(南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 南京 210094)

熱電制冷(TEC)完全不同于蒸發(fā)壓縮式制冷和吸收式制冷，是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方式，是帕爾貼效應(yīng)(Peltier effect)在制冷方面的應(yīng)用，可以直接將電能轉(zhuǎn)化為溫度梯度從而進(jìn)行制冷[1]。

熱電制冷最早始于19世紀(jì)，德國(guó)科學(xué)家賽貝克發(fā)現(xiàn)不同導(dǎo)體接頭處存在溫差時(shí)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)——賽貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。而后帕爾貼又發(fā)現(xiàn)不僅溫差會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，電勢(shì)也會(huì)產(chǎn)生溫差的帕爾帖效應(yīng)，由此開始了熱電制冷的研究。隨后，熱力學(xué)創(chuàng)始人之一的湯姆遜從理論方面展開了對(duì)于熱電制冷的研究，發(fā)現(xiàn)了影響熱電制冷的另一種可逆的湯姆遜效應(yīng)(Thomson effect)。熱電制冷由這3種可逆效應(yīng)和不可逆的焦耳效應(yīng)(Joule effect)及傅里葉效應(yīng)(Fourier effect)組成[2]。

圖1 熱電制冷原理

熱電制冷的原理如圖1所示。熱電制冷器內(nèi)部由多對(duì)P、N型半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)的熱電偶組成。受帕爾貼效應(yīng)影響，通電情況下熱電偶會(huì)產(chǎn)生一端吸熱，另一端放熱的現(xiàn)象。這種熱電制冷器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、制冷迅速和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]，但也存在制冷效率低的問題，同時(shí)對(duì)于材料的高度依賴性、制造成本高等因素也制約了其發(fā)展。

近年來，熱電制冷除了應(yīng)用于軍工、航天、醫(yī)療[4-5]以及科學(xué)研究等傳統(tǒng)方面，也逐漸與人們的生活變得越來越密切，越來越多的熱電制冷被研究用于商業(yè)化的汽車[6]、冰箱[7]、空調(diào)[8]等方面。

對(duì)于熱電制冷的研究，目前主要集中在高優(yōu)值系數(shù)(ZT)熱電材料的研究與制造、基于已定熱電材料的性能優(yōu)化及應(yīng)用推廣[9-10]等方面。盡管近年來熱電材料已有較多的研究成果，使優(yōu)值系數(shù)有了相應(yīng)提高，但一些高優(yōu)值系數(shù)的材料目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在復(fù)制和大規(guī)模制造困難等問題，商業(yè)化的高優(yōu)值系數(shù)材料依然有待發(fā)展[11]。因此如何對(duì)現(xiàn)有的熱電材料進(jìn)行優(yōu)化和應(yīng)用，挖掘其“潛力”，成為具有現(xiàn)實(shí)意義的重要研究方向。本文從近些年熱電制冷的應(yīng)用和優(yōu)化兩方面出發(fā)，對(duì)熱電制冷的研究進(jìn)展進(jìn)行了相應(yīng)的分析總結(jié)，希望可以為熱電制冷在實(shí)際應(yīng)用中的推廣及其性能提升提供參考和幫助。

1 熱電制冷的應(yīng)用

隨著電子器件的不斷發(fā)展以及人們對(duì)于高品質(zhì)生活的追求，熱電制冷以其體積小、重量輕、控溫準(zhǔn)確以及制冷迅速等優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)生活的各領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[12-13]。為發(fā)揮熱電制冷的優(yōu)勢(shì)及彌補(bǔ)制冷效率低的問題，近年也形成了很多熱電制冷與其他系統(tǒng)復(fù)合的形式。復(fù)合系統(tǒng)的出現(xiàn)及材料性能和制造技術(shù)的不斷提升，使得大功率的熱電制冷模塊陣列在大型負(fù)荷場(chǎng)所也得到越來越多的應(yīng)用。

