周武洋，王 勇

(重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400045)

熱電制冷又稱溫差電制冷或半導(dǎo)體制冷。熱電制冷有結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械運(yùn)動部件、無制冷劑、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防、醫(yī)療、科研、通信、航海、農(nóng)業(yè)、動力及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，但由于熱電制冷器的效率較低、加工制造工藝較復(fù)雜，限制了它的推廣和應(yīng)用[1-3]。目前，研究人員在理論模擬、熱電材料、溫差電對結(jié)構(gòu)等方面做了大量研究工作，取得很大成果，其中理論方面的研究已達(dá)到相對成熟的程度[4]。因此，目前熱電制冷的研究方向主要在熱電材料、溫差電對結(jié)構(gòu)及冷熱端強(qiáng)化散熱方式[5]等。在熱電材料方向，前蘇聯(lián)約飛院士發(fā)現(xiàn)摻雜的半導(dǎo)體材料有良好的發(fā)電和制冷性能[6]后，推動了研究者在此領(lǐng)域的研究熱潮。現(xiàn)有熱電器件的轉(zhuǎn)化率可達(dá)10%，與傳統(tǒng)壓縮機(jī)的制冷效率還有很大差距[7]。但當(dāng)熱電材料的性能足夠好時，其效率可無限接近卡諾循環(huán)效率，因此探索新型的熱電材料、提高現(xiàn)有材料的熱電性能是現(xiàn)有熱電材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8]。在溫差電對結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可以通過優(yōu)化設(shè)計半導(dǎo)體制冷模塊，減小半導(dǎo)體制冷模塊的理想性能系數(shù)和實(shí)際性能系數(shù)間的差值，提高半導(dǎo)體制冷器的實(shí)際制冷性能[9]。

現(xiàn)有的強(qiáng)化散熱方式主要有：自然對流散熱、強(qiáng)迫對流散熱、水冷散熱、相變沸騰換熱等[10]。李茂德和盧希紅[11]用熱電制冷性能與熱端散熱強(qiáng)度之間的微分方程，在第三類邊界條件下得到熱電制冷性能與熱端散熱強(qiáng)度之間的關(guān)系。任欣和張鵬[12]給出熱電制冷器在有限的熱端散熱強(qiáng)度下不同制冷工況的實(shí)驗研究，并推導(dǎo)出最佳工況下熱電制冷器的工作電流和制冷量的近似公式。金剛善等[13]研究小空間中，散熱器和散冷器的結(jié)構(gòu)對熱電制冷效率的影響。簡棄非等[14]研究制冷空間溫度在冷端自然對流和強(qiáng)制對流狀態(tài)下隨時間變化的規(guī)律。而散熱強(qiáng)度對于熱電制冷性能影響的實(shí)驗，現(xiàn)有文獻(xiàn)報道較少；且散冷強(qiáng)度對于熱電制冷性能影響的研究也處于薄弱環(huán)節(jié)。

本文擬通過實(shí)驗的方式，研究并驗證散熱強(qiáng)度、散冷強(qiáng)度對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。

1 熱電制冷原理

熱電制冷是基于熱電效應(yīng)的應(yīng)用，主要是帕爾帖效應(yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用。使用的熱電制冷裝置是由熱電效應(yīng)比較顯著、熱電效應(yīng)效率比較高的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成的。

如利用一只p型半導(dǎo)體元件和一個n型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上端面一個接頭處，電流方向是n→p，溫度下降并且吸熱，即為冷端。在下端面一個接頭處，電流方向是p→n，溫度上升并且放熱，此為熱端。其流程詳見圖 1。

圖1 熱電制冷原理圖Fig.1 Schematic diagram of thermoelectric refrigerator

在熱電偶通上電流后，交接面附近在1 s內(nèi)放出或吸收的熱量Qp(帕爾帖熱)。如果在放熱的接頭上提前做好散熱措施，使它保持一定的溫度Th，則另一接頭開始冷卻。直到從周圍介質(zhì)傳入這個接頭的熱量Q0和沿著電偶臂傳入的熱量Qhc的總和等于所吸收的帕爾帖熱量Qp時，即

Qp=Q0+Qhc，

(1)

此時冷接頭的溫度達(dá)到平衡，溫度為Tc。

制冷工況下，熱電制冷器冷端從被冷介質(zhì)吸收的熱量稱為產(chǎn)冷量，產(chǎn)冷量的表達(dá)式為

Q0=Qp-Qhc.

