热电制冷技术进展与展望

热电制冷技术进展与展望

李腾昌

海信容声（广东）冰箱有限公司

摘要：热电制冷技术是一种基于帕尔帖效应原理的制冷技术，即利用当电流通过两种特定材料时会吸收和放出热量的原理进行制冷，由于其制冷过程中不涉及制冷剂等可能对环境造成影响的污染物，因此该制冷方式不会对环境造成污染。同时还因为可以通过控制电流的大小来调节其制冷的效率，所以相较于传统的制冷装置来说，其制冷能力容易控制。并且由于其结构也比较简单，寿命较长，因而在空间工程，军事领域以及其他一些特殊行业都有较好的应用。但其本身效率不高且冷端与热端无法分离等缺点也限制了其发展。本文对近几年国内外的热电制冷技术的性能优化和应用进行了研究总结，以便于大家更好地了解行业的发展与现状。

关键词：热电制冷;制冷原理;性能优化;应用和发展

Progress and prospect of thermoelectric refrigeration technology

Abstract: Thermoelectric refrigeration technology is a kind of refrigeration technology based on the principle of Paltier effect, that is, when the current through two specific materials will absorb and release heat principle for refrigeration, because the refrigeration process does not involve refrigerant and other pollutants that may affect the environment, so the refrigeration method will not cause pollution to the environment. At the same time, the refrigeration efficiency can be adjusted by controlling the size of the current, so compared with the traditional refrigeration device, its refrigeration capacity is easy to control. And because its structure is relatively simple, long life, so in space engineering, military field and some other special industries have a good application. But its own efficiency is not high and the cold end and hot end can not be separated and other shortcomings also limit its development. This paper summarizes the performance optimization and application of thermoelectric refrigeration technology at home and abroad in recent years, in order to better understand the development and current situation of the industry.

Key words: thermoelectric refrigeration; Refrigeration principle; Performance optimization; Application and development

引言

热电制冷技术是一种固态制冷技术,通过向热电模块施加直流电源,将热量通过热电模块从一端转移至另一端实现制冷。与蒸气压缩式制冷相比,热电制冷无需制冷剂、节流阀和压缩机。因此,不仅不存在因制冷剂泄漏造成的环境问题,同时避免了制冷剂中杂质低温凝结或凝华从而在节流阀内造成的阻塞问题;而又因其无压缩机,不涉及移动部件,所以不易发生故障。

1热电制冷原理

热电制冷最基本的元器件是热电偶对，即由P型半导体和N型半导体组成的结构整体。直流电源供电后会形成回路，在半导体的冷端，电流从N型半导体流向P型半导体，吸收环境中的热量导致温度下降;在半导体的热端，电流从P型半导体流向N型半导体，向环境中散发热量导致温度升高，一般采用热管、风扇等装置向外界环境中散热。

2热电制冷技术进展与展望

2.1冷热端散热方式

热电制冷器常用的散热方式有自然风冷、强迫通风、水冷以及相变散热。自然风冷换热系数低，换热效果差，多用于小型热电制冷器。强迫通风气体流动速度快，气流层变薄阻力减少，对流换热系数增加，散热面积减少，设备简单，成本低，易于安装，但是需考虑翅片结构、表面粗糙度以及选取合适选择风机等因素，计算复杂。水冷式散热器是依靠可循环的冷却水带走热端热量，散热效果好，但易形成水垢，成本较高。相变散热需选取合适的相变工质，只能用于间歇运行，在实际生活中很少使用。选取适宜的散热方式不仅能提高制冷效率还能节约成本，一般来讲，在条件允许的情况下采用水冷式，受限制时采用风冷，就半导体而言，水冷式效率要高于风冷式。

2.2热电制冷材料优化

从传统意义上来说，我们所选用的热电制冷材料应该具有以下特点:(1)具有较高的ZT值，以使其可以拥有较高的制冷系数;(2)具有合适的机械性能，例如耐热冲击性，抗剪切强度以及冲击韧性等;(3)具有可焊性，以便实现元件之间的电连接。提高ZT的方法主要就是通过改进制备工艺或通过掺杂合适粒子的方法，来优化载流子浓度或降低晶格热导率，从而提升ZT值。小组通过在惰性条件下，将通过球磨工艺产生的纳米颗粒，以热压的方法制成了成分为Bi2Sb3－xTex的块状材料，由于其有效地降低了晶格热导率，使得材料的优值明显提升，其ZT的峰值可以达到1．4，同时在制冷测试中，其热端的温度分别为50/100/150℃时，所能产生的最大温差分别是86、106、119℃，通过将一层由铁、钒、钨和铝元素组成的合金薄膜材料与硅材料基底相结合，有效的降低了晶格热导率，使其实现了高达5到6的ZT值。虽然有些材料的ZT值较高，但考虑其制造成本及制造难度等原因，目前市面上的商业热电制冷片仍是以碲化铋基体材料为主，其ZT值仍在1左右。

