（人机与环境工程专业论文）热电制冷器的动态特性研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 摘 要 热电制冷系统的动态特性和控制方法研究对制冷系统的优化设计， 更好地发挥热 电制冷器的优势具有重要意义。 本文根据热电制冷系统动态运行的特点， 分析了电冰箱制冷系统及各个部件的热 物理过程，运用参数耦合的方法把制冷系统、负载、箱体及箱内空气模型有机地结合 在一起，建立了完整的制冷系统工作过程模型，用小阶跃信号线性化法分析了电流、 负载功率和环境温度波动共同作用下的热电制冷器工作特性。 本文以热电冰箱为例建立了三维数学物理模型，用质量、动量、能量平衡方程将 制冷装置各部件联系起来进行求解。采用pheonics数值仿真软件，对热电冰箱的无 负载瞬态工作、有负载稳态和瞬态工作时箱内温度场和流场进行了数值模拟。本文以 or-6sx型热电冰箱作为具体研究对象进行了动态性能试验，并将计算模拟的结果与 试验进行了比较，验证了模型的可靠和合理性。对有无负载的情况，分别研究了环境 温度变化对热电制冷系统性能的影响，并给出了变化曲线，为深入研究和应用热电制 冷器打下了基础。 关键词：关键词： 热电制冷 动态特性 试验研究 数值模拟 pheonics 热电制冷器的动态特性研究 ii abstract research on dynamic characteristics and control strategy on the thermoelectric refrigeration is very significant for the optimization design of refrigeration system and device and realize the advantage of thermoelectric refrigerators. in the present paper, according to the characteristics of the dynamic running of the thermoelectric refrigerating devices and its components for the refrigerator is analyzed and the independent components models are established. the entire model describing the working procedure of the refrigerating system is set up with the method of parameters coupling to combine the models of the refrigerating system, load, cabinet and air in the cabinet. the running characteristics of thermoelectric refrigerators on the effects of received current, load and ambient temperature are investigated using small-signal linearization method. the three-dimension mathematics model for the simulation of thermoelectric refrigerator is established. with the equalization of mass conservation, momentum and energy, the main sectors of a system model can be connected and solved. in steady and transient state，air temperature field and flow field inside the thermoelectric refrigerator, loaded and no loaded, are calculated by using a cfd software pheonics. the specified performance