(2)

熱端放出熱量Qh的表達(dá)式為

Qh=Q0+ω，

(3)

式中ω為制冷過程中所消耗的電功率。

熱電制冷器熱端冷卻所需的熱量，和其他形式的制冷機(jī)一樣，等于有效產(chǎn)冷量與所消耗的電功率之和[15]。若熱端面的溫度無法穩(wěn)定，則冷端無法持續(xù)制冷，即使初始產(chǎn)生制冷效果，隨后也會隨著熱端溫度的上升被Qhc抵消，從而變成放熱源，導(dǎo)致制冷量下降。當(dāng)熱端散熱能力增強(qiáng)，熱電制冷器的輸入功率不變時，Q0會增大，即制冷量增加。所以解決好熱電制冷器的散熱問題對制冷效率的提高起到至關(guān)重要的作用[16]。

2 實(shí)驗及測量系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗系統(tǒng)

實(shí)驗的目的是測試得到不同散熱強(qiáng)度和散冷強(qiáng)度下熱電制冷的散熱器和散冷器的耦合溫度曲線，以及獲得制冷空間不同測點(diǎn)溫度曲線；最終得到熱端強(qiáng)制對流與冷端強(qiáng)制對流對熱電制冷性能及制冷空間溫度分布的影響規(guī)律。

本次實(shí)驗采用的熱電制冷器是TEC1-12706，具體參數(shù)見表 1。

表1 TEC1-12706參數(shù)表Table 1 Parameter Table for TEC1-12706

熱電制冷器兩端分別連接一個肋片型散熱器，一個用于散熱，一個用于散冷(在本文中分別稱為散熱器和散冷器)。本實(shí)驗所用散熱器和散冷器的相關(guān)尺寸見表 2。

表2 散熱器和散冷器參數(shù)表Table 2 Parameter Table for radiators and coolers

在熱電制冷器兩端抹導(dǎo)熱硅膠，以減少接觸熱阻，并使接觸面平滑充分接觸。在散熱器和散冷器之間、熱電制冷器四周填充隔熱墊片，以減少散熱器和散冷器之間的傳熱，并防止在組裝的過程中將熱電制冷器壓壞。散熱器端和散冷器端外側(cè)各有一個小風(fēng)扇，分別稱為散熱風(fēng)扇和散冷風(fēng)扇，其相關(guān)參數(shù)見表 3。

制冷空間采用的是泡沫箱，泡沫箱能起到一定的保溫隔熱作用，且壁面易打孔；既滿足實(shí)驗需求，也方便實(shí)驗操作。其相關(guān)尺寸見表 4。

表3 散熱風(fēng)扇和散冷風(fēng)扇參數(shù)表Table 3 Parameter Table for radiator fan and cooler fan

表4 制冷空間尺寸Table 4 Cooling space size

泡沫箱頂部開有40 mm×45 mm的開口用于安裝熱電制冷器的散冷器，整個實(shí)驗系統(tǒng)外觀如圖 2所示。

圖2 實(shí)驗系統(tǒng)外觀圖Fig.2 Experimental system appearance

2.2 測量系統(tǒng)

實(shí)驗所用泡沫箱內(nèi)的測點(diǎn)布置在箱頂正中間軸線上，從箱體一側(cè)面正中間開孔，在軸線上依次布置測點(diǎn)1～3號，每個測點(diǎn)間的間距為36 mm，測點(diǎn)分布見圖 3。制冷空間的溫度和肋片溫度都用銅-康銅熱電偶測量，通過Agilent34972A儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在進(jìn)行實(shí)驗數(shù)據(jù)測量之前，用水銀溫度計對其進(jìn)行標(biāo)定，本實(shí)驗標(biāo)定所用水銀溫度的精度為0.1 ℃，所以本實(shí)驗傳感器的精度為0.1 ℃，故實(shí)驗數(shù)據(jù)保留小數(shù)點(diǎn)后2位。

