【正文】 斷地排走并保持一定的溫度，冷端才能連續(xù)制冷，熱端散熱效果的好壞將直接影響冰箱的制冷量和制冷系數(shù)。: 9 + 3 *83 +，是迄今為止所知的$ 值最高的/ 型材料［)］，但由于制備工藝及加工成本等原因，工業(yè)化生產(chǎn)尚需時(shí)日，仍需進(jìn)一步的研究。經(jīng)過(guò)摻雜的碲化鉍合金即2’ 3 01 3 4’ 3 45 多元固溶體合金可能是最佳制冷元件材料，在, 7 *8 溫區(qū)，其平均$ 值可維持在!* 9 + 3 *83 +的水平，是各國(guó)半導(dǎo)體冰箱生產(chǎn)廠家的首選材料。兩種方法各有長(zhǎng)處，但定向長(zhǎng)晶材料更普遍些。從物理原理方面來(lái)看，提高z 值可以選擇最佳載流子濃度、增加材料的禁帶寬度、提高材料的/Kp值、改變材料的散射機(jī)構(gòu)等，這些都可通過(guò)合適的摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)；從制造工藝方面來(lái)看，可以采取降低材料的生長(zhǎng)速率，合理選擇退火溫度和退火時(shí)間來(lái)提高z 值［9］。等還提出了固溶體理論［8］，即利用同晶化合物形成類(lèi)質(zhì)同晶的固溶體。因此必須選取適當(dāng)?shù)妮d流子濃度n， 使得達(dá)到最大，通常n在接近時(shí)，材料的優(yōu)值系數(shù)最高。 —電導(dǎo)率； 熱電制冷材料方面的問(wèn)題 提高熱電制冷材料z值的方法優(yōu)值系數(shù)z是衡量熱電制冷材料的熱電性能的重要參數(shù)，它決定制冷元件所能達(dá)到的最大溫差。與采用制冷劑傳遞能量的蒸汽壓縮式制冷裝置有明顯的不同，熱電制冷靠電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中直接傳輸能量而制冷。半導(dǎo)體冰箱控制裝置的研制也在實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究中有了新的突破，并獲得較理想的結(jié)果［6,7］，這里不再討論。但是，蒸汽壓縮式制冷機(jī)的效率隨著容量的減小而降低，而熱電制冷的效率與容量無(wú)關(guān)。介紹了幾種性能較好的半導(dǎo)體制冷器材料，總結(jié)了提高材料優(yōu)值系數(shù)的方法；同時(shí)針對(duì)半導(dǎo)體制冷散熱器存在的問(wèn)題，認(rèn)為可采用熱管技術(shù)加以解決。圖l為箱體設(shè)計(jì)示意圖在不同條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論[4]圖1箱體設(shè)汁示意圖 A schematic plan of the thermoelectricrefrigerating unit2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論由于半導(dǎo)體制冷片的特性，調(diào)整其電壓時(shí)，電流也隨之改變，因此電流不單獨(dú)調(diào)節(jié)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果在開(kāi)始制冷2 h后穩(wěn)定，對(duì)3次記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值進(jìn)行整理．2．1工作電壓與電流和功率的關(guān)系圖2給出了在25℃～35℃環(huán)境溫度下半導(dǎo)體制冷片工作電壓與工作電流功率的關(guān)系，由圖2可見(jiàn)在一定環(huán)境溫度下半導(dǎo)體制冷片的工作電流I和功率P是隨著工作電壓u的增大而增大的,但隨著環(huán)境溫度的升高，電流略為減小，原因在于環(huán)境溫度升高后，半導(dǎo)體制冷片兩端溫差加大，溫差電動(dòng)勢(shì)增大，抵消的電源電勢(shì)也較大2．2工作電壓與制冷器內(nèi)部溫度的關(guān)系當(dāng)熱端散熱強(qiáng)度一定時(shí)，電流的選取存在一最佳值，高于此值導(dǎo)致焦耳熱過(guò)大，低于此值又導(dǎo)致制冷能力過(guò)小。外部尺寸：180mm120mm265mm，m^3。