冷熱端不同散熱方式對熱電制冷性能的影響

周武洋，王 勇

(重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045)

熱電制冷又稱溫差電制冷或半導體制冷。熱電制冷有結構簡單、無機械運動部件、無制冷劑、控制精度高等優(yōu)點，廣泛應用于國防、醫(yī)療、科研、通信、航海、農業(yè)、動力及工業(yè)生產等領域，但由于熱電制冷器的效率較低、加工制造工藝較復雜，限制了它的推廣和應用[1-3]。目前，研究人員在理論模擬、熱電材料、溫差電對結構等方面做了大量研究工作，取得很大成果，其中理論方面的研究已達到相對成熟的程度[4]。因此，目前熱電制冷的研究方向主要在熱電材料、溫差電對結構及冷熱端強化散熱方式[5]等。在熱電材料方向，前蘇聯約飛院士發(fā)現摻雜的半導體材料有良好的發(fā)電和制冷性能[6]后，推動了研究者在此領域的研究熱潮?，F有熱電器件的轉化率可達10%，與傳統壓縮機的制冷效率還有很大差距[7]。但當熱電材料的性能足夠好時，其效率可無限接近卡諾循環(huán)效率，因此探索新型的熱電材料、提高現有材料的熱電性能是現有熱電材料領域的研究熱點[8]。在溫差電對結構設計方面，可以通過優(yōu)化設計半導體制冷模塊，減小半導體制冷模塊的理想性能系數和實際性能系數間的差值，提高半導體制冷器的實際制冷性能[9]。

現有的強化散熱方式主要有：自然對流散熱、強迫對流散熱、水冷散熱、相變沸騰換熱等[10]。李茂德和盧希紅[11]用熱電制冷性能與熱端散熱強度之間的微分方程，在第三類邊界條件下得到熱電制冷性能與熱端散熱強度之間的關系。任欣和張鵬[12]給出熱電制冷器在有限的熱端散熱強度下不同制冷工況的實驗研究，并推導出最佳工況下熱電制冷器的工作電流和制冷量的近似公式。金剛善等[13]研究小空間中，散熱器和散冷器的結構對熱電制冷效率的影響。簡棄非等[14]研究制冷空間溫度在冷端自然對流和強制對流狀態(tài)下隨時間變化的規(guī)律。而散熱強度對于熱電制冷性能影響的實驗，現有文獻報道較少；且散冷強度對于熱電制冷性能影響的研究也處于薄弱環(huán)節(jié)。

本文擬通過實驗的方式，研究并驗證散熱強度、散冷強度對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。

1 熱電制冷原理

熱電制冷是基于熱電效應的應用，主要是帕爾帖效應在制冷技術方面的應用。使用的熱電制冷裝置是由熱電效應比較顯著、熱電效應效率比較高的半導體熱電偶構成的。

如利用一只p型半導體元件和一個n型半導體元件聯結成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。在上端面一個接頭處，電流方向是n→p，溫度下降并且吸熱，即為冷端。在下端面一個接頭處，電流方向是p→n，溫度上升并且放熱，此為熱端。其流程詳見圖 1。

圖1 熱電制冷原理圖Fig.1 Schematic diagram of thermoelectric refrigerator

在熱電偶通上電流后，交接面附近在1 s內放出或吸收的熱量Qp(帕爾帖熱)。如果在放熱的接頭上提前做好散熱措施，使它保持一定的溫度Th，則另一接頭開始冷卻。直到從周圍介質傳入這個接頭的熱量Q0和沿著電偶臂傳入的熱量Qhc的總和等于所吸收的帕爾帖熱量Qp時，即

Qp=Q0+Qhc，

(1)

此時冷接頭的溫度達到平衡，溫度為Tc。

制冷工況下，熱電制冷器冷端從被冷介質吸收的熱量稱為產冷量，產冷量的表達式為

Q0=Qp-Qhc.

