基于帕尔帖效应的制热方式及其应用

(1. 江苏省南京外国语学校，江苏 南京 210008；2. 南京大学物理学院，江苏 南京 210093)

·STS研究·

基于帕尔帖效应的制热方式及其应用

李自蹊1马朝冉1王天翼1杜菁1章东2

(1. 江苏省南京外国语学校，江苏 南京 210008；2. 南京大学物理学院，江苏 南京 210093)

当两种不同金属构成的闭合回路中存在直流电流时，两个金属接头之间将产生温差，产生帕尔帖效应。本文基于帕尔帖效应设计了一个热水器模型系统，并用微控制器和温度传感器来进行温升和电功率的测量，探究帕尔帖效应制热过程中的能量转移效率，并与传统制热方式进行了比较。本研究有助于理解帕尔帖效应的制热作用，展现了潜在的应用价值。

帕尔帖效应；制热；热水器模型

1 引言

帕尔帖效应(Peltier Effect)又称第二热电效应，产生于不同材料中电子具有的不同势能，当电流流经两种不同材料的分界面时会吸收或放出热量。常规金属材料中的电子势能基本相同，帕尔帖效应很微弱，很难被观测到；而半导体中电子势能差较大，将两种半导体封装在片状陶瓷外壳中制成的芯片具有明显的帕尔帖效应。目前研究较多的是基于帕尔帖效应的制冷应用，帕尔帖效应还可以有更为广阔的应用，如应用于现代量子通信、基于表面温度控制的红外迷彩、星载相机温度环境控制等。

帕尔帖器件不需要机械部件，具有工作电压低、无振动和噪音、控制简单、易于安装和维护、工作寿命长的优点。但帕尔帖器件的半导体材料电阻率较大，导热性能好，半导体所产生的焦耳热和自发热传导会降低器件的效率，限制了它的应用。尤其在大功率系统中，半导体自身电阻的发热功率的增长会超过帕尔帖效应吸放热功率的增长，发热功率越大，效率越低。因此帕尔帖效应制冷过程中半导体自身发热不容忽视，可以用来设计高效加热装置。笔者针对帕尔帖芯片的缺点，设计了基于帕尔帖效应的热水器模型系统，通过温升测量和热量计算，发现帕尔帖器件可以从周围环境吸收热量，所需要的电功率小于发热功率，超过100%的制热效率表明帕尔帖效应的制热特性具有良好的应用和推广前景。

2 理论及方法

图1

在利用帕尔帖效应制热过程中，环境温度也成为其能量来源。如需要设计制作一个单位时间发热量为Q的热源，则需要功率为Q的电阻。利用帕尔帖芯片制作的热源，芯片可以从其冷端吸收热量Q1，加上其自身电阻所产生的热量Q2，因此要在芯片热端实现Q=Q1+Q2的发热量，所需要的电功耗小于Q，可以提高芯片的制热效率。为了精确探究帕尔帖器件冷端温度(环境温度)和制热效率的关系，笔者设计了如图1所示的由两片帕尔帖芯片构成的实验装置，其中包含一个用来盛装待加热液体的被绝热材料包裹的铜盒，在绝热材料底部开了一个洞，安装了两块40mm×40mm、额定功率120W的帕尔帖芯片(TEC1-12710)，中间用一铜片隔离，并安装了一个温度探测器1，帕尔帖芯片1的热端向上贴在铜盒上，帕尔帖芯片2上安装了一个散热系统。在铜盒中放置1kg水，并通过温度探测器2测量水温。在实验测量中芯片1的功率被控制在25W左右，环境温度约为30℃。

两个帕尔帖芯片之间铜板安装了DS18B20数字温度探测器1，用来测量芯片1的热端温度，水箱中DS18B20数字温度探测器2分辨率为0.06℃。系统的控制器电路由微处理器(ATMega2560)管理，帕尔帖芯片1用来加热水，控制器1用来控制帕尔帖芯片两端的电压，测量并记录其电压和电流数据，并进行功率监测。控制器2不仅能控制芯片两端的电压，还能改变电流方向，实现芯片冷热端的交换和恒温控制。

图2

在单片机的控制下，系统的测量过程如图2所示，系统自动定时测量水温、运行时间、电压、电流等数据，用来计算电功率、温度导数、热功率等参数，利用Pheat/Pelectric比值来计算系统的加热效率。

3 结果及分析

图3给出了测量过程中的水温变化，包含了加热和自然冷却两个过程。在加热过程中计算总吸热和平均功率，在冷却过程中计算内外不同温差时的热耗散功率，以修正加热功率。在冷却过程后期水温逐渐接近室温，温度下降速度非常缓慢，可以忽略不计。通过温度对时间的导数，计算得到如图4所示的热耗散功率和内外温差的关系。

图3

图4

利用上述的测量数据可以计算出帕尔帖芯片的能量效率，实验中铜制容器和容器盖等质量共为213g，水的质量为1kg，得到体系的热容量为∑mc=4282J/K。

将ΔT=21.94K和Δt=3309s代入相关公式，得到在加热过程中的平均加热能量W=∑mc×ΔT=4282×21.94J=93947J，功率P1=28.39W。

4 结语

从实验结果可以看出，利用帕尔帖效应的加热设备具有较高的加热效率。热泵可以从低温热源吸收能量，并传递至高温热源，可以减少低熵能量(通常所说的能源)的使用。帕尔帖芯片在家用热水器的应用中，假设芯片冷端工作于25℃的室温且与环境热交换良好，热端加热温度为50℃，使用优值系数Z=2.44×103K-1的材料，可达到的理论效率为COP=1.24[1]。以2000W家用电热水器为例，使用约10片帕尔帖芯片组成的阵列即可达到相同制热效果，耗电功率可低至1600W。

帕尔帖芯片虽然有诸多优点，但其制作复杂，需要使用特殊半导体材料，价格较高，而且在提高功率的同时，效率急剧下降。目前国内压缩机的实际应用COP值早已达到1.95[2]，采用先进技术的压缩机效率达到了2至5之间。而当前帕尔帖效应的实际工作效率较低(一般低于1)，而且随着温差增大，效率降低，因此需要材料和技术的进一步改进，促进帕尔帖效应的实际应用。

本文针对帕尔帖芯片制冷和制热的应用问题，设计了一个基于帕尔帖效应的热水器模型系统，并使用微控制器控制系统的升温和降温，通过高分辨率的温度和电流及电压的测量来计算系统的发热量和消耗的电功率，结果证明帕尔帖效应在制热过程中具有超过100%的制热效率，在移动加热和保温设备的设计中具有潜在的应用价值。

[1] 陈振林,孙中泉.半导体制冷器原理与应用[J].微电子技术,1999,(5):63-65.

[2] 黄敏.东贝研发出COP值达1.95的冰箱压缩机车载冰箱压缩机填补国内空白[J].电器,2004,(12):7.