1.1 熱電冰箱

在家用熱電冰箱領(lǐng)域，D. Astrain等[14-15]采用新型熱管散熱，以優(yōu)化散熱方式提高了熱電冰箱的COP。后針對(duì)熱電冰箱制冷效率低和蒸氣壓縮式溫度波動(dòng)大的缺點(diǎn)，又提出并改進(jìn)了一種熱電制冷與蒸氣壓縮式相結(jié)合的混合式冰箱[16-17]，該冰箱既能精準(zhǔn)控制冰箱內(nèi)部溫度又有較高的COP，對(duì)高級(jí)食材和藥物的保存起到了較好的幫助。在戶外旅行和汽車領(lǐng)域， Dai Y. J. 等[18-19]利用普通電池和太陽能光伏電池都能直接供電的特性，對(duì)太陽能電池驅(qū)動(dòng)的便攜式熱電冰箱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，并改善了其應(yīng)用性能。S. A. Abdul-Wahab等[20]設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)便攜式熱電冰箱并對(duì)其進(jìn)行了性能檢測(cè)，結(jié)果表明熱電冰箱的制冷速度很快，但COP僅約為0.16。在醫(yī)療領(lǐng)域，對(duì)于疫苗、血清以及其他生物產(chǎn)品的運(yùn)輸和保存有著嚴(yán)格的溫度控制要求，對(duì)此He Rongrong等[21]研制了一種便攜式熱電制冷冰箱，該熱電冰箱既能夠穩(wěn)定的保持藥物所需溫度，也具有較好的便攜性，相比傳統(tǒng)制冷冰箱優(yōu)勢(shì)顯著。

1.2 熱電空調(diào)

S. B. Riffat等[22]就熱電空調(diào)與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調(diào)、吸收式空調(diào)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明熱電空調(diào)制冷COP僅在0.38～0.45范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空調(diào)。Shen Limei等[23-24]為提升熱電空調(diào)的性能，先后提出并改進(jìn)了一種熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)(TE-RAC)。主要以熱電模塊陣列作為輻射板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水合板，改進(jìn)后的熱電輻射空調(diào)制冷COP能夠達(dá)到0.78～1.07，相比傳統(tǒng)熱電空調(diào)有了很大改善。. G. Miranda等[6]對(duì)電動(dòng)汽車用的熱電空調(diào)進(jìn)行了可行性研究，以熱電模塊為負(fù)載、太陽能電池為可再生能源、高功率鋰離子電池為儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)了一套熱電空調(diào)系統(tǒng)。A. Attar等[25]指出使用熱電空調(diào)系統(tǒng)可以靈活冷卻指定區(qū)域，而非所有空間，能夠有效降低由于熱電空調(diào)COP低所導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。此外他們還對(duì)汽車用熱電空調(diào)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[26]，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明優(yōu)化后車用熱電空調(diào)制冷COP能夠達(dá)到1.7。

在熱電空調(diào)的舒適性方面，K. Irshad等[27-28]對(duì)熱電風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)(TE-AD)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在熱帶氣候地區(qū)，熱電風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)在舒適性方面顯示出了對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)的良好替代性。在此基礎(chǔ)上K. Irshad等[29]研究了在房間外墻的南面設(shè)立太陽能與TE-AD相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可有效降低室內(nèi)熱負(fù)荷，提高系統(tǒng)制冷功率及COP，為建筑節(jié)能提供了有利條件。

1.3 電子設(shè)備冷卻

在電子設(shè)備的冷卻方面，S. O. Tan等[30]研究表明電腦在熱電冷卻下的性能優(yōu)于空冷和水冷，對(duì)其溫度測(cè)定結(jié)果也表明熱電冷卻下的電腦溫度平均約為33 ℃，遠(yuǎn)低于其他冷卻方式的下平均溫度。Liu Di等[31]將微型熱電制冷器與微型熱管相結(jié)合用于CPU的散熱，有效抑制了CPU功率過大時(shí)溫度的大幅上升。扶新等[32]將熱電制冷用于CPU散熱時(shí)考慮了結(jié)露問題，并對(duì)熱電制冷器的冷量控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在半導(dǎo)體激光器的溫度控制方面，Zhang Wei等[33]指出激光器的性能與其熱控制系統(tǒng)關(guān)系密切，在不使用熱電制冷器降溫的情況下，激光器內(nèi)光學(xué)芯片的溫度會(huì)高達(dá)227 ℃，而熱電制冷器的應(yīng)用能夠有效地將芯片溫度控制在30～40 ℃，使得激光器能夠更穩(wěn)定、更高效的工作。根據(jù)國(guó)內(nèi)醫(yī)療成像的實(shí)際問題，傅明星等[34-38]研制了一套熱電制冷攝像機(jī)，通過熱電制冷器為成像器件創(chuàng)造了恒定的低溫環(huán)境，有效提高了攝像器件的信噪比及攝像機(jī)品質(zhì)。