(2)

熱端放出熱量Qh的表達式為

Qh=Q0+ω，

(3)

式中ω為制冷過程中所消耗的電功率。

熱電制冷器熱端冷卻所需的熱量，和其他形式的制冷機一樣，等于有效產冷量與所消耗的電功率之和[15]。若熱端面的溫度無法穩(wěn)定，則冷端無法持續(xù)制冷，即使初始產生制冷效果，隨后也會隨著熱端溫度的上升被Qhc抵消，從而變成放熱源，導致制冷量下降。當熱端散熱能力增強，熱電制冷器的輸入功率不變時，Q0會增大，即制冷量增加。所以解決好熱電制冷器的散熱問題對制冷效率的提高起到至關重要的作用[16]。

2 實驗及測量系統

2.1 實驗系統

實驗的目的是測試得到不同散熱強度和散冷強度下熱電制冷的散熱器和散冷器的耦合溫度曲線，以及獲得制冷空間不同測點溫度曲線；最終得到熱端強制對流與冷端強制對流對熱電制冷性能及制冷空間溫度分布的影響規(guī)律。

本次實驗采用的熱電制冷器是TEC1-12706，具體參數見表 1。

表1 TEC1-12706參數表Table 1 Parameter Table for TEC1-12706

熱電制冷器兩端分別連接一個肋片型散熱器，一個用于散熱，一個用于散冷(在本文中分別稱為散熱器和散冷器)。本實驗所用散熱器和散冷器的相關尺寸見表 2。

表2 散熱器和散冷器參數表Table 2 Parameter Table for radiators and coolers

在熱電制冷器兩端抹導熱硅膠，以減少接觸熱阻，并使接觸面平滑充分接觸。在散熱器和散冷器之間、熱電制冷器四周填充隔熱墊片，以減少散熱器和散冷器之間的傳熱，并防止在組裝的過程中將熱電制冷器壓壞。散熱器端和散冷器端外側各有一個小風扇，分別稱為散熱風扇和散冷風扇，其相關參數見表 3。

制冷空間采用的是泡沫箱，泡沫箱能起到一定的保溫隔熱作用，且壁面易打孔；既滿足實驗需求，也方便實驗操作。其相關尺寸見表 4。

表3 散熱風扇和散冷風扇參數表Table 3 Parameter Table for radiator fan and cooler fan

表4 制冷空間尺寸Table 4 Cooling space size

泡沫箱頂部開有40 mm×45 mm的開口用于安裝熱電制冷器的散冷器，整個實驗系統外觀如圖 2所示。

圖2 實驗系統外觀圖Fig.2 Experimental system appearance

2.2 測量系統

實驗所用泡沫箱內的測點布置在箱頂正中間軸線上，從箱體一側面正中間開孔，在軸線上依次布置測點1～3號，每個測點間的間距為36 mm，測點分布見圖 3。制冷空間的溫度和肋片溫度都用銅-康銅熱電偶測量，通過Agilent34972A儀器進行數據采集，在進行實驗數據測量之前，用水銀溫度計對其進行標定，本實驗標定所用水銀溫度的精度為0.1 ℃，所以本實驗傳感器的精度為0.1 ℃，故實驗數據保留小數點后2位。

1 TEC1-12706；2 隔熱墊片；3 散熱器；4 散冷器； 5 散熱風扇；6 散冷風扇；7 測點；8、9 直流變壓器。圖3 實驗系統流程圖Fig.3 Flow chart of experimental system

3 實驗工況與設計

為研究并驗證散熱強度、散冷強度對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響，本次實驗分為3組：第1組是研究散熱器自然對流和強制對流對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。第2組是研究散熱強度對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。第3組是研究散冷器自然對流和強制對流對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。3組實驗輸入條件見表 5。

表5 3組實驗輸入條件Table 5 Three sets of experimental input conditions

由于不同工況的實驗是在不同時刻進行的，散熱環(huán)境溫度是不同的，所以溫度曲線的初始值不同，為便于分析以及消除室外環(huán)境的影響，本文溫度曲線圖中的所有溫度值都是實測值與其對應的散熱環(huán)境溫度值的差值(在本文中均定義為相對溫度)，每組實驗對應的散熱環(huán)境溫度見表 5。

4 實驗結果與分析

4.1 散熱器自然對流和強制對流對比試驗

由圖 4(a)可知，散熱器強制對流散熱可改變熱電制冷性能。冷熱端均為自然對流散熱時，散熱器的相對溫度隨時間持續(xù)上升，散冷器的相對溫度先下降到最低值然后上升，且在實驗進行到600 s時，散熱器的相對溫度為26.05 ℃，散冷器的相對溫度為-3.97 ℃。散熱器端強制對流散熱時，散熱器的相對溫度先上升到3.20 ℃后穩(wěn)定，散冷器的相對溫度先下降到-20.00 ℃后穩(wěn)定。

增強散熱強度能夠提高熱電制冷性能。由公式(3)可知，強制對流強化了熱端散熱，散熱量增加，輸入功率不變，熱電制冷性能提高。實際工程中，需要保證熱端散熱量滿足熱電制冷器的散熱需求，才能實現熱電制冷器持續(xù)穩(wěn)定的工作。

