热电制冷的发展与应用

王炯 王普超 雒福生

(河南工业大学机电工程学院,河南 郑州 450007)

·机械设计与制造·

热电制冷的发展与应用

王炯 王普超 雒福生

(河南工业大学机电工程学院,河南 郑州 450007)

热电制冷是一种新型、环保、无污染的制冷技术,,工作原理是基于帕尔贴原理。本文归纳了改善热电制冷性能的方法和热电制冷器的相关应用。从热电材料、热电制冷器的结构、影响因素以及热电制冷器的散热四个方面来对这些研究进行整理归纳,,为热电制冷器进一步的发展研究提供了一些参考。

热电制冷;材料;优值系数;帕尔贴效应

热电制冷又称作半导体制冷,其基本工作原理是基于帕尔贴原理。法国著名物理学家帕尔贴在19世纪30年代发现了帕尔贴效应：当有电流通过由两种不同导体构成的电路时,除了产生不可逆的焦耳热,还会在不同导体的接触位置随着电流流动方向的不同分别产生吸热、放热现象。热电制冷器与传统的压缩制冷器相比,具有不污染环境、尺寸小、重量轻、制冷迅速、工作可靠、控制精度高、维护方便,并且根据电流流动的方向具有制冷、加热的双重功效等优点。通过与热电偶并联、串联的方式组合成的制冷系统,可以满足大到上万瓦、小到几毫瓦的不同制冷功率范围的制冷需求［1］。由于热电制冷器具有这样独特的优点,在生物工程、医疗卫生、工业、国防军事、科学研究、电子技术、日常生活等领域具有非常广泛的应用。

1 热电制冷技术的研究

热电制冷器虽然具有不污染环境、尺寸小、重量轻、制冷迅速、工作可靠、维护方便、并且根据电流流动的方向具有现制冷、加热的双重功效等优点,但是到目前为止其制冷效率还比较低。对热电制冷器制冷性能产生影响的关键因素有热电材料、制冷器的结构及影响因素和冷热两端的散热。

1.1 热电材料

表1 材料的ZT值

热电制冷器的关键性参数是优值系数Z(Z=S2σ/λ,其中S为热电材料的Seebeck系数,σ为热电材料的电导率, λ为热电材料的热导率),其决定了制冷元器件可以实现的最大温差。因为在不同的环境温度下材料的优值系数是不相同的,所以一般用一个无量纲因子ZT来描述热电材料性能的好坏。一定要使用优值系数高的热电材料才能使热电制冷器获得更好的制冷性能。提高优值系数就应该从提高Seebeck系数S和热电材料的电导率σ,降低热电材料的热导率λ这些方面入手。自20世纪60年代报道的在室温下ZT值可以达到1左右的材料Bi2Te3,研究人员就一直在努力探索研究具有更好热点吸能的材料。在20世纪70年代一些优值系数比较高的材料如Ag0.58Cu0.29Ti0.94Te四元合金等被研制出来［2］,令人遗憾的是,一直没有发现在室温下ZT值有显著提高的材料［3］。由于近年来纳米科技的快速发展,人们开始在热电材料的设计上尝试采用新的方法。20世纪末Hicks和Dresselhaus从热电材料的结构入手,第一次提出了采用超晶格量子阱结构的材料能明显地提高ZT值［4］。超晶格材料的使用能明显促进载流子的能量输送,减小热电材料的热导率,而且超晶格结构还可以进行实验观察,对提升热电材料的优值系数具有非常大的潜力。在2000年Chung［5］等发现了在低温225K时,材料CsBi4Te6的优值系数ZT为0.8。Venkatasubramian［3］等在2001年温度为300K下,用超晶格薄膜结构的Bi2Te/Sb2Te3材料制成的热电制冷器的优值系数达到2.4。在2002年Harman［6］等人发现在室温条件下,量子点超晶格热电材料PbSe0.98Te0.02/ PbTe的优值系数为1.6。在2007年,Hiromichi［7］采用二维电子气结构的体态单晶体材料SrTiO3,使优值系数在室温条件下也近似于2.4。从表1可以看出,使用低维超晶格结构材料的优值系数通常要高一些,并且由于低维超晶格结构的材料使热电制冷器的尺寸微型化,可将其与微型电子元器件结合在一起,降低电子元器件的工作温度,使其高效稳定地运行,极大地扩展了热电制冷器的应用领域。