(2)隨著散熱強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，熱電制冷的性能逐漸提高，但當(dāng)熱端散熱強(qiáng)度增加到一定值后，散熱強(qiáng)度的增加對(duì)制冷性能的影響就趨于緩慢。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)熱端散熱系統(tǒng)，避免造成不必要的浪費(fèi)。K^1，電導(dǎo)率a=1000，導(dǎo)熱系數(shù)，電偶臂長(zhǎng)度l=15mm，截面積A =40mm x 40mm，工作電流I=。以一對(duì)電偶對(duì)為例進(jìn)行分析，將電偶臂作為有均勻內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱處理，并對(duì)電偶臂做以下假設(shè):電偶臂均為等截面臂，電偶臂周?chē)^熱，半導(dǎo)體材料均質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。1 半導(dǎo)體制冷器的傳熱分析由熱力學(xué)第二定律可知，將熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，必然要消耗一定量的外功。所以，半導(dǎo)體制冷是一種有良好應(yīng)用前景的制冷方式。半導(dǎo)體制冷。在第三類(lèi)邊界條件下對(duì)微分方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和求解得出了散熱強(qiáng)度對(duì)制冷性能影響的曲線。 2)溫差電對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可改變電臂熱傳遞，減小接觸層電阻、熱阻，提高熱電制冷器性能，但這些特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求不斷改進(jìn)加工工藝。 [38]在熱電制冷熱端分別采用如圖7所示回路式兩相流虹吸管(TLT)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬研究。[35]對(duì)熱電制冷系統(tǒng)中采用相變熱虹吸管散熱的研究較多。一種熱端散熱功率為lOW的小型制冷器，用300cm^2的BiPbCrSn合金進(jìn)行散熱，冷卻器可連續(xù)工作2h。水冷散熱換熱效果較好，但對(duì)水質(zhì)要求比較高，如果水冷表面結(jié)垢，傳熱性能會(huì)下降。文獻(xiàn)【29」提出了在熱電制冷器中使用空氣對(duì)流散熱與水冷散熱相結(jié)合的環(huán)流換熱，環(huán)流換熱采用熱電制冷器冷卻水，由水冷卻被冷卻物，然后經(jīng)熱電堆的熱端，吸收熱量后再到散熱器中放熱。對(duì)于一個(gè)45mm X 45mm的熱電制冷模塊而言，~，~。自然風(fēng)冷主要應(yīng)用于小型熱電制冷器中，以一定形式的翅片散熱器作為熱交換器，熱阻大小主要取決于翅片密度以及散熱器基礎(chǔ)表面積與熱電模塊端面面積的比率，比率越高則熱阻越小。因此散熱器設(shè)計(jì)是影響熱電制冷技術(shù)的主要因素之一。以Bi2Te3和CoSb3材料為基礎(chǔ)的n型材料，以Bi2Te3和CeFe4Sb12材料為基礎(chǔ)的p型材料，最開(kāi)始是由Jet Propulsion實(shí)驗(yàn)室發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)在300~973K范圍內(nèi)操作時(shí)，每條電臂的總的接觸電阻為5O，絕緣較好的時(shí)候轉(zhuǎn)化效率可達(dá)15%. 懸臂熱接觸結(jié)構(gòu)圈4. 懸臂熱接觸結(jié)構(gòu)熱電對(duì) Schematic description of a thermoelectromechanical couple懸臂熱接觸結(jié)構(gòu)熱電對(duì)(如圖4)的熱端直接安裝在基板上，冷端金屬片與冷端基板通過(guò)懸臂梁連接，周期性熱接觸。這種電臂結(jié)構(gòu)的制冷器，其冷源移走的熱量是電場(chǎng)從n型和P型半導(dǎo)體中發(fā)射電子的能量差，冷卻效率定義為，其中V是陽(yáng)極偏壓。