由圖 4(b)可知，在冷熱端均為自然對流的工況下散熱器與散冷器的溫差最終維持在30 ℃左右；在散熱器端強制對流的工況下散熱器與散冷器的溫差最終維持在24 ℃左右。

圖4 散熱器自然對流和強制對流工況相對溫度曲線圖Fig.4 Relative temperature curves of radiators under natural convection and forced convection

增強散熱強度，散熱器和散冷器溫差會減小。熱端散熱器強制對流散熱，使熱端熱量(帕爾帖熱、焦耳熱、傳導熱)迅速傳遞出去，防止熱量堆積，散熱器溫度持續(xù)升高；熱端散熱器自然對流時，熱量堆積無法迅速傳遞出去，使更多的熱量流向冷端。因此，熱端強制對流散熱時，散熱器和散冷器溫差小。實際工程應用中，應采取合理的措施加快熱端熱量散出，避免熱量堆積造成熱電制冷無法實現。

由圖 5可知，制冷空間內3個溫度測點的相對溫度曲線中測點1和測點2的相對溫度值比較接近，測點3相對溫度與測點1和測點2的相對溫度相比都偏高，這是由于在測點3這一側的側壁上開洞布置3個測點的銅-康銅熱電偶線，洞口處內外有溫差形成對流，外部的熱空氣會進入內部，使測點3的相對溫度略高于其他兩個測點的相對溫度。

冷熱端均為自然對流工況下，制冷空間相對溫度與散冷器相對溫度溫差最大達到7 ℃左右(圖5(a))。散熱器端強制對流工況下，制冷空間相對溫度與散冷器相對溫度溫差最大達到14 ℃左右(圖5(b))。散冷器端為自然對流時，制冷空間與散冷器的溫差偏大(與4.3節(jié)中的實驗數據相比)，不能充分利用熱電制冷器產生的冷量，造成能源浪費，降低熱電制冷器的效率。

散熱器強制對流和自然對流工況下，制冷空間相對溫度曲線的變化趨勢都與相應工況下的散冷器相對溫度曲線變化趨勢一致。增強散熱強度能夠快速降低并穩(wěn)定散冷器的相對溫度，散冷器與制冷空間空氣自然對流換熱，使制冷空間的相對溫度值維持在略低于初始相對溫度的值，但與散冷器相對溫度的穩(wěn)定值相差較大。散熱器強制對流強度的變化，對制冷空間溫度基本無影響，僅能實現散冷器溫度的改變。

圖5 不同散熱器工況下散冷器與制冷空間相對溫度分布曲線Fig.5 Relative temperature curves of the cooler and the cooling space under the different heat dissipation situations

4.2 散熱器不同散熱強度對比試驗

在進行散熱器不同散熱強度對比試驗前，先對散熱強度進行定量，即通過改變散熱風扇輸入電壓實現散熱強度的改變。實驗中，散熱風扇分別在輸入電壓為5、7、9、11和12 V時，測量得到散熱強度對應的風量值。其結果如表 6所示。

表 6 不同電壓下散熱風扇風量Table 6 Air volumes of radiator fan at different voltage values

圖6是散熱強度依次為表 6中各實驗條件時，各自所對應的散熱器和散冷器相對溫度曲線。

圖6 不同散熱強度下散熱器和散冷器相對溫度曲線Fig.6 Relative temperature curves of radiator and cooler under different heat dissipation strengths

由圖6可知，由于熱電制冷器散熱器和散冷器的溫度呈耦合變化規(guī)律，因此熱電制冷器輸入電壓為定值(即輸入電壓為7 V)時，散熱強度(在19.05～37.96 m3/h范圍內)的增加，有利于提高熱電制冷性能，散熱器和散冷器溫相對溫度均逐漸降低。散熱風量影響熱電制冷器性能的機理是散熱風量所帶走的熱量和熱電制冷器需要帶走的熱量之間的相對大小，散熱風量帶走的熱量大于所需要帶走的熱量，會使散熱器和散冷器溫度降低，從而提高熱電制冷性能。

