浅谈热能电力制冷技术的开发与研究

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中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2012）12-0018-01

摘要：热电制冷器，也被称为珀尔帖制冷器，是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件。通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。

关键词：热电制冷器 机械式制冷单元 热电技术

1热电散热技术的基本原理

在目前的热电制冷器件中最常用到的半导体热电材料是碲化铋。目前工业上已经可以通过掺杂得到p型和n型碲化铋块体或者器件单体。热电材料的制备方法通常是熔体定向晶化法或者粉末压制成型法。每种制备方法都具有各自的优势，定向生长的方法更为普遍。除了碲化铋之外，另外还有包括碲化铅，硅锗合金，铋锑合金等体系分别应用在不同的条件下。我们可以看出，碲化铋的最大热电优值系数所出现的温度在室温，适合于大多数热电制冷的应用条件。碲化铋基热电材料：碲化铋晶体具有很多性能特点，使其成为很好的热电材料。碲化铋晶体具有天然的各相异性。这导致碲化铋在平行于c轴方向比垂直于c轴方向的电阻要大四倍。同时，平行于c轴方向的热导比垂直于c轴方向要大2倍。也就是说，电阻的各向异性现象比热导要明显，所以，最大的热电优值系数出现在平行于c轴的方向上。由于这种各向异性，在热电单体组成热电制冷器的过程中，晶体生长方向要平行于每个单体的长度或者高度方向而垂直于陶瓷基底。另外，碲化铋还有一个与晶体结构有关的有趣特征。碲化铋晶体是由许多相似的六方层状结构组成的。碲原子和铋原子层被共价键紧密的结合在一起，而碲原子[Te1]和碲原子[Te1]之间是由相对较弱的范德华键连接的。因此，碲化铋的解理面是沿着[Te1] [Te1]原子层，这与云母的性质非常相似。幸运的是，解理面一般是与c轴平行的，所以在热电制冷器中的材料是非常坚固的。通过定向生长得到的碲化铋材料通常是铸锭状态，需要通过切片得到不同厚度的晶圆。表面进行适当处理以后，这些晶圆被进一步切割，以获得可以组装成热电制冷器的块体。另外，碲化铋块体，也称为单体，也可以通过粉末压制成型技术制备。

2热电制冷技术的应用

热电制冷器具有很广阔的应用领域，包括军事、医疗、工业、日常消费品、科研/实验室和电信行业等。从家庭野餐时食物和饮料的冷藏柜到导弹或者航空器上面极其精密的温度控制系统，都已经存在许多具体的应用实例。与普通的散热器不同，热电制冷器既可以在很宽的环境温度范围内保持物体的温度恒定，又可以将物体的温度降低到环境温度以下。可以说，热电制冷器是一个主动的制冷体系而普通散热器只能提供被动制冷。一般情况下，热电制冷器可以应用在热量转移量从几毫瓦到几千瓦的范围内。包括大电流和小电流制冷器在内的大部分单级热电制冷器都可以在每平方厘米表面积上传递最大达到3-6瓦的热量（20-40瓦每平方英寸）。对于多级热电制冷器而言，从热流通路上看，制冷器的安装方式呈并联方式，从而增加总的热输运效果。过去，千瓦级的大型热电制冷系统主要应用在一些专门的领域里，比如潜水艇和火车上的制冷系统。现在已经证明，这种级别的热电制冷系统在半导体生产线上同样具有很高的应用价值。

3热电散热技术的优点

在一些只需涉及较低或者中等热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，热电制冷器可以提供很大的帮助，而且，在一些特定的情况下它是唯一的选择。尽管没有哪种制冷方式是万能的，热电制冷器也并不能应用在所有的领域，但是与其他制冷设备相比，热电制冷器具有很多优势。其中包括：1）没有运动部件：热电制冷器在工作的时候只用到电能，不会有任何运动的部件，这样一来，它们基本上不需要维护保养。2）体积和重量很小：一个热电制冷系统的体积和重量要远远小于相应的机械式制冷体系。除此之外，对于各种严格的应用要求，有各种标准的或特殊的尺寸和布局方式可供选择。 3）可以降温到环境温度以下：传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力。4）同一器件可以满足升温和降温的要求：热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。

4制冷散热器的选择

热电制冷器在工作时是作为一个热泵，将热量从一点转移到另一点，而不是普通的吸热过程或者魔术般的将热量消耗掉的过程。通电之后，热电制冷器的一面会变冷而另一面变热。被制冷一面的热量将被传递到热端，完全符合热力学过程。为了完成一个热流的循环过程，热电制冷器的热端必须要连接在一个合适的散热器上，从而释放掉从冷端传递过来的热量和器件运行过程中产生的焦耳热。散热器在热电制冷系统中是不可或缺的部分，所以这里必须单独强调一下其重要性。由于所有的热电制冷器件的使用性能都与散热器的温度有关，所以我们在散热器的选择和设计过程中需要非常认真。

5结语

理想的散热器需要具有吸收无限的热量而不会引起温度增加的能力。但是这在实际上是不可能达到的，所以设计者必须选择一种散热器在吸收了从热电制冷器件传来的全部热量之后，温度的增加量能够保持在可以接受的范围内。这里，尽管所谓的“散热器的温度增加量在可以接受的范围内”是与不同的应用环境相关联的，但是由于热电制冷器的制冷量是随着温差的增加而减小的，所以在设计时一定要尽量减小散热器的温度增加量。对于目前市场上流通的典型热电制冷器的应用来说，散热器的温度高于室温5-15 ℃是比较常见的。

目前，有很多种散热器可供选择，其中包括自然对流式、强制对流式、和液体冷却式三种。自然对流式散热器可以在功率非常低的应用条件下使用，特别是当小型热电制冷器的工作电流在2 A以下时。而对于大部分应用条件来说，自然对流式散热器并不能满足将所需热量全部排出的要求，这时就需要使用强制对流式散热器或者液体冷却式散热器了。

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