熱電制冷的發(fā)展與應(yīng)用

王炯 王普超 雒福生

(河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,河南 鄭州 450007)

·機械設(shè)計與制造·

熱電制冷的發(fā)展與應(yīng)用

王炯 王普超 雒福生

(河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,河南 鄭州 450007)

熱電制冷是一種新型、環(huán)保、無污染的制冷技術(shù),,工作原理是基于帕爾貼原理。本文歸納了改善熱電制冷性能的方法和熱電制冷器的相關(guān)應(yīng)用。從熱電材料、熱電制冷器的結(jié)構(gòu)、影響因素以及熱電制冷器的散熱四個方面來對這些研究進行整理歸納,,為熱電制冷器進一步的發(fā)展研究提供了一些參考。

熱電制冷;材料;優(yōu)值系數(shù);帕爾貼效應(yīng)

熱電制冷又稱作半導(dǎo)體制冷,其基本工作原理是基于帕爾貼原理。法國著名物理學(xué)家帕爾貼在19世紀30年代發(fā)現(xiàn)了帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)有電流通過由兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的電路時,除了產(chǎn)生不可逆的焦耳熱,還會在不同導(dǎo)體的接觸位置隨著電流流動方向的不同分別產(chǎn)生吸熱、放熱現(xiàn)象。熱電制冷器與傳統(tǒng)的壓縮制冷器相比,具有不污染環(huán)境、尺寸小、重量輕、制冷迅速、工作可靠、控制精度高、維護方便,并且根據(jù)電流流動的方向具有制冷、加熱的雙重功效等優(yōu)點。通過與熱電偶并聯(lián)、串聯(lián)的方式組合成的制冷系統(tǒng),可以滿足大到上萬瓦、小到幾毫瓦的不同制冷功率范圍的制冷需求［1］。由于熱電制冷器具有這樣獨特的優(yōu)點,在生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、國防軍事、科學(xué)研究、電子技術(shù)、日常生活等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。

1 熱電制冷技術(shù)的研究

熱電制冷器雖然具有不污染環(huán)境、尺寸小、重量輕、制冷迅速、工作可靠、維護方便、并且根據(jù)電流流動的方向具有現(xiàn)制冷、加熱的雙重功效等優(yōu)點,但是到目前為止其制冷效率還比較低。對熱電制冷器制冷性能產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素有熱電材料、制冷器的結(jié)構(gòu)及影響因素和冷熱兩端的散熱。

1.1 熱電材料

表1 材料的ZT值

熱電制冷器的關(guān)鍵性參數(shù)是優(yōu)值系數(shù)Z(Z=S2σ/λ,其中S為熱電材料的Seebeck系數(shù),σ為熱電材料的電導(dǎo)率, λ為熱電材料的熱導(dǎo)率),其決定了制冷元器件可以實現(xiàn)的最大溫差。因為在不同的環(huán)境溫度下材料的優(yōu)值系數(shù)是不相同的,所以一般用一個無量綱因子ZT來描述熱電材料性能的好壞。一定要使用優(yōu)值系數(shù)高的熱電材料才能使熱電制冷器獲得更好的制冷性能。提高優(yōu)值系數(shù)就應(yīng)該從提高Seebeck系數(shù)S和熱電材料的電導(dǎo)率σ,降低熱電材料的熱導(dǎo)率λ這些方面入手。自20世紀60年代報道的在室溫下ZT值可以達到1左右的材料Bi2Te3,研究人員就一直在努力探索研究具有更好熱點吸能的材料。在20世紀70年代一些優(yōu)值系數(shù)比較高的材料如Ag0.58Cu0.29Ti0.94Te四元合金等被研制出來［2］,令人遺憾的是,一直沒有發(fā)現(xiàn)在室溫下ZT值有顯著提高的材料［3］。由于近年來納米科技的快速發(fā)展,人們開始在熱電材料的設(shè)計上嘗試采用新的方法。20世紀末Hicks和Dresselhaus從熱電材料的結(jié)構(gòu)入手,第一次提出了采用超晶格量子阱結(jié)構(gòu)的材料能明顯地提高ZT值［4］。超晶格材料的使用能明顯促進載流子的能量輸送,減小熱電材料的熱導(dǎo)率,而且超晶格結(jié)構(gòu)還可以進行實驗觀察,對提升熱電材料的優(yōu)值系數(shù)具有非常大的潛力。在2000年Chung［5］等發(fā)現(xiàn)了在低溫225K時,材料CsBi4Te6的優(yōu)值系數(shù)ZT為0.8。Venkatasubramian［3］等在2001年溫度為300K下,用超晶格薄膜結(jié)構(gòu)的Bi2Te/Sb2Te3材料制成的熱電制冷器的優(yōu)值系數(shù)達到2.4。在2002年Harman［6］等人發(fā)現(xiàn)在室溫條件下,量子點超晶格熱電材料PbSe0.98Te0.02/ PbTe的優(yōu)值系數(shù)為1.6。在2007年,Hiromichi［7］采用二維電子氣結(jié)構(gòu)的體態(tài)單晶體材料SrTiO3,使優(yōu)值系數(shù)在室溫條件下也近似于2.4。從表1可以看出,使用低維超晶格結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)值系數(shù)通常要高一些,并且由于低維超晶格結(jié)構(gòu)的材料使熱電制冷器的尺寸微型化,可將其與微型電子元器件結(jié)合在一起,降低電子元器件的工作溫度,使其高效穩(wěn)定地運行,極大地擴展了熱電制冷器的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 熱電制冷器的結(jié)構(gòu)和影響因素

