影响热电制冷性能的关键因素及其分析_申利梅

理, 且电流的方向与温度的梯度方向相反， 因此，焦
耳 热 与 热 传 导 的 方 向 相 反 ， 选 择 dx 长 作 为 研 究 对
象，由于帕尔帖热只在接触面才有吸热与放热现象，
可以得出：
qx+dx-qx=-I2ρ
dx A
又因为是一维的热传导，则推导出：
2
2
d
T
2
+I
ρ
2
=0
(1)
dx λA
边界条件为：
第 10 期
申利梅等：影 响热 电 制 冷 性 能 的 关键 因 素及其分 析
1867
0引言
热电制冷(又称半导体制冷)是一种有良好应用前 景的制冷方式, 但热电制冷效率低成为制约热电制冷 器发展的关键因素。 而制冷效率主要受 3 方面因素的 影响： 半导体材料的热电性能、 热电制冷器的工作状 态、系 统 的 散 热 条 件[1], 目 前 ，国 内 外 针 对 热 电 制 冷 的 研究主要集中在上述 3 方面。 热电制冷器要想达到 压缩机制冷的水平, 则材料的优值系数 Z 至少达到 13×10-3 K-1[2]。 我国自主知识产权的高效半导体器件的 优 值 系 数 可 以 超 过 13×10-3 K-1, 现 在 高 效 的 热 电 制 冷 器在温差 50 K 时, 制冷系数大于 3[3], 制冷效率还高于 压缩机制冷。 在热电制冷材料确定的情况下, 系统分 析热电制冷器的性能也是十分重要的, 其外在的因素 如加工工艺、电源电压、工作电流和散热问题也都是制 约热电制冷性能的主要原因 。 如姬鹏先等[4]提出 在第 一类边界条件下制冷系数最佳的运行方式是变工作电 压、 变工作电流, 制冷量最大的运行方式是一种恒工 作电压、变工作电流。 杨明伟等[5]提出了一种新的热电 络 模 型 和 李 茂 德[6]及 唐 红 民 等[7]建 立 的 热 电 制 冷 非 稳 态传热模型, 分别分析了工作电流和热端散热对冷端 温度的影响 。 潘玉灼[8]分析了线 性唯象传热定律下热 电制冷器的性能, 研究在给定的外界条件下,电流和冷 热端换热面 积比等对制冷 效 率 的 影 响 ；H.Y.Zhang[9]主 要分析了电流和热端散热方面对热电制冷器应用于高 热流密度的电子器件封装散热时性能的影响。 多数研 究者从改变冷、热端换热装置入手，并通过实验来验证 其 性 能 优 化 ，如 J.G.Vian[10]提 出 在 冷 端 采 用 一 个 PCM 换 热 器 来 提 高 换 热 效 率 ；S.B.Riffat[11]提 出 在 热 端 采 用 有内肋片的热管换热器来提高热端换热系数, 并且在 冷端也采用热管换热, 一方面提高了换热系数, 另一 方面解决了热回流问题。 另外，X.H.Chen[12]提出一种新 的温差制电与热电制冷的综合制冷系统， 从而提高了 制 冷 性 能 ；胡 洪 等[13]指 出 保 证 热 电 制 冷 器 热 端 的 对 流 传热对热电冷藏箱的制冷性能具有重要意义, 并利用 场协同原理和实验验证热端在进行强化对流散热时应 采用顶部送风方式。 他们从理论与实验中得出了对于 给定的热电制冷器件, 它们的工作电流和冷、 热端换 热性能对热电制冷性能有较大的影响, 为热电制冷器 件的优化指明了方向。
Abstract: Ignoring the effect of Thomson, the heat transfer differential equation of the arm of thermoelectric cooling was derived. By using numerical simulation method, the thermoelectric effects under different operating current were analyzed, and the combined effects of the three factors involved operating current, the heat transfer coefficients of the cold and hot ends of the specimen on the thermoelectric cooling performance were discussed. In addition, the extent and sequence of the cooling performance for the three impact factors were analyzed. The results show that operating current is the critical factor for cooling performance, and a larger cold-end convection heat transfer coefficient could decrease the cold-end temperature, a larger hot-end convection heat transfer coefficient could increase the cooling capacity and coefficient of performance, while there exits a optimal cold- or hot-end convection heat transfer coefficient. The optimization of operating condition and strategy of thermoelectric cooling device design and application were proposed, not only improve the cooling performance, but also cut the cost. Key words: thermoelectric cooling; operating current; heat transfer coefficient; cooling performance