在微電子領(lǐng)域，傳統(tǒng)塊狀熱電制冷器體積較大，與微電子制造工藝不兼容，這使其應(yīng)用受到很大限制。而平面薄膜熱電制冷器[39]的出現(xiàn)，以其微型化特性及與標(biāo)準(zhǔn)集成電路(IC)的良好兼容性，被廣泛的集成到了微電子電路中。Su Yu等[40]對(duì)用于芯片冷卻的薄膜熱電冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬研究，分析了接觸電阻和熱阻對(duì)其性能的影響。劉光裕[41]基于通信用激光器的散熱，研究了一款薄膜熱電制冷器，以控制激光器的內(nèi)部溫度。劉向陽等[42-43]基于熱電材料的進(jìn)步，分別對(duì)小型、微型熱電器件的研究和應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，為熱電制冷的相關(guān)研究提供了幫助。

1.4 熱電復(fù)合系統(tǒng)

1.4.1 熱電制冷與太陽能

太陽能作為一種長(zhǎng)效清潔能源與熱電制冷系統(tǒng)相結(jié)合具有非常好的季節(jié)和晝夜匹配性。且太陽能可以解決熱電制冷的電源問題，熱電制冷也可以提高光伏發(fā)電效率。所以各種熱電制冷與太陽能形成復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣。

S. Soltani等[44-45]發(fā)現(xiàn)光伏電池板的發(fā)電效率受面板溫度影響很大，隨著面板溫度的升高，光伏組件的輸出功率下降，且電池退化加速，降低了光伏組件的效率和壽命。因此，A. Kane等[46]設(shè)計(jì)研究了用于降低光伏發(fā)電腔溫度的熱電制冷器，結(jié)果表明在一定溫度和光照范圍內(nèi)，該裝置能有效提高發(fā)電能力、延長(zhǎng)光伏組件壽命。

Liu Zhongbing等[47]在零耗能建筑的研究中指出太陽能熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)和太陽能蓄能空調(diào)系統(tǒng)的COP分別可達(dá)1.90和1.22，均優(yōu)于常規(guī)熱電制冷系統(tǒng)。Shen Limei等[48]在零耗能建筑的研究中將熱電制冷(TEC)和熱電發(fā)電(TEG)與太陽能相結(jié)合，TEC用于熱電輻射頂板和一次空氣處理裝置中，為室內(nèi)提供良好的熱舒適和新鮮空氣，TEG則與太陽能光伏電池板相結(jié)合，用于改善發(fā)電效率。在電源方面，M. A. Muoz-García等[49]利用太陽能驅(qū)動(dòng)熱電制冷模塊進(jìn)行冷凝集水，用于干旱地區(qū)幼樹的灌溉方面。熱電制冷與太陽能復(fù)合系統(tǒng)還包括太陽能熱電制冷背包[50]及太陽能熱電冰箱等。

1.4.2 熱電與蒸氣壓縮式復(fù)合制冷系統(tǒng)

陳波等[51-52]提出利用熱電制冷來提高蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的過冷度，降低節(jié)流損失，從而提高系統(tǒng)的整體制冷性能。在與家用空調(diào)的復(fù)合制冷系統(tǒng)方面，金聽祥等[53]研究表明用熱電制冷器提高冷凝器出口的過冷度，可以明顯提高系統(tǒng)的制冷量和系統(tǒng)性能系數(shù)。J. Sarkar等[54-55]在提升CO2跨臨界制冷性能的研究中指出，在CO2制冷系統(tǒng)中使用熱電制冷器進(jìn)行過冷，不僅可以提高制冷COP和系統(tǒng)的容積冷卻能力，還能降低系統(tǒng)的高側(cè)壓力、壓縮機(jī)壓力比和壓縮機(jī)排氣溫度。S. Jamali等[56]對(duì)熱電與跨臨界CO2復(fù)合制冷系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，利用兩級(jí)熱電發(fā)電機(jī)從氣體冷卻器的余熱中產(chǎn)生電能。與簡(jiǎn)單的CO2制冷循環(huán)對(duì)比表明，該復(fù)合系統(tǒng)的COP提高約19%。