experiments are conducted for or-6sx refrigerator, and the reliability and rationality of the model is verified through the comparison of the experimental results and the simulating results. the influence of ambient temperature on the performance of refrigeration system are investigated, which can provide basis for further research, meanwhile, the corresponding changing curves are provided. key words: thermoelectric refrigerator, dynamic performance, experimental investigation，numerical simulation, phoenics 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 作者签名： 日期：2006 年 3 月 1 日 热电制冷器的动态特性研究 vi 图图 录录 图 3.1 热电制冷器制冷结构图. 13 图 3.2 热电制冷热电堆图. 14 图 3.3 ql10w时 tl和电流随时间变化曲线. 17 图 4.1 热电冰箱箱体材料结构图. 21 图 4.2 计算物理模型图、图 4.3 网格生成图. 22 图 4.4 试验用热电冰箱制冷系统装置图. 30 图 4.5 试验用热电偶布置图. 32 图 4.6 动态测试系统控制平台界面. 33 图 4.7 数据采集系统示意图. 34 图 4.8 数据采集通道设置图. 35 图 4.9 温度测试监测界面图. 35 图 4.10 环境温度 20 度时测点 4 计算和试验比较曲线. 37 图 4.11 环境温度 20 度时测点 7 计算和试验比较曲线.37 图 4.12 环境温度 25 度时测点 4 计算和试验比较曲线.38 图 4.13 环境温度 25 度时测点 7 计算和试验比较曲线.38 图 4.14 环境温度 30 度时测点 4 计算和试验比较曲线图.38 图 4.15 环境温度 30 度时测点 7 计算和试验比较曲线图.39 图 4.16 环境温度 35 度时测点 4 计算和试验比较曲线图.39 图 4.17 环境温度 35 度时测点 7 计算和试验比较曲线图.39 图 5.1 计算物理模型外形图、图 5.2 箱体内结构布置图和图 5.3 网格生成图. 43 图 5.4 计算物理模型外形图、图 5.5 箱体内结构布置图和图 5.6 网格生成图. 43 图 5.7 数学模型示意图. 44 图 5.8 发热电阻外形尺寸图. 45 图 5.9 x=0.04 流场分布图、图 5.10 x=0.115 流场分布图. 47 图 5.11 x=0.1525 流场分布图 、图 5.12 y=0.11165 流场分布图. 47 图 5.13 y=0.1833 流场分布图和图 5.14 z=0.15 流场分布图. 47 图 5.15 x=0.04 温度分布图、 图 5.16 x=0.115 温度分布图和图 5.17 x=0.1525 温度 分布图. 48 图 5.18 y=0.04 温度分布图、图 5.19 y=0.112 温度分布图和图 5.20 y=0.1833 温度 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 分布图.48 图 5.21 z=0.15 温度分布图和图 5.22 z=0.156 温度分布图.48 图 5.23 环境温度 25 度时测点 4 计算和试验比较曲线图.49 图 5.24 环境温度 25 度时测点 7 计算和试验比较曲线图.50 图 5.25 环境温度 25 度时测点 16 计算和试验比较曲线图.50 图 5.26 环境温度 30 度时测点 4 计算和试验比较曲线图.50 图 5.27 环境温度 30 度时测点 7 计算和试验比较曲线图.51 图 5.28 环境温度 30 度时测点 16 计算和试验比较曲线图.51 图 5.29 环境温度 35 度时测点 4 计算和试验比较曲线图.51 图 5.30 环境温度 35 度时测点 7 计算和试验比较曲线图.52 图 5.31 环境温度 35 度时测点 16 计算和试验比较曲线图.52 热电制冷器的动态特性研究 viii 表录表录 表 4.1or6sx 型冰箱技术参数. 