這種結(jié)構(gòu)的熱電對(duì)，電傳導(dǎo)的方向與電臂長(zhǎng)度方向是垂直的，相當(dāng)于一系列平行排布的小的溫差電對(duì)。目前發(fā)展中的結(jié)構(gòu)包括“無(wú)限級(jí)聯(lián)”熱電對(duì)結(jié)構(gòu)[19,20]場(chǎng)致電發(fā)射結(jié)構(gòu)[21]、功能梯度結(jié)構(gòu)[22,23懸臂熱接觸結(jié)構(gòu)[24]、熱電偶冷端點(diǎn)陣接觸結(jié)構(gòu)[[zs)、同軸環(huán)形熱電結(jié)構(gòu)、多孔熱電材料和結(jié)構(gòu)[26)、利用瞬態(tài)效應(yīng)的熱電結(jié)構(gòu)[24]等。這說(shuō)明材料低維化能夠提高熱電材料的ZT值。為(4~6) X, ，此類(lèi)半導(dǎo)體在10OOK以上仍有較高的熱電優(yōu)值。氧化物熱電材料主要包括NaCoO系熱電材料和CaCoO系熱電材料。目前發(fā)展中的熱電材料有:非氧化物半導(dǎo)體熱電材料，氧化物型熱電材料，低維度熱電材料，超晶格熱電材料等。目前提高a和的基礎(chǔ)工作已經(jīng)比較清楚了，關(guān)鍵在于降低材料的晶格熱導(dǎo)率。衡量熱電制冷器制冷能力的一個(gè)重要參數(shù)是材料的優(yōu)值系數(shù)Z，其表達(dá)式為， Z越高，COP也越大。 一冷熱端溫差。熱電對(duì)的熱端和冷端存在溫度差時(shí)，存在一個(gè)熱傳導(dǎo)效應(yīng)即傅立葉效應(yīng)。溫差電對(duì)。5結(jié)論本文對(duì)半導(dǎo)體制冷冰箱的散熱方式進(jìn)行了研究，搭建了該冰箱散熱條件研究的試驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置中包含了翅片風(fēng)扇以及熱管散熱器，設(shè)計(jì)了8種不同的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)，得到的主要結(jié)論如下：(1)在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷冰箱冷熱端散熱器時(shí)，雖然冷熱端換熱條件越好，半導(dǎo)體制冷元件的制冷性能越高，但是必須同時(shí)考慮到冷熱端散熱器散熱過(guò)程中所花費(fèi)的代價(jià)，以及因此而可能產(chǎn)生的對(duì)實(shí)際制冷量的影響，并不能不計(jì)代價(jià)地改善換熱狀況；(2)如果有兩個(gè)總換熱系數(shù)不同的換熱器可供選擇，在考慮具有較大總換熱系數(shù)的換熱器應(yīng)放置在半導(dǎo)體制冷元件的熱端的同時(shí)，也要考慮具有較小總換熱系數(shù)的換熱器的能耗是否對(duì)冰箱實(shí)際的制冷量產(chǎn)生較大的影響。但是衡量半導(dǎo)體冰箱的制冷性能應(yīng)考慮冰箱的凈制冷量 (實(shí)際的可得的制冷量為半導(dǎo)體制冷元件冷端產(chǎn)冷量減去冷端風(fēng)扇的功耗)以及總的功耗(實(shí)際的功耗應(yīng)將風(fēng)扇的散熱的功耗也考慮在內(nèi))，因此用來(lái)衡量冰箱的性能表現(xiàn)更具有實(shí)際意義。冷熱端的溫差均隨著冷熱端總換熱系數(shù)的增大而減小。結(jié)合表2中列出的冷熱端風(fēng)扇不同的功耗，可以從表3中冷熱端總換熱系數(shù)看出，熱端總換熱系數(shù)在相同風(fēng)扇功耗下其值基本一致，并隨著功耗的增大而增大，但并非線性關(guān)系，熱管散熱器盡管沒(méi)有功耗，但是總換熱系數(shù)在各工況實(shí)驗(yàn)中最大。表2 散熱實(shí)驗(yàn)工況冷端的散熱風(fēng)扇如上表所示取兩種不同的功率，即有兩種不同的散熱強(qiáng)度，散熱方式均為強(qiáng)迫對(duì)流換熱。將半導(dǎo)體冰箱置于一個(gè)大房間中，其室內(nèi)溫度始終維持在130c左右。最后在冷熱端散熱器上各安裝一個(gè)額定電壓12 V的直流風(fēng)扇，冷端采用一額定電流為o．2 A的風(fēng)扇，熱端采用兩種不同功率的風(fēng)扇，額定電流分別為o．2 A和o．