圖1 典型熱電制冷器結(jié)構(gòu)

由于要考慮實際應(yīng)用的需要,一般熱電制冷器都是由多個熱電臂基本單元組合而成。圖1是經(jīng)典的熱電制冷器單對熱電臂結(jié)構(gòu)圖。在直流電流通過N型或P型熱電臂的時候,便在和熱電材料相接觸的底部金屬電橋的界面上發(fā)生帕爾貼制冷效應(yīng)。絕緣基底層通常必須是氮化鋁等導(dǎo)熱性能良好的材料［8一10］。熱電制冷器中的P型或N型熱電臂的傳熱原理和溫度分布是不相同的,在冷端和熱端的溫度場也是不均勻的［11］。Baskin［12］等人提出的使用不相等端面材料制成的熱電制冷器可以對帕爾貼制冷量和焦耳熱進行再劃分的方法,使熱電制冷器的最大制冷量獲得了較為明顯的提升。單級熱電制冷器的制冷功率往往是比較低的,達不到實際的使用要求,這時一般都采用多級制冷。目前還有一些結(jié)構(gòu)也在研究之中,如利用瞬態(tài)效應(yīng)制冷的結(jié)構(gòu)、場致發(fā)射結(jié)構(gòu)［13］、懸臂熱接觸結(jié)構(gòu)［14］、夾層通道制冷結(jié)構(gòu)［15］、無限級聯(lián)熱電對結(jié)構(gòu)等。

由熱電制冷器制冷效率的分析研究可知,采用改善影響其制冷因素的方法,就能提升其制冷效率。申利梅［16］等指出在大電流的工作條件下,冷、熱兩端的換熱系數(shù)對熱電制冷器的制冷性能的影響比較小,而對電流的影響大,并且在換熱系數(shù)上升到某一數(shù)值后,對其制冷性能的作用近似為零。殷亮［17］等指出熱電制冷器的冷端吸熱量對于初始溫度的變化率的影響大部分依賴于比初始溫度場相對穩(wěn)定的溫度場。丁飛［18］指出在相同的工作條件下,依據(jù)熱電制冷器制冷效率和冷、熱兩端換熱系數(shù)之間的變化規(guī)律,增加可以使制冷效率更高的一端的換熱系數(shù),可以提升制冷效率。毛佳妮［19］等指出增強冷端散冷強度可以較高地提高熱電制冷器制冷性能的經(jīng)濟適用性,并且在最佳工作條件時增加熱端的散熱強度可以使制冷性能得到提高。蔡德坡［20］認為將散熱器、高效導(dǎo)熱硅脂及避免散熱器翹片噴漆三種方法相結(jié)合,可以有效地增強其端面的換熱效率,降低其端面的溫度差值,進而減小接觸熱阻,增強了其導(dǎo)熱面的換熱效率,很大地改善了制冷性能。