31 表 4.2 热电偶在物理模型中的位置坐标. 32 表5.1冰箱内温度计算结果与试验结果的比较 46 南京航空航天大学硕士学位论文 ix 注释表注释表 a 面积（ 2 m） r 导体的电阻； （） l 导体长度（m） ； 赛贝克系数（kv /） 珀尔帖系数（v） 汤姆逊系数（kv /） i 电流（a） g 重力加速度（ 2 sm） pr 普朗特数 re 雷诺数 gr 格拉晓夫数 u x方向速度（sm） v y方向速度（sm） w z方向速度（sm） lhsnwe, 控制体邻节点 p 控制体中心节点 通用变量 扩散系数 s 源项 p 压力（pa） t 温度（k ） 热电材料的平均密度（ 3 kg m ） 体积膨胀系数 q 热量（j） n 黑度 k 传热系数（)( 2 kmw） h 换热系数（)( 2 kmw） 差值 导热系数（kmw） 热电制冷器的动态特性研究 x p c 比热（)/(kkgkj） c c 冷端比热（)/(kkgkj） f c 热端比热（)/(kkgkj） l c 冷端散热器比热（)/(kkgkj） 动力粘性系数（ 2 msn） c m 热电制冷器冷端质量流量 h m 热电制冷器热端质量流量 l m 热电制冷器冷端散热质量流量 s 复变量 下标： h 热电制冷器热端 c 热电制冷器冷端 ref 参考值 f 流体区 s 固体区 w 交界面 bc 边界条件 p 控制体中心节点 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 近年来，随着热电新材料的开发和热电制冷器市场化进程，兴起了热电制冷器和 热电转换设备的研发热潮。 传统空调和冰箱采用氟利昂或其他化合物制冷剂来实现制 冷，氟利昂或其他化合物制剂的泄漏，对周围环境造成一定的污染，对大气臭氧层具 有强烈的破坏作用。而热电制冷技术，不需任何制冷剂，工作时无噪音，可靠性高。 在致力于全球环保的今天，研制开发性能优越，对环境无害的制冷技术已经成为全球 制冷技术科学研究领域的一个重要课题。因此半导体制冷技术具有广阔的发展前景。 1.1 热电制冷发展概述热电制冷发展概述 说到“半导体” ，大部分人会想到现代电子设备，比如个人电脑。半导体制冷（或 热电制冷）是根据1834年发现的帕尔帖效应开发出的人工制冷新技术。由于当时热 电材料性能较差，热电转换效率很低，热电制冷并没有得到实际应用。大部分半导体 研究集中在集成电路中的应用，而不是研究可用于家用冰箱中的热电制冷技术。 半导体制冷发展于20世纪5060年代。 由于当时半导体热电材料的优值系数只 有 -3-1 3 10 k，致使电子制冷效率很低，温差50时，制冷系数0.06。研究表明只有 当半导体热电元件的优值系数达到 -3-1 13 10 k时，热电制冷的效率才与压缩式制冷效 率相同。但三十多年来，半导体热电元件的优值系数提高不大，至今仍然小于 -3-1 4 10 k。 因此， 现有热电制冷产品的制冷效率还很低， 温差50时， 制冷系数0.07。 由于热电制冷器体积小、 无噪音、 降温极快以及可实现对温度的精确控制等优点， 现已应用在许多特殊场合下的制冷中。现在半导体制冷技术已广泛应用于化工、电子 技术、生物技术、医疗、军工等领域。 在家用制冷器上的应用也可追溯到20世纪中期，当时前苏联就开始研制10l的 冰箱。但这项研究在国内尚属起步阶段。与压缩式制冷机相比，热电制冷器的作用速 度快，启动后短时间就可得到很大温降；通过改变工作电流的大小可调节制冷速度和 制冷温度，也可通过切换电流正负来改变其制冷或供暖的工作状态，控制灵活。因而 做成便携式冷藏和暖藏箱， 可以广泛应用于无交流电源的场合。 应用到家用制冷器上， 可做成小型冷藏箱、汽车冰箱；冷热两用型饮水机、高档酒类储藏柜等。 随着制冷性能的不断提高， 成本逐渐降低， 半导体制冷器必将得到更广泛的应用。 热电制冷大面积推广应用还有待于材料优值系数与性价比的提高。 