图 1 热电臂传热示意图 Fig.1 Heat transfer schematic diagram of thermoelectric arm
1868
红外与激光工程
第 40 卷
考虑到 N 和 P 两个单元臂传热模型的相似性,
文 中 仅 分 析 P 型 臂 的 传 热 模 型 [14]。 根 据 能 量 守 恒 定
Qh=h1A′(Th-Tf1)=αhITh+λA
dT dx
｜x=0
Qc=h2A′(Tf2-Tc)=αcITc+λA
dT dx
｜x=L
Tc=T(0)； Th=T(L) 式中：ρ 为热电臂的电阻率；λ 为热导率；α 为温差电
动 势 ；I 为 工 作 电 流 ；Tc、Th 分 别 为 冷 、 热 端 的 温 度 ； Tf1、Tf2、h1、h2 分 别 为 热 端 、 冷 端 的 环 境 温 度 和 换 热 系 数；A 和 A′分别为一个热电臂和一对热电臂冷、热端
多数研究主要从单个因素的影响进行分析, 而实 际制冷系统的性能是受电流与冷、热端换热系数 3 种 因素的综合影响, 并且影响程度是不同的，因此，文中 首先在第一类边界条件下, 在不同工作电流工况和制 冷臂结构的情形下, 分析各种热电效应对制冷器的影 响程度, 从而获得热电制冷器件最佳工作电流的范围 和影响其性能的最关键因素。 然后再在第三类边界条 件下, 对工作电流和冷、 热端换热系数 3 个参数的综 合影响进行分析, 找到这 3 种因素对制冷性能影响的 程度, 从而为不同应用需求的热电制冷器性能优化提 供了一定的优化次序。
第 40 卷第 10 期 Vol.40 No.10
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2011 年 10 月
Oct. 2011
影响热电制冷性能的关键因素及其分析
申利梅，陈焕新，张 威，舒朝晖
(华中科技大学 制冷与低温工程系，湖北 武汉 430074)
摘 要: 在忽略汤姆逊效应的情形下, 推导出热电制冷臂的传热微分方程, 利用数值模拟的方法, 分 析了在不同工作电流下各种热电效应的影响, 及工作电流和冷、热端换热系数 3 种因素对热电制冷 性能的综合影响。分析了 3 种因素对热电制冷性能的影响程度与顺序, 发现电流是最关键的影响因 素, 且需要较低制冷温度时可提高冷端换热系数, 需要较大制冷量或制冷系数时可适当提高热端换 热系数, 但冷、热端换热系数对制冷性能的影响存在一个最优值。提出了热电制冷器件的设计和应用 的优化工况及方案, 在提高制冷性能的同时节约了成本。 关键词: 热电制冷； 工作电流； 换热系数； 制冷性能 中 图 分 类 号 ： TB61+9.2 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1007-2276(2011)10-1866-07
TECI-12704
Parameter
Seebeck coefficient α / V·K -1
Electrical resistivity ρ / Ω·m -1
Thermal conductivity λ /W·m-·1 K-1
Value 2.1×10-4 1×10-5
1 数学模型
由于环境条件的变化，热电制冷器并不是在设 计的工况下运行，因此，对热电制冷器冷、热端在第 三类边界条件下进行分析。 为了推导方便，做出以 下简化：
(1) 忽 略 汤 姆 逊 效 应 的 影 响 (它 是 一 种 二 级 效 应, 在 电 路 的 热 分 析 中 可 以 忽 略 不 计 ) [14] ；
收 稿 日 期 ：2011-02-05 ； 修 订 日 期 ：2011-03-03 基 金 项 目 ：2011 年 中 国 科 学 院 “ 低 温 工 程 学 重 点 实 验 室 ” 开 放 课 题 (CRYO201121) ； 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 创 新 基 金 作 者 简 介 ： 申 利 梅 (1987-) ， 女 ， 博 士 生 ， 主 要 从 事 半 导 体 制 冷 性 能 优 化 的 研 究 。 Email:limeishen779@ 导 师 简 介 ： 陈 焕 新(1964-)，男 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 热 电 制 冷 及 空 调 系 统 的 研 究 。 Email: chenhuanxin@
面 的 截 面 积 ；Qh、Qc 分 别 表 示 热 端 散 热 量 和 冷 端 制 冷 量 ；αh=αc= α1-α2 ，α1、α2 分 别 为 N 型 和 P 型 热 电 臂 的赛贝克系数。 表 1 是所选的热电模块的结构参数
和物性参数。
表 1 热 电 模 块 TECI-12704 参 数 表
Tab.1 Parameters of thermoelectric module
(2) 电臂侧面绝热, 且与外界无热交换； (3) 电臂中的传热为一维稳态导热； (4) 假定两电臂的电阻率 、热导率、温差 电 动 势 都不随温度变化； (5) 不考虑冷、热端基板的接触热阻。 当然这里必须注意： 虽然帕尔帖与汤姆逊热都 是体效应， 但是汤姆逊热是贯穿热电制冷臂的整体 （见图 1），而帕尔帖热是只在冷、热端接触面才表现 出吸热和放热效应。 因此，不能把帕尔帖热当作内热 源来计算。
Analysis of the crucial factors affecting the performance of thermoelectric cooling
Shen Limei, Chen Huanxin, Zhang Wei, Shu Zhaohui
(Department of Refrigeration & Cryogenics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)