1.2 热电制冷器的结构和影响因素

图1 典型热电制冷器结构

由于要考虑实际应用的需要,一般热电制冷器都是由多个热电臂基本单元组合而成。图1是经典的热电制冷器单对热电臂结构图。在直流电流通过N型或P型热电臂的时候,便在和热电材料相接触的底部金属电桥的界面上发生帕尔贴制冷效应。绝缘基底层通常必须是氮化铝等导热性能良好的材料［8一10］。热电制冷器中的P型或N型热电臂的传热原理和温度分布是不相同的,在冷端和热端的温度场也是不均匀的［11］。Baskin［12］等人提出的使用不相等端面材料制成的热电制冷器可以对帕尔贴制冷量和焦耳热进行再划分的方法,使热电制冷器的最大制冷量获得了较为明显的提升。单级热电制冷器的制冷功率往往是比较低的,达不到实际的使用要求,这时一般都采用多级制冷。目前还有一些结构也在研究之中,如利用瞬态效应制冷的结构、场致发射结构［13］、悬臂热接触结构［14］、夹层通道制冷结构［15］、无限级联热电对结构等。

由热电制冷器制冷效率的分析研究可知,采用改善影响其制冷因素的方法,就能提升其制冷效率。申利梅［16］等指出在大电流的工作条件下,冷、热两端的换热系数对热电制冷器的制冷性能的影响比较小,而对电流的影响大,并且在换热系数上升到某一数值后,对其制冷性能的作用近似为零。殷亮［17］等指出热电制冷器的冷端吸热量对于初始温度的变化率的影响大部分依赖于比初始温度场相对稳定的温度场。丁飞［18］指出在相同的工作条件下,依据热电制冷器制冷效率和冷、热两端换热系数之间的变化规律,增加可以使制冷效率更高的一端的换热系数,可以提升制冷效率。毛佳妮［19］等指出增强冷端散冷强度可以较高地提高热电制冷器制冷性能的经济适用性,并且在最佳工作条件时增加热端的散热强度可以使制冷性能得到提高。蔡德坡［20］认为将散热器、高效导热硅脂及避免散热器翘片喷漆三种方法相结合,可以有效地增强其端面的换热效率,降低其端面的温度差值,进而减小接触热阻,增强了其导热面的换热效率,很大地改善了制冷性能。

1.3 热电制冷器的散热

热电制冷器的冷、热两端的热交换的强弱直接影响着其制冷效率。因为如果热量不能及时地散发出去,就会使两端的温差减小,就不能进行持续的热交换,进而降低热电制冷器的工作效率。一般有自然空气对流散热,强迫空气对流散热,物质的状态变化吸散热以及液体散热等方式。

2 热电制冷器的应用

由于热电制冷器具有不污染环境、尺寸小、重量轻、制冷迅速、工作可靠、控制精度高、维护方便,并且根据电流流动的方向具有现制冷、加热的双重功效等优点,其在生物工程、医疗卫生、工业、国防军事、科学研究、电子技术、日常生活等领域具有非常广泛的应用。比如在生物工程方面,对生物组织的切片标本用热电制冷器来冷却,可以大大缩短制片的时间,提高标本的质量；在医疗行业有药用可移动式冰箱、血液分析仪、家用胰岛素制冷器等［21］；在工业中可以实现对微型机械局部位置的温度变化的精确控制,消除热量对机械的干扰；在军事领域中,热电制冷器可以使导弹、卫星、飞行器、潜艇等上的红外探测装置的响应时间大大缩短,扩宽其响应波长,提高灵敏度,使其稳定可靠地工作,还可以使半导体激光器在低温环境下减小信号的频率漂移、延长其寿命以及提高输出功率［22］；在科学研究方面如冷却箱、凝固点和露点测试仪、分光光度计、校准用恒温器等［21］；在电子技术领域有石英晶体振荡器用的恒温器、恒温槽［23］等;在日常生活中使用的就非常多了,便携式汽车微型冰箱、饮水机、计算机CPU制冷器等等。

3 结论

本文论述了热电制冷器的基本工作原理,从热电材料、热电制冷器的结构及影响因素的分析、热电制冷器的散热四个方面介绍了热电制冷器的研究进展,并简单介绍了热电制冷在各行各业的使用案例。阻碍热电制冷技术更进一步发展的关键因素就是热电材料,所以应从材料上寻求突破,可以通过掺杂元素、超晶格结构、纳米线、低维化等方法来提升热电材料的优值系数。还应该对热电制冷器中载流子的输运情况进行更深入细致的研究,为实际的应用提供理论基础；对热电制冷器的结构和散热方式的设计进一步的改善。随着热电材料的优值系数的不断提高,结构和工艺的进一步的改善和优化,热电制冷这种环保的制冷方式必定会得到越来越广泛的应用。

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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,硕士研究生,研究方向:机械制造及自动化、微/纳热电转换系统理论及应用。