热电制冷器的动态特性研究 2 1.2 课题研究背景课题研究背景 1.2.1 cfd 在冰箱温度场和流场优化设计中的应用在冰箱温度场和流场优化设计中的应用 流场的优化是冰箱设计中的重要问题， 因为食品的保鲜质量直接取决于箱内空气 流场和温度分布，而冰箱耗电量则与箱内温度场密切相关。流场的具体信息既不能由 代数方程计算得到，而通过实验测得工作量又太大，并且实验中布置的传感器又会在 一定程度上破坏流场，这使得cfd 方法得以广泛地使用。凌长明和陶文铨 1针对冰 箱从启动到周期性非稳态运行这一非稳态自然对流进行了二维数值模拟， 以冰箱外表 面温度及两个蒸发器温度为边界条件， 给出了直冷式冰箱在周期性非稳态工况下速度 场和温度场的数值计算结果。 杨沫 2对冰箱内的流动和换热建立了三维数学和物理模 型，并对冰箱冷藏室内流动与换热的物理模型进行一些假设，采用控制容积法对微分 方程组进行离散，应用simpl e 算法处理压力和速度的耦合，计算结果和实验值吻 合较好。俞炳丰 3 以某厂生产的bd2180 冷冻箱为研究对象，编制软件实现了冷冻 箱内部三维速度场、压力场、温度场的整体求解，并对蒸发器的布置方式进行了优化 设计。综上所述，运用cfd 方法对冰箱内的流场进行模拟，并根据计算模拟的结果 对冰箱结构做出优化调整，可使冰箱各方面性能如节能性、食品保鲜度等得到进一步 提高。 1.2.2 垂直封闭腔内自然对流研究进展垂直封闭腔内自然对流研究进展 热电制冷器内部的对流换热过程，在传热学上，属于垂直封闭腔内的自然对流问 题。先后有许多学者针对各种类型的流场和温度场情况进行了数值计算和分析。 madhavan等 4用控制容积法求解了耦合的无量纲输运控制方程，分析了ra ， r p和垂 直封闭腔内边界条件对流场和换热特性的影响；李光正 5分析了不同ra 数下的数值 试验，对封闭腔内自然对流由层流向湍流转捩流动与传热进行了数值研究。林金清 6 建立了二维的流体流动和热量传递稳态数学模型， 用有限差分法对垂直密闭容器内辐 射与自然对流的耦合传热进行了数值计算； 朱松林 7对三维封闭方腔自然对流换热问 题进行了数值模拟， 并得到了ra为 63 1010 的方腔内自然对流的流型和传热场信息。 此外,一些学者研究了垂直圆型封闭腔内有圆形， 矩形发热和非发热导热体的 情况。有矩形导热体的封闭腔内自然对流问题是一个自然对流和热传导耦合换热问 题，相对没有导热体的情况更为复杂。任泽霈等 8数值分析了封闭空间中导热、自然 对流和辐射复合换热；姜培学 9用 pheonics对有内热源的非稳态导热与自然对流 换热及辐射的耦合问题进行了数值计算；杨沫等 10对三维方腔内竖直平板的自然对 南京航空航天大学硕士学位论文 3 流进行了数值模拟，指出竖直平板对nu影响不大，但对流场结构影响较大；house 等 11 用数值方法研究了不考虑布置发热矩形导热体的封闭腔自然对流问题，发现当 此发热体的导热系数大于或者小于腔体本身的导热系数时,腔体内的换热可以得到增 强或者减弱。oh等 12and ha等 13 研究了当腔体内存在温差且导热体本身产生热量 时的稳态和非稳态的自然对流过程。vasseur等 14研究了壁面温度呈直线变化的方腔 内非稳态自然对流换热。杨卫卫等 15研究了封闭腔一侧被等温冷却,另一侧受到三块 热板脉动加热，热板温度满足两种不同规律，矩形脉动加热方式时其瞬时最大换热量 高于正弦脉动加热方式。 这些研究分析了不同的瑞利数、普朗特数、导热系数、 热容量和温差对热壁或 者冷壁面上流线、等温线和平均努谢尔特数的影响。但是这些研究球形或矩形发热体 的封闭腔内自然对流问题大多只是考虑二维的情况 11 13 。 针对三维有发热体的垂直封 闭腔内自然对流过程的问题却很少研究。然而三维问题的计算和研究是非常必要的， 因为其更符合实际过程。 1.2.3 热电制冷器非稳态工况研究状况热电制冷器非稳态工况研究状况 热电制冷系统通常由多对p-n型半导体元件电极对和热交换器组成， 它的性能不 仅取决于半导体元件材料的内部结构和材料物理性能， 还依赖于热交换器和工作电流 16。早期研究者17针对半导体制冷的研究着重于热电参数对温度的依赖性的分析。 最近，一些研究者 1821 分析了热端换热特性对半导体制冷系统性能的影响，并提出 了热电制冷器在稳态工况下的数值模拟理论。 丁飞等对某型热电冰箱建立了物理数学 模型，用phoenics对稳态时热电冰箱内的温度场和流场分布进行了数值计算。通 过试验来验证计算模型的正确性，并分析考虑辐射、铝内胆厚度、环境温度、热电制 冷器冷端放置位置和门封厚度等对计算模型的影响。 