給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，熱電制冷性能與散熱強度成正比，但熱電制冷性能增加伴隨著散熱風扇輸入功率的消耗，所以存在最佳散熱風量，使得散熱風扇和熱電制冷器的輸入功耗和為極小值，從而實現熱電制冷器制冷性能最佳。代偉[17]在分析第3類邊界條件下熱電制冷性能與熱端散熱強度之間的微分方程進行數值計算所得的曲線時和趙亮等[18]在研究熱端液體散熱工況下熱電制冷器功率與散熱性能間的關系時，得到了與此相同的結論。實際工程中，熱端散熱方式及散熱量的選取確定，既要滿足熱電制冷器實際工作環(huán)境的需要，也要考慮經濟效益最優(yōu)。

4.3 散冷器自然對流和強制對流對比試驗

由圖 7(a)可知，散冷風扇不能改變散熱器和散冷器相對溫度曲線趨勢。有無散冷風扇，散熱器的相對溫度均隨著時間持續(xù)上升，散冷器的相對溫度均先下降到最低值，然后持續(xù)上升，散冷風扇對熱電制冷性能無作用。

由公式(1)可知，當散熱器端的散熱無法滿足熱電制冷器需求時，熱端溫度無法穩(wěn)定，冷端則無法實現穩(wěn)定制冷。即使冷熱端仍能實現熱交換，散熱器因為熱量Qh的堆積，熱量無法快速散出導致熱端溫度持續(xù)升高；散冷器則因為Qhc隨著冷熱端溫差增大而增大，致使Q0隨著溫差增大而減小，直至冷端不再吸熱變成放熱。在實際應用中，一定要保證熱端散熱量滿足熱電制冷器的需求，否則熱電制冷器將無法持續(xù)穩(wěn)定工作，且經過一段時間的熱量積累將會燒壞熱電制冷器。

由圖 7(b)可知，在冷熱端均為自然對流的工況時散熱器與散冷器的溫差最終維持在30 ℃左右；在散冷器端強制對流的工況時散熱器與散冷器的溫差最終維持在24 ℃左右。

散冷器端散冷強度增強也會使散熱器和散冷器的溫差減小。散冷器端散冷風扇工作，實現周圍空氣與其循環(huán)換熱，溫度升高，因此散冷器和散熱器溫差減小。

圖7 散冷器自然對流和強制對流工況相對溫度曲線圖Fig.7 Relative temperature curves of a cooler under natural convection and forced convection

由圖8可知，冷熱端均為自然對流工況下和熱端自然對流、冷端強制對流工況下，制冷空間相對溫度曲線的變化趨勢都與對應工況下的散冷器相對溫度曲線變化趨勢一致。

冷熱端均為自然對流工況時，制冷空間與散冷器最大溫差達7 ℃左右。散冷器端強制對流工況時，制冷空間與散冷器最大溫差達2 ℃左右。

在強制對流作用下，散冷器散發(fā)的冷量得以迅速傳遞到制冷空間，空氣溫度與散冷器溫度差較小，可充分利用熱電制冷器產生的冷量。實際工程中，需要加強散冷器與制冷空間的強化換熱，才能保證充分利用熱電制冷器的冷量及制冷空間溫度分布的均勻性。

增強散冷強度不能使制冷空間的溫度穩(wěn)定，會使制冷空間溫度隨著散冷器溫度波動，制冷過程中，制冷空間溫度與散冷器始終保持較小溫差。

圖8 不同散冷器工況下散冷器與制冷空間相對溫度分布曲線Fig.8 Relative temperature curves of the cooler and cooling space under the different cooling situations

5 結論

1)給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，熱端強制對流能滿足散熱需求，實現持續(xù)穩(wěn)定制冷，而自然對流無法實現。在本實驗條件下，熱端自然對流時，制冷空間無法實現持續(xù)穩(wěn)定的制冷效果；在實驗時間內散熱器相對溫度由初始的0 ℃持續(xù)上升至26.05 ℃；散冷器的相對溫度由0 ℃先降至-10.29 ℃，而后開始持續(xù)上升，到600 s時相對溫度上升至-3.97 ℃。熱端強制對流最終將散熱器和散冷器的相對溫度分別穩(wěn)定在3.20和-20.00 ℃。

2)給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，熱電制冷性能與散熱強度成正比，但熱電制冷性能增加伴隨著散熱風扇功率的消耗，所以在滿足制冷空間控制溫度需求的情況下，存在最佳散熱風量，使得散熱風扇和熱電制冷的輸入功耗和為極小值，此時熱電制冷器的綜合能效最佳。

3)給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，冷端強制對流相對自然對流加快了散冷器與制冷空間空氣熱交換，減小了散冷器與制冷空間溫差。在本實驗條件下，冷端自然對流時，散冷器與制冷空間最大溫差達7 ℃，而強制對流可減小至2 ℃。