1.4.3 熱電與蒸發(fā)冷卻復(fù)合制冷系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻是一種高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的冷卻方式，在空氣調(diào)節(jié)方面有著非常廣泛的應(yīng)用，但蒸發(fā)冷卻在溫和潮濕環(huán)境中，冷卻能力受到很大限制。且外界空氣條件不穩(wěn)定時(shí)，單一的蒸發(fā)冷卻不能保證性能的穩(wěn)定。孫哲等[57]提出將蒸發(fā)冷卻與熱電制冷相結(jié)合的復(fù)合制冷系統(tǒng)，并對(duì)蒸發(fā)冷卻與半導(dǎo)體制冷相結(jié)合的分體式蒸發(fā)空調(diào)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

孫哲等[58-59]指出通過蒸發(fā)冷卻技術(shù)既可制取冷風(fēng)也可制取冷水，但制取的空氣和冷卻水的溫度只能理論上接近被處理空氣的濕球溫度或露點(diǎn)溫度，不能滿足較高需求場(chǎng)合的要求。而在熱電與蒸發(fā)冷卻復(fù)合系統(tǒng)中，通過熱電制冷對(duì)蒸發(fā)冷卻制取的冷水進(jìn)一步冷卻，即可達(dá)到較高溫度要求。這種復(fù)合系統(tǒng)[60]的優(yōu)勢(shì)在于，熱電制冷對(duì)蒸發(fā)冷卻有著補(bǔ)充和輔助調(diào)節(jié)的作用，蒸發(fā)冷卻制取的接近濕球溫度的水可為熱電制冷的熱端進(jìn)行散熱，使熱電制冷性能得到提升。

1.4.4 其他復(fù)合系統(tǒng)

在復(fù)合熱泵系統(tǒng)中，Zhu Lin等[61]將熱電制冷器與空氣源熱泵相結(jié)合，通過熱電冷卻器的冷端進(jìn)行制冷劑的過冷，熱端作為輔助加熱，充分利用熱電模塊的冷熱能，有效提高了熱泵機(jī)組的性能。在復(fù)合系統(tǒng)除濕領(lǐng)域，鄭宇薇等[62]建立了熱電制冷與固體除濕相結(jié)合的除濕裝置，基于固體除濕劑的除濕特性，使熱電制冷器的冷端溫度可以不低于露點(diǎn)的溫度進(jìn)行除濕，且利用熱端的熱量幫助固體吸濕材料進(jìn)行再生。復(fù)合系統(tǒng)也包括熱電制冷與膜蒸餾相結(jié)合[63]、熱電制冷與相變儲(chǔ)熱相結(jié)合[64]等多方面應(yīng)用。

1.5 其他方面的應(yīng)用

熔融材料的成型質(zhì)量對(duì)溫度的要求非常高，溫度較高則材料成型過程中易產(chǎn)生拉絲，而溫度較低則容易干裂和變形。呂逸飛[65]將控溫準(zhǔn)確、冷熱轉(zhuǎn)換方便的熱電制冷技術(shù)用于熔融材料溫度的控制。等電聚焦裝置(IEF)在科學(xué)研究中，特別是在蛋白質(zhì)組學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。由于裝置工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多焦耳熱，對(duì)蛋白質(zhì)分離有不利影響，溫度控制是IEF運(yùn)行的關(guān)鍵。Hu H. M. 等[66]將熱電制冷器應(yīng)用于等電聚焦裝置中，以達(dá)到快速、精確控制溫度。為保證微納米測(cè)量的準(zhǔn)確性，蔡震[67]基于熱電制冷研制了一套高精度溫度控制系統(tǒng)，以控制溫度的穩(wěn)定。基于熱電制冷具有體積小、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，郭宗坤等[68-69]研制了一種基于熱電制冷技術(shù)的除濕裝置，用于改善電柜內(nèi)濕度過高、凝露等問題。此外還有便攜式淡水發(fā)生器[70]、飲料冷卻器[71]、熱電汽車座椅[72]、熱電制冷頭盔[73]等多方面的應(yīng)用。