而对热电制冷系统处于非稳态工 况下的分析，目前国内外公开发表的文献报道较少。殷亮 22 对热电制冷器进行了瞬 态的数值计算以及冷端温度的分析，李茂德 23 用有限差分建立的半导体制冷系统非 稳态温度场的传热模型，王华军 24 对低温半导体热电堆内部温度分布进行了动态特 性分析。张华俊 25 等研究了热电空调器冷热端之间隔热层最佳厚度、空调器冷端进 风量变化对空调器性能的影响。并根据实验结果找出其变化规律。但是，在热电制冷 实际应用中，精密恒温器、医疗仪器和精密电子控制元件等的快速制冷以及它们在环 境条件变化情况下的适应性调节中，都受到了许多非稳态工况的影响。为了设计出更 好的控制器，我们首先需要更多地了解热电制冷器的系统动态性能。因此，迫切需要 对非稳态热电制冷过程理论及应用进行深入研究和分析。 此外，在热电制冷器动态工作时的温度控制方面，热电制冷器的温度与制冷量控 热电制冷器的动态特性研究 4 制可以采用双位控制方法。这样的方法温度控制精度较差，被冷却物体的温度呈等幅 振荡，调节品质差，不适合要求较高的用冷场合。一些研究者根据热电制冷器的不同 工况和工作特性研究了不同的控制方案。时阳等 26 27根据热电制冷器变工况下的工 作特性和变电压工作特性，提出用控制工作电压的方法实现温度和制冷量的连续调 节。在设计热电制冷器时，需对冷、热端温度与工件电压进行综合考虑，使热电制冷 器在最小的功耗的情况下达到最好的制冷效果。 本文依据传热学理论，建立非稳态条件下的热电制冷器的制冷和传热模型，推导 并建立控制方程，利用pheonics软件对or-6sx型热电冰箱的温度场和速度场进行 数值求解，热电制冷器开机过程中的动态特性进行了模拟；同时还分析内外参数的变 化对箱内温度的变化影响， 为热电制冷系统的优化研究和温度控制方面都提供理论基 础和实际应用基础。 1.3 本文的主要工作本文的主要工作 1. 对热电制冷器系统动态模型进行理论分析， 得到从热系统分析角度考虑， 非线性系统各种影响因素及其变化规律。 2. 建立热电冰箱的三维瞬态数学模型， 以pheonics商用软件为开发平台， 对空载工作情况下热电冰箱内的温度场、速度场分布进行了数值仿真研 究，并通过试验验证模型的可行性。通过与文献中的稳态数值模拟结果 进行比较分析，为热电制冷器优化给出建议。同时也为热电制冷系统控 制参数的设置提供数值参考。 3. 选用10w的发热负载作内热源， 分析了稳态和瞬态两种工况下的温度场 和速度场分布情况。并和试验结果进行比较分析讨论，以期找到发热负 载存在情况下，热电制冷器温度场和流场的响应规律。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第二章第二章 热电制冷概论热电制冷概论 2.1 热电制冷原理热电制冷原理 导体的热电效应有：塞贝克效应，帕尔帖效应，汤姆逊效应，焦耳效应和傅立叶 效应。半导体制冷原理建立在以下三个现象(效应)的基础上： 1. 塞贝克(seeback)效应 如图 2.1 所示，由a，b 两种不同材料构成的电路，若两个接点a，b 之间存 在温差dt。 则在点c， d之间会产生电动势 ab e。 ab e的大小与接点间的温差成正比： e=dt abab （21） 式中 ab 称为塞贝克系数，又称为材料对的温差电动势率，其值为 ab de dt =，其单位为v 。 a b a b b eab c d 图2.1赛贝克效应示意图 塞贝克系数是由一对材料形成的。由于所选的材料不同，电位的变化可以是正或 负。因此，塞贝克系数不只是大小，而且符号也很重要。若用 a 和 b 表示材料a和 b的绝对塞贝克系数，则由这两种材料所制成的热电偶的塞贝克系数。 ab 为: = abab (22) 显然， a 为正 b 为负时， ab 最大。 塞贝克效应在热电偶测温方面已有广泛应用，其它方面的应用较少，直到碲化铅 和硅锗等半导体材料出现以后，才真正开始应用于热能和电能的直接转换。 2. 帕尔帖效应 帕尔帖效应是赛贝克效应的逆效应，即当电流通过两种不同导体构成的结点时, 热电制冷器的动态特性研究 6 产生冷效应；若电流在导线中反向流动，其结点处将产生热效应。帕尔帖效应产生的 热量称为帕尔帖热，其大小与回路的电流强度成正比，方向将随电流方向改变而发生 变更，即冷热端互换。 对金属材料而言，其物理解释是电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级。