8.热电制冷解析

第八章热电制冷8.1热电制冷原理及分析8.1.1热电效应热电制冷的理论基础是固体的热电效应。在无外磁场存在时，它包括五个效应:导热、焦耳热损失，西伯克(seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。（1）西伯克(seebeck)效应由两种不同导体组成的电路中，如果导体的两个结点存在温度差，则电路中将产生电动势E，这就是西伯克效应。由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势。材料的西伯克效应的大小，用温差电动势率α表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为由两种不同材料P、N所组成的电偶，它们的温差电动势率αPN等于αP与αN之差，即热电制冷中用P型半导体和N型半导体组成电偶。两材料对应的αP与αN，一个为负，一个为正，取其绝对值相加，并将αPN直接简化记作α，有（2）帕尔帖(peltire)效应电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量，这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号Qp表示。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。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；反之，从低能级向高能级运动时，需要从外界吸收热量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。材料的帕尔帖效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔帖系数π表示对于P型半导体和N型半导体组成的电偶，其帕尔帖系数πNP有温差电动势率α与帕尔帖系数π之间存在下述关系：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称扬姆逊热。用符号QT表示（3）汤姆逊(Thomson)效应在热电制冷分析中，通常忽略汤姆逊效应的影响。由于固体系统存在有限温差和热流，所以热电制冷是不可逆热力学过程。需要指出的是以上热电效应在电流反方向时是可逆的。8.1.2基本热电偶的制冷特性热电制冷器的基本单元是半导体电偶。组成电偶的材料一个是P型半导体(空穴型)，一个是N型半导体(电子型)。用金属电桥(铜板)连接两个半导体电臂P和N，组成电偶，再用铜导线接到直流电源上构成回路。电流方向如图所示，当电流从从低能级电臂N向高能级电臂P运动时，需要从外界吸收热量，因此在两电臂的节点处产生吸热制冷现象。如果改变电流方向，使电流从高能级电臂P向低能级电臂N运动时，则会在两电臂的节点处产生放热现象。设热结点的温度是TH，冷结点的温度TO，回路中的电流强度为IO。电臂的几何参数用横截面积A、长度L、面长比r（r=A/L）表示；电臂的材料特性用热导率λ，电阻率ρ表示。加在电偶两端的电压V1，一部分用来克服电臂电阻R引起的电压降V，一部分用来克服西伯克温差电动势VPN，即冷端的帕尔帖吸热量为：由于电偶冷、热端温度不同。沿电臂长度方向导热。假定无热损失，因温差导热流入冷端的热量为电臂上的焦耳热效应为认为焦耳热有一半流入冷端。故冷端从外界吸收的热量即制冷量为制冷量：基本热电偶的制冷特性如下：消耗的电功率：制冷系数：（1）欲使ε最佳欲使ε最佳，应使KR最小，并使电压V满足的条件，即8.1.3热电制冷性能的影响因素Z称为电偶的优值系数，它的值只与电偶材料的物理性质(温差电动势率、电阻、热导率)有关。Z是评价电偶热电性能的一个综合参数。通常，热电偶的优值系数Z=3×10-31/K（2）欲使制冷能力最佳根据制冷量公式电偶的制冷能力与工作电流有关，帕尔帖热越大，焦耳热损失越小，则制冷能力越大。按求得使制冷能力最大的工作电流最佳值，即可得到最佳制冷能力：可见，制冷能力表现为制冷量QO和制冷深度，即制冷温差△T或冷端温度TO的大小。冷端温度TO越低或制冷温差△T越大，则制冷能力越小。对应不同的Z值，电偶处于制冷能力最佳状态下的最大温差和最低冷端温度值为：（3）材料对热电制冷性能的影响实现工作参数优化后，热电制冷性能—无论是制冷系数还是制冷能力，都只取决于电偶的优值系数Z。Z值越高，材料越好。也就是说材料的温差电动势α越大，电阻率ρ，热导率λ越小，材料的热电制冷性能越好。目前国内制备较好的热电材料，P型的有碲化铋一碲化锑（Bi2Te3-Sb2Te3）固溶体合金；N型的是碲化秘一硒化秘（Bi2Te3-Bi2Se3）固溶体合金。它们在温室下的温差电性能如下：8.1.4多级热电制冷器为了获得更低的制冷温度（或更大的温差）可以采用多级热电制冷，它由单级电堆联结而成。前一级（较高温度级）的冷端是后一级的热端散热器。由于热电制冷的每一级电堆散热量远大于制冷量，所以高温级的热电偶数目要比低温级大得多。而且，随着温度的降低，元件的温差电性能变差，总的温差△T并不是随级数的增多成比例提高的。所以实际上多级热电制冷的级数也不宜很多，一般为2~3级，最多达8级。