1 TEC1-12706；2 隔熱墊片；3 散熱器；4 散冷器； 5 散熱風(fēng)扇；6 散冷風(fēng)扇；7 測點(diǎn)；8、9 直流變壓器。圖3 實(shí)驗系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of experimental system

3 實(shí)驗工況與設(shè)計

為研究并驗證散熱強(qiáng)度、散冷強(qiáng)度對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響，本次實(shí)驗分為3組：第1組是研究散熱器自然對流和強(qiáng)制對流對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。第2組是研究散熱強(qiáng)度對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。第3組是研究散冷器自然對流和強(qiáng)制對流對熱電制冷性能和制冷空間溫度的影響。3組實(shí)驗輸入條件見表 5。

表5 3組實(shí)驗輸入條件Table 5 Three sets of experimental input conditions

由于不同工況的實(shí)驗是在不同時刻進(jìn)行的，散熱環(huán)境溫度是不同的，所以溫度曲線的初始值不同，為便于分析以及消除室外環(huán)境的影響，本文溫度曲線圖中的所有溫度值都是實(shí)測值與其對應(yīng)的散熱環(huán)境溫度值的差值(在本文中均定義為相對溫度)，每組實(shí)驗對應(yīng)的散熱環(huán)境溫度見表 5。

4 實(shí)驗結(jié)果與分析

4.1 散熱器自然對流和強(qiáng)制對流對比試驗

由圖 4(a)可知，散熱器強(qiáng)制對流散熱可改變熱電制冷性能。冷熱端均為自然對流散熱時，散熱器的相對溫度隨時間持續(xù)上升，散冷器的相對溫度先下降到最低值然后上升，且在實(shí)驗進(jìn)行到600 s時，散熱器的相對溫度為26.05 ℃，散冷器的相對溫度為-3.97 ℃。散熱器端強(qiáng)制對流散熱時，散熱器的相對溫度先上升到3.20 ℃后穩(wěn)定，散冷器的相對溫度先下降到-20.00 ℃后穩(wěn)定。

增強(qiáng)散熱強(qiáng)度能夠提高熱電制冷性能。由公式(3)可知，強(qiáng)制對流強(qiáng)化了熱端散熱，散熱量增加，輸入功率不變，熱電制冷性能提高。實(shí)際工程中，需要保證熱端散熱量滿足熱電制冷器的散熱需求，才能實(shí)現(xiàn)熱電制冷器持續(xù)穩(wěn)定的工作。

由圖 4(b)可知，在冷熱端均為自然對流的工況下散熱器與散冷器的溫差最終維持在30 ℃左右；在散熱器端強(qiáng)制對流的工況下散熱器與散冷器的溫差最終維持在24 ℃左右。

圖4 散熱器自然對流和強(qiáng)制對流工況相對溫度曲線圖Fig.4 Relative temperature curves of radiators under natural convection and forced convection

增強(qiáng)散熱強(qiáng)度，散熱器和散冷器溫差會減小。熱端散熱器強(qiáng)制對流散熱，使熱端熱量(帕爾帖熱、焦耳熱、傳導(dǎo)熱)迅速傳遞出去，防止熱量堆積，散熱器溫度持續(xù)升高；熱端散熱器自然對流時，熱量堆積無法迅速傳遞出去，使更多的熱量流向冷端。因此，熱端強(qiáng)制對流散熱時，散熱器和散冷器溫差小。實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)采取合理的措施加快熱端熱量散出，避免熱量堆積造成熱電制冷無法實(shí)現(xiàn)。

由圖 5可知，制冷空間內(nèi)3個溫度測點(diǎn)的相對溫度曲線中測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的相對溫度值比較接近，測點(diǎn)3相對溫度與測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的相對溫度相比都偏高，這是由于在測點(diǎn)3這一側(cè)的側(cè)壁上開洞布置3個測點(diǎn)的銅-康銅熱電偶線，洞口處內(nèi)外有溫差形成對流，外部的熱空氣會進(jìn)入內(nèi)部，使測點(diǎn)3的相對溫度略高于其他兩個測點(diǎn)的相對溫度。