在 外电场的作用下， 电荷载体从高能级向低能级的材料运动时， 便会释放出多余的能量； 反之，电荷载体从低能级向高能级的材料运动时，需从外界吸收能量。能量在不同材 料的交界面以热的形式放出或者吸收。 金属材料的帕尔帖效应较微弱，而半导体材料的帕尔帖效应则强得多，所以在实 际工程中采用半导体制冷。 3. 汤姆逊效应 1855 年汤姆逊探测出第三种效应，电流通过有温度梯度的金属导体的材料时， 将吸收或放出热量，这一效应在后来得到了证实。当一段有温度梯度的金属导体通有 电流 i 时，原有的温度分布将会被破坏，为维持原有温度分布，导体将吸收或放出热 量，这种现象称为汤姆逊效应。它表明，在导体中除了产生与导体有关的焦耳热外， 还会吸收或放出汤姆逊热。 一般认为，汤姆逊效应远小于其他效应，所以在分析热电制冷时可以忽略。但有 人持不同观点，认为被一般文献忽略的汤姆逊效应，是构成热电循环的主要过程，还 有人认为汤姆逊热是焦耳热与电子通过有温度梯度的电偶臂时输运的热能之和， 如果 考虑了汤姆逊热，那么焦耳热就不再是电子循环过程中的基本物理过程。mei-jiau huang 28 研究了考虑焦耳热，傅立叶热和汤姆逊热时热电制冷器的导热、对流和辐射 耦合换热情况下的温度分布， 研究表明可以利用汤姆逊效应来提高热电制冷器的制冷 效率。 塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应构成了热电制冷器的理论基础。半导体制 冷是帕尔帖效应在工程技术上的具体应用。 目前采用半导体材料锑化铋做成型和 型热电偶，用模块的方法组成半导体制冷器件。 图2.2为半导体的制冷原理图，半导体热电偶由n型半导体和p型半导体组成。 由于半导体内有两种导电载流子，它的帕尔贴效应不能只用接触电位差来解释，否则 将得出与上述事实截然相反的结论。正确的理解是：当电流方向是pn（如图2.2 所示）时，p型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子向接头处相向运动。在接 头处，n型半导体导带内的自由电子将通过接触面进入p型半导体的导带。这时，自 由电子的运动方向是与接触电位差一致的，这相当于金属热电偶冷端的情况，当自由 电子通过接头时将吸收能量。 但是， 进入p型半导体导带的自由电子立即与满带中的 空穴复合，它们的能量转变为热量从接头处放出。由于这部分能量大大超过它们为了 南京航空航天大学硕士学位论文 7 克服接触电位差所吸收的能量，抵消后还是呈现放热。同样，p型半导体满带中的空 穴将通过接触面进入n型半导体的满带，也同样要克服接触电位差而吸热。由于进 入n型半导体满带的空穴立即与导带中的自由电子复合，它们的能量变为热量从接 头处放出，这部分热量也大大超过克服接触电位差所吸收的能量，一部分抵消后还是 放热。其结果，接头处温度升高而成为热端，并要向外界放热。当电流方向是np 时，p型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子作离开接头的背向运动。 在接头 处p型半导体满带内的电子跃入导带成为自由电子，在满带中留下空穴，即电子-空 穴对。而新生的自由电子通过接触面进入n型半导体的导带，这时自由电子的运动 方向是与接触电位差相反的，这相当于金属热电偶热端的情况，电子通过接头时放出 能量。但是，产生电子空穴对时所吸收的能量大大超过了它们通过接头时所放出的 能量。同样，n型半导体也产生电子-空穴对，新生的空穴也立即通过接触面进入p 型半导体的满带，产生电子-空穴对时所吸收的能量也大大超过了通过接头时所放出 的能量。总结果是使接头处温度下降而成为冷端，从外界吸热，即产生制冷效果。 图2.2热电制冷原理图 直接接触的热电偶电路并不可用于实际中，所以用图2.2的连接方法来代替。实 验证明， 在温差电路中引入第三种材料(铜连接片和导线)不会改变电路的特性。 这样， 半导体元件可以各种不同的连接方法满足使用者的要求。 把一只p型半导体和一只n 型半导体联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。把 若干对半导体热电偶对在电路上串联起来，而在传热方面则是并联的，这就构成了一 个常见的制冷热电堆。