1.3 熱電制冷器的散熱

熱電制冷器的冷、熱兩端的熱交換的強弱直接影響著其制冷效率。因為如果熱量不能及時地散發(fā)出去,就會使兩端的溫差減小,就不能進行持續(xù)的熱交換,進而降低熱電制冷器的工作效率。一般有自然空氣對流散熱,強迫空氣對流散熱,物質(zhì)的狀態(tài)變化吸散熱以及液體散熱等方式。

2 熱電制冷器的應(yīng)用

由于熱電制冷器具有不污染環(huán)境、尺寸小、重量輕、制冷迅速、工作可靠、控制精度高、維護方便,并且根據(jù)電流流動的方向具有現(xiàn)制冷、加熱的雙重功效等優(yōu)點,其在生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、國防軍事、科學(xué)研究、電子技術(shù)、日常生活等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。比如在生物工程方面,對生物組織的切片標(biāo)本用熱電制冷器來冷卻,可以大大縮短制片的時間,提高標(biāo)本的質(zhì)量；在醫(yī)療行業(yè)有藥用可移動式冰箱、血液分析儀、家用胰島素制冷器等［21］；在工業(yè)中可以實現(xiàn)對微型機械局部位置的溫度變化的精確控制,消除熱量對機械的干擾；在軍事領(lǐng)域中,熱電制冷器可以使導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛行器、潛艇等上的紅外探測裝置的響應(yīng)時間大大縮短,擴寬其響應(yīng)波長,提高靈敏度,使其穩(wěn)定可靠地工作,還可以使半導(dǎo)體激光器在低溫環(huán)境下減小信號的頻率漂移、延長其壽命以及提高輸出功率［22］；在科學(xué)研究方面如冷卻箱、凝固點和露點測試儀、分光光度計、校準(zhǔn)用恒溫器等［21］；在電子技術(shù)領(lǐng)域有石英晶體振蕩器用的恒溫器、恒溫槽［23］等;在日常生活中使用的就非常多了,便攜式汽車微型冰箱、飲水機、計算機CPU制冷器等等。

3 結(jié)論

本文論述了熱電制冷器的基本工作原理,從熱電材料、熱電制冷器的結(jié)構(gòu)及影響因素的分析、熱電制冷器的散熱四個方面介紹了熱電制冷器的研究進展,并簡單介紹了熱電制冷在各行各業(yè)的使用案例。阻礙熱電制冷技術(shù)更進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素就是熱電材料,所以應(yīng)從材料上尋求突破,可以通過摻雜元素、超晶格結(jié)構(gòu)、納米線、低維化等方法來提升熱電材料的優(yōu)值系數(shù)。還應(yīng)該對熱電制冷器中載流子的輸運情況進行更深入細致的研究,為實際的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)；對熱電制冷器的結(jié)構(gòu)和散熱方式的設(shè)計進一步的改善。隨著熱電材料的優(yōu)值系數(shù)的不斷提高,結(jié)構(gòu)和工藝的進一步的改善和優(yōu)化,熱電制冷這種環(huán)保的制冷方式必定會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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The DeveloPment and APPlication of Thermoelectric Refrigeration

Wang JiongWang PuchaoLuo Fusheng
(School of Mechanical and Electric Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou Henan 450007)

Thermoelectric refrigeration is a new kind of refrigeration technology with environmental protection and no pollution,its working principle is based on Peltier effect.This paper summarizes the ways of improving the performance of the thermoelectric refrigeration and the related application of thermoelectric refrigeration unit.Those studies are discussed and summarized from the following four aspects:thermoelectric materials,structure,affecting factors and cooling efficiency,which may provide some reference for the futher development of thermoelectric refrigerating unit.

thermoelectric refrigeration;material;figure of merit;Peltier effect

TB61+9.2

A

1003一5168(2015)07一0047一3

2015一6一25

王炯(1990一),男,碩士研究生,研究方向:機械制造及自動化、微/納熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)理論及應(yīng)用。