冷熱端均為自然對流工況下，制冷空間相對溫度與散冷器相對溫度溫差最大達(dá)到7 ℃左右(圖5(a))。散熱器端強(qiáng)制對流工況下，制冷空間相對溫度與散冷器相對溫度溫差最大達(dá)到14 ℃左右(圖5(b))。散冷器端為自然對流時，制冷空間與散冷器的溫差偏大(與4.3節(jié)中的實(shí)驗數(shù)據(jù)相比)，不能充分利用熱電制冷器產(chǎn)生的冷量，造成能源浪費(fèi)，降低熱電制冷器的效率。

散熱器強(qiáng)制對流和自然對流工況下，制冷空間相對溫度曲線的變化趨勢都與相應(yīng)工況下的散冷器相對溫度曲線變化趨勢一致。增強(qiáng)散熱強(qiáng)度能夠快速降低并穩(wěn)定散冷器的相對溫度，散冷器與制冷空間空氣自然對流換熱，使制冷空間的相對溫度值維持在略低于初始相對溫度的值，但與散冷器相對溫度的穩(wěn)定值相差較大。散熱器強(qiáng)制對流強(qiáng)度的變化，對制冷空間溫度基本無影響，僅能實(shí)現(xiàn)散冷器溫度的改變。

圖5 不同散熱器工況下散冷器與制冷空間相對溫度分布曲線Fig.5 Relative temperature curves of the cooler and the cooling space under the different heat dissipation situations

4.2 散熱器不同散熱強(qiáng)度對比試驗

在進(jìn)行散熱器不同散熱強(qiáng)度對比試驗前，先對散熱強(qiáng)度進(jìn)行定量，即通過改變散熱風(fēng)扇輸入電壓實(shí)現(xiàn)散熱強(qiáng)度的改變。實(shí)驗中，散熱風(fēng)扇分別在輸入電壓為5、7、9、11和12 V時，測量得到散熱強(qiáng)度對應(yīng)的風(fēng)量值。其結(jié)果如表 6所示。

表 6 不同電壓下散熱風(fēng)扇風(fēng)量Table 6 Air volumes of radiator fan at different voltage values

圖6是散熱強(qiáng)度依次為表 6中各實(shí)驗條件時，各自所對應(yīng)的散熱器和散冷器相對溫度曲線。

圖6 不同散熱強(qiáng)度下散熱器和散冷器相對溫度曲線Fig.6 Relative temperature curves of radiator and cooler under different heat dissipation strengths

由圖6可知，由于熱電制冷器散熱器和散冷器的溫度呈耦合變化規(guī)律，因此熱電制冷器輸入電壓為定值(即輸入電壓為7 V)時，散熱強(qiáng)度(在19.05～37.96 m3/h范圍內(nèi))的增加，有利于提高熱電制冷性能，散熱器和散冷器溫相對溫度均逐漸降低。散熱風(fēng)量影響熱電制冷器性能的機(jī)理是散熱風(fēng)量所帶走的熱量和熱電制冷器需要帶走的熱量之間的相對大小，散熱風(fēng)量帶走的熱量大于所需要帶走的熱量，會使散熱器和散冷器溫度降低，從而提高熱電制冷性能。

給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，熱電制冷性能與散熱強(qiáng)度成正比，但熱電制冷性能增加伴隨著散熱風(fēng)扇輸入功率的消耗，所以存在最佳散熱風(fēng)量，使得散熱風(fēng)扇和熱電制冷器的輸入功耗和為極小值，從而實(shí)現(xiàn)熱電制冷器制冷性能最佳。代偉[17]在分析第3類邊界條件下熱電制冷性能與熱端散熱強(qiáng)度之間的微分方程進(jìn)行數(shù)值計算所得的曲線時和趙亮等[18]在研究熱端液體散熱工況下熱電制冷器功率與散熱性能間的關(guān)系時，得到了與此相同的結(jié)論。實(shí)際工程中，熱端散熱方式及散熱量的選取確定，既要滿足熱電制冷器實(shí)際工作環(huán)境的需要，也要考慮經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

4.3 散冷器自然對流和強(qiáng)制對流對比試驗

由圖 7(a)可知，散冷風(fēng)扇不能改變散熱器和散冷器相對溫度曲線趨勢。有無散冷風(fēng)扇，散熱器的相對溫度均隨著時間持續(xù)上升，散冷器的相對溫度均先下降到最低值，然后持續(xù)上升，散冷風(fēng)扇對熱電制冷性能無作用。

