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色谱仪器温度电子器件 —— 半导体制冷器

安平

2022/11/30
红小豆

气相色谱（GC）

色谱仪器温度电子器件 —— 半导体制冷器

概述

半导体制冷器基于特殊半导体材料的热电效应（帕尔贴效应）原理实现制冷功能，体积和重量较小、工作噪声低、无有害物质排放、制冷效果不受空间方向与重力影响、可以方便的控制切换制冷/加热状态，但制冷效率较低，功耗较大、一般用于空间较小或制冷量需求较低的场合，例如电子设备中某些部件的冷却或者便携式冰箱。

简介

气相色谱仪某些部件（如进样口或柱温箱）、气相色谱外围设备中的某些部件（例如二次热解析的冷阱）、液相色谱仪的柱温箱、自动进样器样品架或者检测器在某些特殊分析条件中的工作温度要求低于室温，在此情况下分析仪器系统需要装备制冷功能部件，常用的有液氮制冷、液态二氧化碳制冷或者半导体制冷器。

将两种不同材料的导体组成一个闭合环路时，只要两个结合点T和T₀的温度不同，在该回路中就会产生电动势，此种现象称为塞贝克效应（Seebeck effect，属于热电效应），回路产生的相应电动势称为热电势。塞贝克效应是可逆的，在两种不同材料导体构成的回路中提供直流电源，则在导体的两个结合点T和T₀将会产生温差，此种效应称为帕尔贴效应（Peltier effect），导体A、B组成的回路称为帕尔贴元件，其结构如图1所示。

图1 帕尔贴元件的结构

由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。这一效应是可逆的，如果电流方向反过来，吸热便转变成放热。帕尔贴元件吸收或者释放的热量与电流成正比。

帕尔贴元件吸收或释放的热量与通过帕尔贴元件的电流满足以下公式：

Q = ( π_A ? π_B ) I

式中 Q - 热量??

π_A- 导体A的帕尔贴系数

π_B - 导体B的帕尔贴系数

金属材料由帕尔贴效应产生的温度变化较弱，一般使用特殊半导体材料制作帕尔贴元件，称为半导体制冷器，其外观如图2所示。半导体制冷器与其他常见制冷方式相比，具有如下特点：

1、无需使用制冷剂，可以连续工作、无污染、体积和重量小。

2、工作时无机械振动，运行噪音低，使用寿命长，容易安装。

3、半导体制冷器本身具有制冷和加热功能，可以用单一部件实现较宽范围温度控制。例如某些小体积的液相色谱仪柱温箱的温度控制器，使用帕尔贴元件即可实现室温附近范围的温度控制。

4、半导体制冷器控制方式较为简单，可以通过调整其工作电流的大小和方向实现温度控制。

4、半导体制冷器惯性较小，制冷制热速度较快。

5、半导体制冷器制冷效率相对较低，功耗较大。

图2 半导体制冷器外观

小结

半导体制冷器的基本原理和使用注意事项。

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