4 A，以滿(mǎn)足不同換熱實(shí)驗(yàn)條件的需要。兩個(gè)螺釘不直接與冷端翅片連接，而在其間用一尼龍材質(zhì)的柱形套隔開(kāi)，并在裸露處包上泡沫材料保溫，減少兩個(gè)散熱器通過(guò)螺釘?shù)膫鳠?。冷端散熱器外形尺寸比殼體上的矩形開(kāi)口略小，其翅片全部露在開(kāi)口外面以利于換熱。制冷器一端與冰箱內(nèi)的空氣發(fā)生熱交換，將傳遞冷量傳遞給冰箱的物品，另一端與外側(cè)環(huán)境空氣作熱交換，散發(fā)熱量。2散熱實(shí)驗(yàn)建立的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在現(xiàn)有的半導(dǎo)體制冷元件的條件下，通過(guò)改善散熱效果來(lái)減小溫差，是提高半導(dǎo)體制冷性能的有效手段。半導(dǎo)體文件 4 7 13 16 19 25 26 29l前奏 292電冰箱典型制冷循環(huán) 303電冰箱制冷循環(huán)比較分析研究 344雙路搖環(huán)制冷系統(tǒng)存在問(wèn)題及解決方案 355結(jié)語(yǔ) 37 37 38第2章 38 38 402. 4半導(dǎo)體制冷制熱工況設(shè)計(jì) 422. 5冷熱端的熱交換性能 442. 6小結(jié) 47第3章熱電制冷(制熱)過(guò)程的傳熱分析 473. 1半導(dǎo)體制冷過(guò)程中的傳熱分析 483 .2第一類(lèi)邊界條件導(dǎo)熱 493. 3第三類(lèi)邊界條件導(dǎo)熱 513. 4數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析 533 .5 帕爾貼效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及求解 543 .6 小結(jié) 56第4章熱電熱泵取暖器的研制及測(cè)試 574. 1. 2數(shù)學(xué)模型 574. 2. 1電堆片的固定方法的選擇 58 614. 4測(cè)試結(jié)果及其分析 614. 5小結(jié) 66結(jié)論 67 68 70 73 75摘要 半導(dǎo)體制冷器件是一種高熱流密度元件，在紅外測(cè)量、低溫超導(dǎo)、生物醫(yī)學(xué)、空間技術(shù)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，還可開(kāi)發(fā)成專(zhuān)用制冷裝置，適用于野外施工、勘探、考古以及郊游等戶(hù)外活動(dòng)食品飲料的保鮮，也可用于食品、飲料及醫(yī)用疫苗等的冷藏。關(guān)鍵詞： 熱電制冷；熱管；冷熱端中圖分類(lèi)號(hào)：TKl24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0253—231x(2005)suppl．0221_041引言在一定的電流工況下，減小制冷元件冷熱端的溫差不僅可以提高制冷量，還可以大幅提制冷系數(shù)。本文對(duì)冷熱端采用強(qiáng)迫對(duì)流散熱的方式的半導(dǎo)體冰箱效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與熱端采用熱管散熱的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。殼體后側(cè)壁面上有一矩形開(kāi)口，103 mm95 mm，用于安放制冷器件。兩個(gè)翅片散熱器如圖1所示位置安裝。兩個(gè)螺釘將冷熱端散熱器、半導(dǎo)體制冷元件和兩個(gè)連接銅塊緊緊地夾在一起，各接觸面之間和安放熱電偶的槽內(nèi)均涂有硅脂，減少接觸熱阻。由于該保溫層厚度較薄，仍存在一些漏熱，由于半導(dǎo)體制冷元件的厚度是一定的，保溫層厚度就取決于連接銅塊的厚度，連接銅塊的厚度越厚就越有利于兩個(gè)散熱器之間的隔熱。兩個(gè)散熱風(fēng)扇的電壓和電流在運(yùn)行時(shí)相對(duì)較穩(wěn)定，使用Victor 9806型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得。實(shí)驗(yàn)時(shí)，各工況下半導(dǎo)體制冷元件運(yùn)行時(shí)在其電極加有11．