借助散热风扇或热管，使热电堆的热端保持一定的温度，把热 电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是半导体制冷的原理。 热电制冷器的动态特性研究 8 热电制冷性能由工作参数和电偶本身的材料特性决定。 一般地讲，基本热电偶的制冷特性可表示为 制冷量 2 00 1 2 qitk ti r= （23） 制冷系数 0 1 2 = + kr t tv v irt （24） 其中k为电偶上的热导，w k。q0 电偶的工作状态一般分为制冷系数最大工作状态和制冷量最大工作状态， 而电偶 热端一般热流密度比较大，在 0 q一定的情况下，只有提高，才能减少热端散热量， 减少热端热流密度。因而优化选型中应选择制冷系数最大工作状态。 （1） 考虑最佳的情况 29 由（24）可知，应使kr最小，并使电压v满足0 v = ，则 p pn nppnn krrr=+()() n ， p ， p ， n 分别是电臂材料的热导率和电阻率。 利用上式，按0 () () p n d kr d rr =，求出电偶尺寸优化条件为 npp n np r r = (25) 这时，(kr)取得最小值 2 min ()() ppnn kr =+ (26) 从式（24）求出工作电压（或工作电流）的优化值 （或 ） ，以及在 该条件下的制冷系数最佳值 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 9 11 opt m t v zt = + (27) 11 optopt m t r ivr zt = + (28) () 0 0 0 1 11 mh opt hm ztttt ttzt + = + (29) 式中 0 1 2 mh ttt=() (210) 2222 1 min () () () = pn zk krkrkk (211) 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 率）有关。 通常，热电偶的优值系数 ，热电制冷的循环效率即使在制冷系数 达到最大值时也只有12%， 远不及蒸气压缩式制冷的理论循环效率。 这是由于热电制 冷中固体温差电过程的热力学不可逆程度较高。所以，热电制冷并不是一种能效经济 的制冷方式。 （2） 考虑制冷能力最大的情况 由式（23）可见，电偶的制冷能力与工作电流i有关。帕尔贴热越大，焦耳热 损失越小， 则制冷能力越大。 但帕尔贴热与电流成正比， 焦耳热与电流的平方成正比， 故存在使制冷能力最大的工作电流最佳值 opt i。可求得 () 0 / optpn itr= (212) () 2 0 0 2 , = opt t qk t r (213) 制冷能力表现为制冷量 和制冷深度（用制冷温差 或冷端温度 反映） 。由式 (211)可以看出，若冷端负荷减小，则制冷量变小，这时冷端温度 将降低或者制 冷温差 将增大。由式(213)和式(29)得 热电制冷器的动态特性研究 10 2 0 0 1 22 t tzt rk = max (214) () 0 1 11 h tzt z =+ ,max (215) 制冷能力优化情况下电偶的最大温差和最低冷端温度是取决于优值系数z。z是 热电偶的优值系数， 是衡量热电偶对的最关键因素， 它只与热电材料的物理性质有关， 反映了热电的热电特性。z越大，则制冷效率也越大。因此提高优值系数是改善半导 体制冷性能的根本措施。 2.2 半导体制冷材料及其器件研究现状和发展动向 2.2.1研究现状 半导体制冷技术有其广阔的应用前景和范围，特别是在电子、军工、医疗卫生等 行业，半导体制冷往往是唯一的选择。随着中国汽车拥有量的增加，车载热电冰箱将 会越来越多。但热电冰箱主要还是用在冷藏而不是冷冻，其制冷效率也较传统的蒸汽 压缩式冰箱低，耗电量较高，容积小。制冷方面，最多能够达到零下5，其制热温 度却能够高达65，对于长途开车的人来说，冷热功能的半导体冰箱能带来极大的 方便。在冰箱上的应用国内仍处于起步阶段，这主要是受到半导体材料本身的性能指 标的限制，以至于半导体冰箱只能应用于制冷量较小、只需冷藏温度的场合。现在使 用的最佳的热电材料的zt 0.9。 能满足一些特定条件下的制冷, 但如果要推广经 济性能好的家用冰箱，就需要开发在室温下材料的zt 3。 在过去的二十多年里，半导体制冷材料和器件的研究没有取得突破进展，要想制 造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数。