2 熱電制冷性能優(yōu)化

熱電制冷的性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)除決定材料的優(yōu)值系數(shù)(ZT)外，還包括制冷量(Qc)、制冷系數(shù)(COP)及冷端溫度(Tc)等。由于熱電優(yōu)化一般不能使其整體性能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)[74]，所以熱電制冷優(yōu)化通常是針對(duì)部分性能進(jìn)行。本文也將從熱電制冷的結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)及熱端散熱等方面闡述熱電制冷的性能優(yōu)化。

2.1 熱電制冷結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熱電制冷器的核心是熱電模塊，而熱電制冷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目前主要集中在熱電模塊內(nèi)的P、N型熱電元件及熱電制冷器兩部分，所以本文將從這兩部分闡述熱電制冷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

熱電元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在熱電元件的臂長(zhǎng)(L)、面積(A)及對(duì)數(shù)等方面。 Min Gao等[75]通過模擬的方式，研究了熱電元件臂長(zhǎng)對(duì)于熱電制冷的影響，結(jié)果表明，COP會(huì)隨熱電元件L的減小而減小，而制冷量隨L減小而逐漸增加，直到達(dá)到其最大值。K. Pietrzyk等[76-79]對(duì)熱電元件的幾何因子G(G=L/A)、熱電元件對(duì)數(shù)(N)以及B因子等進(jìn)行了優(yōu)化研究，以獲得更低的冷端溫度。Wang Tianhu等[80]為提升熱電制冷的整體性能，對(duì)熱電制冷進(jìn)行了較為完整的參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，如兩級(jí)熱電模塊中的臂長(zhǎng)比(λ=L1/Lt)[81]，P、N型熱電元件所占面積比(φ=Ap/(Ap+An))，填充因子(γ=(Ap+An)/Apair)[82]以及兩級(jí)熱電對(duì)數(shù)比(ζ=N1：N2)[83-84]等。Lü Hao等[85-86]研究了變截面的熱電元件，以改進(jìn)熱電制冷的瞬態(tài)冷卻，如圖2所示。Lin Shumin等[87]做了關(guān)于變截面的梯形熱電元件優(yōu)化研究，以獲得更高的COP和更大的制冷量，值得注意的是此兩級(jí)熱電制冷模塊沒有中間陶瓷板存在，有效降低了兩級(jí)間的熱阻，如圖3所示。

圖2 變截面熱電元件

圖3 梯形熱電偶

熱電制冷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一部分集中在不同的級(jí)數(shù)和形式方面。因?yàn)椴煌?jí)數(shù)的熱電制冷器本身就是一種優(yōu)化，H. Nami等[88]綜合熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)兩方面對(duì)比了單級(jí)和兩級(jí)熱電制冷器，結(jié)果分析表明兩級(jí)熱電制冷器具有更大的能效和火用效，能達(dá)到更大的溫差，但單級(jí)熱電的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低。在多級(jí)制冷器方面，G. Karimi等[89]研究了熱電制冷器級(jí)數(shù)(S)及熱電對(duì)數(shù)比對(duì)于熱電制冷性能的影響。結(jié)果表明靠近熱端的熱電元件對(duì)數(shù)越多越有利于熱量的排出，可以達(dá)到的冷端溫度也越低?？紤]各級(jí)臂長(zhǎng)對(duì)于排熱量的影響，Yang Ronggui等[90-91]對(duì)多級(jí)熱電制冷器的各級(jí)臂長(zhǎng)進(jìn)行了相應(yīng)研究，結(jié)果表明靠近熱級(jí)的臂長(zhǎng)越短越利于熱端散熱。為適應(yīng)不同的應(yīng)用，熱電制冷器核心的熱電制冷模塊形狀也包括了環(huán)形、波紋形和薄膜形等不同的結(jié)構(gòu)形式[92-93]。