6 V的穩(wěn)壓電源。為了便于比較分析，表中還列出了根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按文獻(xiàn)[1】推薦的計(jì)算方法計(jì)算得到了制冷量Qo、制冷元件功耗No和制冷系數(shù)COP。冷端溫度也隨著熱端總換熱系數(shù)的增大而降低，而隨著冷端總換熱系數(shù)的增大而上升。在各種工況下的實(shí)驗(yàn)中，Ⅷ工況條件下的COP值最大。所以與其他各工況實(shí)驗(yàn)相比，工況VⅢ為最佳散熱工況。材料。電流通過(guò)有溫度梯度的熱電元件，由于湯姆遜熱效應(yīng)，會(huì)在元件與環(huán)境之間產(chǎn)生能量交換，該熱效應(yīng)與電流和溫度梯度的大小成比例。K一總熱導(dǎo)。下面分別從這三個(gè)方面來(lái)綜述近年來(lái)熱電制冷技術(shù)的研究與發(fā)展?fàn)顩r。這三個(gè)參數(shù)并不是相互獨(dú)立的，都是載流子(電子或離子)濃度n和溫度T的函數(shù)，通常n值接近10^19個(gè)cm^3，時(shí)，可使Z值最高。近50年來(lái)，熱電材料性能提高大約20%}6}。氧化物熱電材料目前研究較多的是半導(dǎo)體氧化材料，這種材料一般無(wú)污染，性能較穩(wěn)定，能在高溫下長(zhǎng)期工作。Masset等[10]的研究結(jié)果表明，Ca3Co4O9的結(jié)構(gòu)與NaCo204相似，也是一種層狀結(jié)構(gòu)，300K時(shí)其a為140,。然而隨著維度的降低，ZT值則隨著dw值的降低急劇的增加。Zhixi Bian[17]實(shí)驗(yàn)證明了單級(jí)熱電制冷器的最大制冷溫差可以通過(guò)使用非等截面體材料而實(shí)現(xiàn)。它是在一對(duì)普通溫差電對(duì)的P型和n型電臂之間淀積一層厚度適當(dāng)?shù)母邔?dǎo)電材料膜(例如銀膜)實(shí)現(xiàn)短接，使電臂中的電流無(wú)限分流而形成的。場(chǎng)致發(fā)射結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)溫差電對(duì)的冷卻效應(yīng)。對(duì)于均質(zhì)熱電材料而言，它的都為溫度的函數(shù)，彼此相互影響和制約，這就使得均質(zhì)材料的性能指數(shù)只在某一特定的溫度范圍內(nèi)具有較高的數(shù)值，而在較寬的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)換效率較低[23]. FGM在寬溫域范圍內(nèi)沿溫度梯度方向分別選用不同最佳性能指數(shù)的熱電材料，使之各自工作在具有最佳性能指數(shù)的溫度范圍內(nèi)，這樣可以大大提高熱電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，從而獲得在大的溫差范圍具有較高性能指數(shù)的熱電材料[27].高效的功能梯度熱電材料，一般采用放電等離子燒結(jié)方法制備。通常熱電制冷模塊溫度梯度可以達(dá)到10 0C甚至更高[28]，Reiyu Chein[29]認(rèn)為熱電制冷器存在一個(gè)散熱器最大熱阻的限制值，當(dāng)熱阻大于這一值，散熱系統(tǒng)不能夠散走熱端產(chǎn)生的熱量。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱電制冷器的散熱器的研究主要集中在減小熱阻，提高換熱系數(shù)上，也有提高制冷器溫度場(chǎng)均勻性的研究。[32]通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)模擬分析與優(yōu)化，得出強(qiáng)制對(duì)流散熱器的熱阻約為翅片散熱器的熱阻的一半。水冷散熱器一般通過(guò)泵和散熱器來(lái)形成循環(huán)回路，也有將水箱分隔成若干個(gè)流道并插上翅片增加散熱器與器壁之間的換熱系數(shù)的。在給定的電流I=，=，水槽溫度最低能達(dá)到一20 C。相變散熱適用于間歇性的工作場(chǎng)合。張建成[34]認(rèn)為在相同的氣流來(lái)流速度下，雖然就平均對(duì)流換熱系數(shù)而言，翅片式散熱器比熱管式散熱器