由公式(1)可知，當(dāng)散熱器端的散熱無法滿足熱電制冷器需求時，熱端溫度無法穩(wěn)定，冷端則無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定制冷。即使冷熱端仍能實(shí)現(xiàn)熱交換，散熱器因為熱量Qh的堆積，熱量無法快速散出導(dǎo)致熱端溫度持續(xù)升高；散冷器則因為Qhc隨著冷熱端溫差增大而增大，致使Q0隨著溫差增大而減小，直至冷端不再吸熱變成放熱。在實(shí)際應(yīng)用中，一定要保證熱端散熱量滿足熱電制冷器的需求，否則熱電制冷器將無法持續(xù)穩(wěn)定工作，且經(jīng)過一段時間的熱量積累將會燒壞熱電制冷器。

由圖 7(b)可知，在冷熱端均為自然對流的工況時散熱器與散冷器的溫差最終維持在30 ℃左右；在散冷器端強(qiáng)制對流的工況時散熱器與散冷器的溫差最終維持在24 ℃左右。

散冷器端散冷強(qiáng)度增強(qiáng)也會使散熱器和散冷器的溫差減小。散冷器端散冷風(fēng)扇工作，實(shí)現(xiàn)周圍空氣與其循環(huán)換熱，溫度升高，因此散冷器和散熱器溫差減小。

圖7 散冷器自然對流和強(qiáng)制對流工況相對溫度曲線圖Fig.7 Relative temperature curves of a cooler under natural convection and forced convection

由圖8可知，冷熱端均為自然對流工況下和熱端自然對流、冷端強(qiáng)制對流工況下，制冷空間相對溫度曲線的變化趨勢都與對應(yīng)工況下的散冷器相對溫度曲線變化趨勢一致。

冷熱端均為自然對流工況時，制冷空間與散冷器最大溫差達(dá)7 ℃左右。散冷器端強(qiáng)制對流工況時，制冷空間與散冷器最大溫差達(dá)2 ℃左右。

在強(qiáng)制對流作用下，散冷器散發(fā)的冷量得以迅速傳遞到制冷空間，空氣溫度與散冷器溫度差較小，可充分利用熱電制冷器產(chǎn)生的冷量。實(shí)際工程中，需要加強(qiáng)散冷器與制冷空間的強(qiáng)化換熱，才能保證充分利用熱電制冷器的冷量及制冷空間溫度分布的均勻性。

增強(qiáng)散冷強(qiáng)度不能使制冷空間的溫度穩(wěn)定，會使制冷空間溫度隨著散冷器溫度波動，制冷過程中，制冷空間溫度與散冷器始終保持較小溫差。

圖8 不同散冷器工況下散冷器與制冷空間相對溫度分布曲線Fig.8 Relative temperature curves of the cooler and cooling space under the different cooling situations

5 結(jié)論

1)給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，熱端強(qiáng)制對流能滿足散熱需求，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定制冷，而自然對流無法實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)驗條件下，熱端自然對流時，制冷空間無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的制冷效果；在實(shí)驗時間內(nèi)散熱器相對溫度由初始的0 ℃持續(xù)上升至26.05 ℃；散冷器的相對溫度由0 ℃先降至-10.29 ℃，而后開始持續(xù)上升，到600 s時相對溫度上升至-3.97 ℃。熱端強(qiáng)制對流最終將散熱器和散冷器的相對溫度分別穩(wěn)定在3.20和-20.00 ℃。

2)給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，熱電制冷性能與散熱強(qiáng)度成正比，但熱電制冷性能增加伴隨著散熱風(fēng)扇功率的消耗，所以在滿足制冷空間控制溫度需求的情況下，存在最佳散熱風(fēng)量，使得散熱風(fēng)扇和熱電制冷的輸入功耗和為極小值，此時熱電制冷器的綜合能效最佳。

3)給定的熱電制冷器，在確定的輸入條件下，冷端強(qiáng)制對流相對自然對流加快了散冷器與制冷空間空氣熱交換，減小了散冷器與制冷空間溫差。在本實(shí)驗條件下，冷端自然對流時，散冷器與制冷空間最大溫差達(dá)7 ℃，而強(qiáng)制對流可減小至2 ℃。