多級熱電制冷器

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

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

熱電制冷裝置可以通過調節工作電壓來改變它的制冷量和制冷溫度。作為小型冷源，易于實現連接和精密控制。如熱電制冷的零點儀可以達到±0.001K的精度。

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

1多級制冷器

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

在目前的材料水平上?半導體單級制冷最大能達到大約的溫差70K。半導體單極制冷不僅無法實現更大的溫差，而且在較大的溫差工作時，它的制冷系數迅速下降，制冷工況迅速惡化。因此在要實現較大溫差的場合，一半采用多級制冷。我們這里為了簡化計算，以三級制冷器為例進行分析。大于三級以上的制冷器具有相同的推導模式。

圖１３級TEC制冷器

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

? （1）

多級電堆的制冷量就是最末一級電堆冷端的吸熱量

熱端散熱量就是第一級電堆的熱端散熱量，即

總的消耗電功耗為

總的制冷系數為

考慮到I級的制冷量等于II級的散熱量，即有

I級的制冷系數為，II級的制冷系數為，III級制冷系數為

由

得到

（9）式子進行變換后得到總的制冷效率如下

就是第一級TEC的散熱量，就是最末一級電堆冷端的吸熱量。根據（9）式。

將（12）代入到（10）中可以計算得到總制冷效率

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

則（13）式子變為

從上面（9）式可以看到每一級電堆的散熱量都比制冷量大很多倍，所以，高溫級的熱點原件要比低溫級的元件熱電偶對數大許多倍。從（14）式子看到溫度越低，元件的溫差電性能越差。總的溫差并不是隨著級數的增多而按照比例提高的，所以實際上多級電堆級數不宜很多。一般為2~3級。最多8級。

原文標題：多級熱電制冷器TEC的制冷效率計算

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