熱電制冷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的另一部分主要集中在熱電制冷器的熱管理方面。為此許多學(xué)者對(duì)冷熱端的熱導(dǎo)分配比(x=KhAh/KA)[94-97]、冷熱端面積分配比(f=Ac/Ah)[98-99]以及冷熱兩端熱阻匹配(Rh/Rc)[100]等方面進(jìn)行了優(yōu)化研究，通過調(diào)節(jié)吸熱量與排熱量的平衡，使熱電制冷器更高效運(yùn)行。

2.2 工作參數(shù)優(yōu)化

由于電流的增大不僅會(huì)使帕爾貼冷增加，也會(huì)使焦耳熱增大，所以制冷量和COP并非一直隨電流的增加而增加。對(duì)于只有一個(gè)工作電源的情況，電流大小只存在一個(gè)最優(yōu)電流Iopt，分別使COP、制冷量或冷端溫度最優(yōu)。而對(duì)于分離電流，由于使用了兩個(gè)或多個(gè)工作電流，所以系統(tǒng)最優(yōu)工況是多個(gè)電流耦合作用的結(jié)果。

Xuan X. C. 等[101]對(duì)不同電流連接形式下的兩級(jí)熱電制冷模塊，如串聯(lián)[102]、并聯(lián)[103]及分離電流[104]進(jìn)行了研究，如圖4所示。結(jié)果表明在相同幾何結(jié)構(gòu)下，串聯(lián)電流比并聯(lián)電流的最大溫差更大，而通過將串聯(lián)電流改為分離電流則可進(jìn)一步提高最大溫差。

圖4 不同電流連接形式的兩級(jí)熱電模塊

針對(duì)熱電制冷的瞬態(tài)效應(yīng)，越來越多研究人員[105-107]意識(shí)到施加脈沖電流相比于穩(wěn)態(tài)操作可以獲得更低的冷端溫度，在較小冷熱端溫差下可以明顯提高制冷效率等制冷強(qiáng)化作用。Lü Hao等[105]對(duì)單級(jí)和兩級(jí)熱電制冷模塊的脈沖電流影響進(jìn)行了研究對(duì)比，結(jié)果表明相比于單級(jí)熱電制冷器，兩級(jí)熱電制冷器在脈沖電流作用下得到的冷端溫度更低，過冷持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)且引起的過沖也更小。對(duì)于脈沖電流的波形而言，Lü Hao等[108-109]對(duì)t0、t1/2、t1、t2、t3、t4、t5這7個(gè)波形的脈沖電流進(jìn)行了深入研究，并指出最優(yōu)的脈沖波形與多種因素有關(guān)，如到達(dá)最低冷端溫度的時(shí)間tmin和脈寬τ等。Ma Ming等[110-112]對(duì)脈沖電流的幅值(Ip)和脈寬(τ)進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化研究，嘗試通過對(duì)脈沖電流參數(shù)的積極控制來提高瞬態(tài)過冷性能。由于過冷現(xiàn)象總是伴隨著溫度的過沖， Ma Ming等[113-114]模擬了在脈沖電流或連續(xù)脈沖電流作用下熱電模塊的溫度過沖特性。值得注意的是Shen L. M. 等[115]指出，脈沖電流的幅值超過一定界限后將不會(huì)產(chǎn)生過冷效應(yīng)，因?yàn)榻苟鸁嵊绊憰?huì)變得非常大，這也是熱電制冷器無法通過脈沖電流無限制降低冷端溫度的原因。

2.3 熱端散熱優(yōu)化

熱電模塊冷熱端溫差的增大會(huì)使熱電元件內(nèi)的Fourier導(dǎo)熱和Seebeck電勢(shì)增加，對(duì)熱電制冷性能產(chǎn)生很大的不利影響，所以優(yōu)化熱端散熱，對(duì)降低溫差、提升制冷性能至關(guān)重要。

2.3.1 翅片散熱

翅片散熱[116]是最普遍的一種熱端散熱方式，因形式簡(jiǎn)單、易于安裝、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于各種實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究。Cai Yang等[117-118]對(duì)用于電子器件冷卻的翅片散熱熱電制冷器進(jìn)行了相關(guān)研究，靈活的特性使其方便用于熱電制冷器的熱端。但該種散熱方式的散熱能力有限，且受環(huán)境溫度影響非常大，所以常用于熱流密度較小的場(chǎng)所。