多级热电堆的连接方式有串联、并联和串并联三种型式：串联型多级热电堆的特点是各级的工作电流相同，级与级之间的连接处需要一层电绝缘的导热层隔开，其材料一般采用阳极氧化铍、氧化铝等。要求该导热层的导热系数大，以减少级间传热温差所引起的损失。并联型多级热电堆的特点是各级的工作电压相同，工作电流比较大，由于级间既要导热又要导电，所以不需要级间电绝缘，也无级间温差。当要求的温差和负荷与串联型电堆相同时，并联型的电堆耗电要小些，但是线路设计比较复杂。8.2热电制冷的特点及应用8.2.1热电制冷的特点（1）结构简单。没有任何机械运动部件，无噪声、无摩擦、可靠性高、寿命长，而且维修方便。（2）体积小。（3）启动快、控制灵活。冷却速度和制冷温度都可以通过调节工作电流简单而方便地实现。（4）操作具有可逆性。既可以用来制冷，又可以改变电流方向用于制热。（5）效率低，耗电多，价格很高。在大容量情况下，热电制冷的效率远不及蒸气压缩式制冷；但产冷量在20W以下，温差不超过50℃时，热电制冷的效率高于压缩式制冷。8.2.2热电制冷的应用热电制冷在国防、科研、医疗卫生等领域得到广泛的应用。它可用作电子器件、仪表的冷却器，或用在低温测仪、器械中，或制作小型温器等。总之，凡恒需要微型制冷的场合，热电制冷都会发挥很好的作用。8.3热电堆设计热电制冷设备主要由热电堆、电绝缘导热层、冷板和散热器组成。由于一对基本电偶的制冷量很小，实际使用中为了满足指定的冷量要求，需要将许多电偶连接成电堆，如图所示。连接时，必须将所有的冷结点放在一侧，所有的热结点放在另一侧。电偶可以串连。也可以并联。电偶臂之间的缝隙用绝缘树脂注塑充填或用合成树脂泡沫材料充填，使得整个热电堆形成一个刚性整体。热电制冷设备的电路图热电堆设计的基本任务：根据使用要求确定电堆的元件(电偶)数目、连接方式、消耗电功率以及确定各部分的结构尺寸热电堆的设计思想和设计步骤：（1）设计已知条件制冷量QO，由热负荷确定；欲达到的制冷温度Tc，由使用要求给定；冷却介质温度Ta；热结点与冷却介质的传热温差△TH，由热端散热方式（如空气自然对流散热、空气强制对流散热、液体对流散热等不同的散热方式）及传热系数hH[(W/m2.K)]决定；冷结点与被冷却对象的传热温差△TO，由冷端传热方式（如紧密接触导热、冷却空气、冷却液体…)及传热系数hO[(W/m2.K)]决定。（2）工作参数确定热端温度：TH=Ta+△TH冷端温度：TO=Tc—△TO冷热端温差：△T=TH—TO（3）热电堆级数按△T确定热电堆采用几级制冷。单级电堆的最大温差为50K左右。温差更高时，就要考虑采用多级电堆。（4）元件尺寸及其连接方式电偶元件的最佳尺寸关系为电偶元件的材料选定后，一定的工作温度范围内，具有相同面长比r的电偶元件，其制冷量不受自身体积大小的影响。因此，如果元件长度L大，则横截面积A也大，使重量增加。所以，为了减轻重量和节省半导体材料，应尽量减小横截面积A。如果选定了电偶元件的长度L，又由制冷量确定了电臂的面长比r，则元件所需的横截面积即可确定。元件的横截面积可以以不同的方式构成。如图A所示的电偶负荷增加3倍所采用的三种不同构成方式。B方式与C方式均属于并联，它们的电压与图中A相同，但电流及热流与截面积成正比，是A的3倍。D方式为串连型，电压与电偶个数成正比，电压是A的3倍，而电流与A相同。B、C、D三者的制冷量、面长比均相等，B、C适合于大电流的场合；D适合于较高的电源电压的场合。（5）设计工作状态的选择按制冷系数最优还是按制冷能力最优设计热电堆，应综合考虑负荷的大小、温差的大小、散热方式及具体工作条件而选择。在相同的设计条件下，按制冷系数优化的原则设计电堆，则能量转换的效率高，耗电少，热端散热少。但需要的电偶元件多，体积大，材料成本高。若按制冷能力优化的原则设计电堆，利弊正好相反。在微型制冷装置中，能量转换效率不是主要问题，而缩小尺寸和发挥制冷能力是主要目的。所以，应该按制冷能力最优设计热电堆。（6）设计计算步骤第一种情况：若已给定电源电压Vt，确定热电堆的元件尺寸和需用电偶数目n。首先计算一个电偶的电臂电阻R和热导K值：令：故：按最大制冷能力设计，加在一个电偶上的电压为V1，工作电流最佳值为Iopt则：设电偶串连，则需要的电偶数目为那么，一个电偶的制冷量等于热电堆的总制冷量除以电偶数目所以，P型电臂的面长比为N型电臂的面长比由电偶元件的最佳尺寸关系确定取两个电臂的长度均为L，则电偶两臂的横截面积分别为第二种情况：若已知电偶元件尺寸（rP、rN），求电源电压Vt及需用电偶数目n。首先计算出电偶的电臂电阻R和热导K值：再计算出一个电偶的制冷量Qo及其电压降V1：则所需电偶数n及电源电压V1分别为：本项目以太阳能为动力，将太阳能光电转换技术与半导体制冷技术相结合，利用半导体制冷片既可制冷又可制热的特点，以及车辆高速行驶时便于散热的有利条件，为在驾驶舱恶劣环境下工作的人们提供舒适的空调小环境，既达到了岗位空调的目的，又符合以人为本，建设节约型社会的宗旨。第八章习题简答题：1.简述热电制冷的工作原理及其特点。2.何为电偶的优值系数？为什么说它是评价电偶热电性能的一个综合参数？3.何为串联型多级热电堆？串联型多级热电堆有什么特点？4.何为并联型多级热电堆？并联型多级热电堆有什么特点？5.简述热电制冷的特点及其应用。6.设计中怎样确定热电堆的级数？7.电偶元件的最佳尺寸与哪些因素有关？8.何为电臂的面长比？简述图8-12热电偶横截面积的不同构成方式及其特点。谢谢大家！