2.3功能层界面

热电制冷机降温过程中,随着冷热两端的温差逐渐增大,温差热应力也随之增加,界面处的高热应力是热电制冷机长期运行期间关键的失效机制。热电制冷机各功能层之间的界面连接包括:陶瓷和金属层、金属层和热电材料的界面连接。陶瓷和金属之间的连接可不引入其他材料,仅通过陶瓷金属化工艺实现,其界面对制冷机的性能影响较小,常用的陶瓷金属化技术包括共烧法、厚膜法、直接敷铜法、直接敷铝法及薄膜法等。金属层和热电材料之间主要通过锡焊或钎焊的方式连接。

2.4散热方式的优化

热电制冷组件往往需要和热交换器构成一个完整的器件，我们可以利用翅片散热、空气制冷、液体制冷、物质相变散热以及热管散热等方式将高温端的热量传递出去，从而有效提升低温端的制冷能力。翅片散热是通过在外壳上增加散热片，以增大辐射散热面积的方法来进行散热。空气制冷和液体制冷都是依靠其流动性将传递出来的热量带走。物质相变散热是利用了相变材料可以以潜热的形式吸收大量热能的特性来吸收热电制冷器热端的热能。便是利用相变材料可以以潜热的形式储存大量热能的特性，以相变材料与半导体制冷材料的热端相结合的方式来提高热电制冷器的制冷性能，并通过模型验证在不同情况下相变材料对制冷性能的影响，结果显示，相变材料可以有效提升制冷系数，并且随着相变材料的增加，其制冷性能，也随之增大。热管散热是利用热管可以快速将热量从一点传输到另一点的特性，通过制冷剂的作用来降低温度。

2.5热电制冷机的应用

由于热电材料性能的限制,目前热电制冷技术在价格和效率方面还无法与传统的机械式制冷技术相比,但热电制冷技术因尺寸高度可控、无运动部件、控温精度高、可靠性高等优势,已应用于某些特殊领域,这些领域对尺寸、振动、可靠性、控温精度等的要求比对价格和效率的要求更高。本文将热电制冷机的应用按其尺寸任意缩放、无振动、可靠性高、控温精度高等特性分类如下:1)尺寸任意缩放特性:热电制冷机因其固态结构属性,可任意放大缩小,但因材料性能的限制,制冷效率较低,目前多用于微小尺寸制冷的领域,如便携式冰箱、冷冻手术用冷冻探针、电子器件冷却、可穿戴制冷、汽车座椅、电动汽车空调等;2)无振动特性:热电制冷机不需要压缩机、无运动部件,可提供无振动制冷,因此可用于对振动敏感的领域,如无振动恒温箱、扫描隧道显微镜等;3)控温精度高特性:热电制冷机配合适当的闭环温度控制电路,可将温控到0.1℃以内,因此可用于需要精确控温的领域,如激光器控温、微/纳米技术领域的测量、加工和操控、精确控位、电荷耦合器件(CCD)控温、红外焦平面阵列控温等;4)可靠性高特性:热电制冷机具有很高的可靠性,其寿命一般大于200000h,因此可用于需要高可靠性的领域,如空间科学实验温控、空间遥感、空间红外探测等。

结语

本文所设计的基于热电制冷技术的降温服，能够有效降低高温环境对人体健康的危害性，对于应急救援、人员安全评估等公共安全领域有着重要意义。由于我国劳动群体基数大和地域差异性，导致不同个体对温度敏感程度不同，在后续研究中，应扩大不同地区受试者样本量。同时结合无线传感技术，采用微型传感器等先进技术实测高温环境下机体的核心温度、心率、呼吸频率等多生理参数，对高温环境下机体生理参数进行实测分析，减小实验误差，提高实验的准确性。

参考文献

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