2.3.2 循環(huán)流體散熱

循環(huán)流體冷卻散熱方式[102]利用了液體具有較高熱容的優(yōu)點(diǎn)，在熱電制冷的實(shí)驗(yàn)研究方面應(yīng)用廣泛。Huang H. S. 等[119-120]運(yùn)用循環(huán)流體散熱進(jìn)行熱電制冷的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，通過調(diào)節(jié)流體溫度和流速，研究了熱端傳熱系數(shù)對(duì)于熱電制冷性能的影響。這類散熱方式雖然散熱能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)靈活，但其配套設(shè)施需要水泵、水箱、控制閥門、流體側(cè)換熱器等一系列設(shè)備，不利于實(shí)際應(yīng)用。

2.3.3 高效散熱器散熱

熱管是利用相變特性帶走大量潛熱的高效換熱裝置，近年來在熱電制冷器熱端散熱方面的應(yīng)用越來越廣泛。Lee J. S. 等[121]通過實(shí)驗(yàn)與模擬的方法研究了熱端熱管散熱效果，結(jié)果表明熱端的傳熱系數(shù)可達(dá)5 400 W/(m2·K)。Shen Limei等[24, 122]研究了熱管對(duì)熱電制冷器性能的影響，結(jié)果表明熱管能夠有效強(qiáng)化熱端散熱效果，整體提升了熱電制冷性能。

微通道散熱器是一類結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、高效的換熱器，具有單位體積傳熱效率高的特點(diǎn)。Chein R. 等[123-124]研究了將微通道用在熱電制冷器的熱端散熱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于體積小、熱流密度大的熱端散熱有很好的效果，有效降低了熱端熱阻。

2.3.4 納米流體散熱

納米流體是近年來較為熱門的研究方向，主要是向水、醇等流體中加入一定的納米粒子，以增加流體的導(dǎo)熱性能，在強(qiáng)化散熱領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。S. K. Mohammadian等[125]為強(qiáng)化循環(huán)流體的換熱，研究了納米流體對(duì)熱電制冷器性能的影響，結(jié)果表明在低Re下，在熱交換器中加入低體積分?jǐn)?shù)的納米粒子，可顯著提高熱電模塊的性能系數(shù)，降低總熵的生成。T. Yousefi等[126]對(duì)使用了納米流體的微型熱管散熱器的散熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明此類熱管在體積縮小下，依然有較好的散熱性能。N. Ahammed 等[127]通過納米流體微通道換熱器進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)熱電制冷器熱端的散熱作用。

2.3.5 相變材料(PCM)散熱

Zhao Dongliang等[128]提出通過相變材料(PCM)來降低工質(zhì)溫度，為熱電制冷器熱端散熱的方法，也達(dá)到很好的熱端散熱效果。主要方式是使冷卻工質(zhì)通過相變材料形成的腔體，利用相變材料相變使工質(zhì)降溫，然后將此冷卻后的工質(zhì)供給熱端進(jìn)行散熱[129]。對(duì)于相變后的相變材料，夜晚環(huán)境溫度下降后，相變材料散發(fā)熱量可以再次回歸固體狀態(tài)供給白天高溫時(shí)使用。

表1 熱電制冷器的不同研究方向

根據(jù)以上的熱電制冷性能優(yōu)化，本文主要有以下幾方面的概括：

1)熱電對(duì)數(shù)以及工作電流都是制冷與產(chǎn)熱達(dá)到熱平衡的重要參數(shù)，過多的熱電對(duì)數(shù)和過大的工作電流雖然會(huì)使帕爾貼冷量增加但同時(shí)也使內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱增加，所以對(duì)于熱電對(duì)數(shù)和工作電流均有其最優(yōu)值。不同級(jí)數(shù)之間的熱電對(duì)數(shù)比和電流比將決定熱級(jí)產(chǎn)生的熱量能否被冷級(jí)有效帶走，從而不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生惡劣影響。

2)冷熱端熱導(dǎo)分配比、面積比及熱阻匹配是關(guān)于熱電制冷器吸熱和放熱之間的熱平衡設(shè)計(jì)。合理的冷熱端熱導(dǎo)分配能夠有效平衡吸熱量和散熱量，使系統(tǒng)既能最大的吸收熱量又不至使熱量集聚無法排出，從而提升系統(tǒng)的COP和制冷量。變截面的熱電模塊研究結(jié)果也表明，增加熱側(cè)熱電元件的截面積對(duì)于冷熱端的熱平衡有很大幫助，將更有利于熱端散熱，提高COP和制冷量。