目前世界上具 有最高zt值的半导体制冷材料是bi2te3为基体的合金材料。 近年来，在热电制冷领域，出现了对两种新型半导体制冷材料及其器件的研究热 潮，并取得了一定的进展 30 。两种新型半导体制冷材料及其器件分别是半导体量子 阱超晶薄膜材料及其器件与方钴矿类高温半导体制冷材料及其器件。 1) 薄膜型材料 31 这类材料从微观上来看，具有非常“薄”的膜和量子阱结构，量子阱是指一层薄 膜夹在两层阻挡层之间的结构。材料的热电性能平行于晶格面，因而电流和热流都平 行于晶格面。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 pbte是证明量子阱存在的一种材料， 它的结构完全不同于其他的二维半导体材料 如bi-te合金，它同时具备激活的薄膜和阻挡层。当热流流过阻挡层时，阻挡层使z 值降低，故增大了整个薄膜的热导率。直到现在，只有量子阱被研究过，而阻挡层的 机理尚不清楚。总的来说，这类材料的z值比常规材料高，其微观机理尚有待于进一 步探讨。 2) 体积型材料 其中最有发展前景的是以方钴矿为基的一族化合物，现在已有九种二元半导体化 合物，这类材料主要应用于(350700)的高温。该材料的特点是具有带两个空穴的 立方结构，大大降低了导热率。另外，金属间化合物如tinisn、有机化合物也属此类 材料 但它们都很不稳定，很容易分解。这是这些材料在实用化上的最大障碍。 2.2.2 提高材料热电性能的途径 衡量热电性能优劣的指标是它的热电优值（品质因子） 2 = s z k （s为温差电动 势率，即seebeck 系数，为电导率，k为热导率） 。习惯上，人们常用zt（t为材 料的平均温度）这一无量纲量来描述材料的热电性能。一种好的热电材料必须有较大 的seebeck系数，小的热导率以及大的电导率，但这3个参数不是相互独立的，它们 都取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。 通过提高载流子浓度和载流子的迁移 率来提高热电材料的电导率，但是电导率提高到一定值后，其seebeck系数却随电导 率的增大而大幅下降，限制了电导率的进一步提高。热导率 el kkk=+（ e k， l k 分别表示电子热导率和声子热导率） ，由于材料要求有较高的电导率，因此，使得电 子热导率的调节受到限制， 所幸的是热电材料的电子热导率仅占总热导率的10%， 所 以降低声子热导率成为提高bi2te3材料zt值的关键。 bi2te3基材料的纳米化和掺杂是当前的研究热点，各国科学家对相关方面进行了 大量的研究，采用不同的方法和思路合成了高性能的bi2te3基材料，并且在进行掺杂 的同时都力争使其纳米化，在改变能带结构的同时改善其输运特性，使材料的zt值 大幅度提高。 低维化有助于增加有助于增加声子散射 32 ，从而导致seebeck系数的增加； 。同 时又并不显著地增加表面的电子散射， 使得热导率降低的同时并不使材料的电导率降 低；当满足量子限制条件，载流子浓度一定时，低维化可显著增加载流子的迁移率， 从而可方便地调节掺杂。 开发较大zt值的新型热电材料将会为热电制冷器的广泛应用打开屏障。 开发新材 料很有难度,但又很多可行的方法等待得到突破。 热电制冷器的动态特性研究 12 2.3本章小结 本章在对热电制冷原理进行概略介绍的基础上， 对热电材料发展的现状和研究发 展前景进行了探讨，另外对热电材料性能提高的途径进行了分析。热电制冷器的性能 提高有赖于开发优值系数更高的新型材料。 热电材料的新近发展将为热电制冷器的研 发带来新的课题和机遇。 南京航空航天大学硕士学位论文 13 第三章 热电制冷器制冷动态模型影响因素分析 热电制冷器实际制冷工作过程中，由于其输入电流、电压，冷热端温度是动态变 化的，因此其工作性能也是在动态变化。对热电制冷器的动态制冷效应进行研究，可 以进一步提高这些设备的工作性能。 以前的研究结果由于更多集中于获得瞬时的最大 温差，不能直接用于微型制冷器。 传统的静态集中参数分析法无法准确描述系统的状态变化 33， 而动态分析能更真 实地反映系统各部件的状态变化关系。运用动态分析方法，将使制冷学科与其他学科 形成交叉，吸收系统工程、控制论、计算机、仿真优化等学科优点，使制冷系统设计 与分析计算更切合客观实际，在计算方法上得到更新。以动态观点对热电制