫差電致冷組件。

11)  供應96℃、117℃、138℃焊料。

12)  供應特種用途的焊料。

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