3)不同的熱電制冷結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作參數(shù)優(yōu)化、散熱優(yōu)化實(shí)質(zhì)上均可概括為對(duì)熱電制冷器的冷熱平衡優(yōu)化，即使熱電制冷器冷端的制冷量、自身產(chǎn)熱能夠和散熱量之間達(dá)到優(yōu)化平衡。

3 結(jié)論和展望

本文以熱電制冷技術(shù)近十年來的發(fā)展為基礎(chǔ)，首先對(duì)熱電制冷的發(fā)展、背景和原理進(jìn)行了回顧，其次從熱電技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化兩個(gè)方面的發(fā)展進(jìn)行了梳理，主要得到以下結(jié)論：

基于熱電制冷性能的改善以及對(duì)于制冷環(huán)境的更高要求，熱電制冷的應(yīng)用越來越廣泛，由此也推動(dòng)了熱電制冷更多更深入的研究。本文基于近年來熱電制冷在熱電冰箱、熱電空調(diào)、電子設(shè)備冷卻及復(fù)合系統(tǒng)等方面的應(yīng)用，介紹了熱電制冷近些年的發(fā)展和研究成果。在熱門的電子散熱領(lǐng)域，熱電制冷在溫度控制和結(jié)構(gòu)匹配方面的優(yōu)勢(shì)顯著。熱電制冷與太陽能的復(fù)合系統(tǒng)，在季節(jié)和晝夜匹配性、熱電制冷電源及發(fā)電效率等方面有很好的發(fā)展前景。在其他制冷系統(tǒng)的結(jié)合方面，熱電制冷充分發(fā)揮了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了其他制冷方式的缺點(diǎn)，形成了各種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的復(fù)合系統(tǒng)。復(fù)合系統(tǒng)可能會(huì)成為熱電制冷未來最廣闊的發(fā)展方向之一。

熱電制冷由于材料發(fā)展的限制，使得各種優(yōu)化成為了熱電制冷器性能提升的主要方式。制冷量、COP和冷端溫度等多個(gè)方面使熱電制冷性能優(yōu)化有著豐富的研究?jī)?nèi)容。熱電元件和熱電制冷器的優(yōu)化，使熱電制冷的性能基礎(chǔ)可以更高。運(yùn)行工況的電流優(yōu)化，使熱電制冷具有更好的性能以滿足不同需求，其中脈沖電流的使用擴(kuò)展了熱電制冷的研究方向，也為瞬態(tài)冷卻提供了思路。高效的散熱方式和散熱器使熱端的散熱能力更強(qiáng)，可以整體提升熱電制冷器的性能，也是熱電制冷性能優(yōu)化的重要方向。

雖然熱電制冷的應(yīng)用和優(yōu)化研究已有很多成果出現(xiàn)，但同時(shí)也存在著脫節(jié)現(xiàn)象。即熱電制冷的應(yīng)用不能很好的利用成熟的優(yōu)化成果，如優(yōu)化熱端散熱、進(jìn)行熱導(dǎo)分配和選擇更合適的熱電模塊等。很多優(yōu)化研究忽略了熱電制冷目前應(yīng)用的可行性，如新型結(jié)構(gòu)熱電制冷器的生產(chǎn)制造。所以在應(yīng)用與優(yōu)化兩者結(jié)合方面還存在很多研究空間，值得研究者們更深入的探索和研究。

目前商用熱電材料的優(yōu)值系數(shù)僅約為1，熱電制冷已經(jīng)有了較大的發(fā)展，相信隨著越來越多高性能材料的市場(chǎng)化，熱電制冷技術(shù)會(huì)越來越完善，有更多的發(fā)展空間。且隨著世界對(duì)于綠色環(huán)保、節(jié)能減排的倡導(dǎo)，熱電制冷以其安靜無污染等特性將會(huì)對(duì)生活品質(zhì)和生存環(huán)境產(chǎn)生更多的積極作用。