熱管式熱電冷卻通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)影響分析

曹鐘元

摘要：熱電制冷，又稱(chēng)半導(dǎo)體制冷，是一種利用半導(dǎo)體熱電材料直接將電能轉(zhuǎn)換為溫度梯度的一種主動(dòng)式制冷技術(shù)。與壓縮式制冷技術(shù)不同，熱電制冷無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，沒(méi)有制冷工質(zhì)，而是通過(guò)半導(dǎo)體熱電材料內(nèi)部微觀粒子和能量的遷移實(shí)現(xiàn)的連續(xù)固態(tài)制冷。熱電制冷由于具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制冷迅速、便于集成化和微型化等優(yōu)點(diǎn)而被稱(chēng)之為21世紀(jì)的“綠色冷源”。在世界各國(guó)都提倡綠色環(huán)保發(fā)展理念的大背景下，同時(shí)隨著半導(dǎo)體熱電材料性能的不斷提升，熱電制冷不再局限于航空航天、紅外探測(cè)器等軍事領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于家電、醫(yī)療、電子器件等生活領(lǐng)域。熱管是一種利用液體工質(zhì)相變進(jìn)行熱量傳遞的換熱元器件，它可以通過(guò)很小的截面面積將大量的熱量遠(yuǎn)距離傳輸而無(wú)需外加動(dòng)力。相比于風(fēng)冷和水冷散熱方式，熱管散熱具有體積小、緊湊、安裝方便、單位面積散熱效率高、良好的等溫性等優(yōu)點(diǎn)。將熱管用于熱電制冷裝置熱端散熱，不僅散熱快而且空間體積小，極大滿(mǎn)足了對(duì)散熱能力和有限空間布置的雙要求，有利于實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：熱管;熱電制冷;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);參數(shù)影響;

引言

熱電制冷是一種通過(guò)帕爾貼效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為熱能的固態(tài)直接能量轉(zhuǎn)化技術(shù)。相比于傳統(tǒng)制冷技術(shù)而言，熱電制冷裝置具有尺寸小、無(wú)噪音、無(wú)污染、溫度控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于熱電材料本身所引起的焦耳熱和不可逆導(dǎo)熱，使熱電裝置的效率較低，因此，常用于醫(yī)療設(shè)備、計(jì)算機(jī)芯片以及汽車(chē)空調(diào)等低功率應(yīng)用中.

1熱電制冷技術(shù)

1834年，法國(guó)科學(xué)家珀耳帖發(fā)現(xiàn)了珀耳帖效應(yīng)，即當(dāng)電流通過(guò)包含兩種不同半導(dǎo)體的電路時(shí)，在結(jié)點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生溫度變化。如圖1所示，每一片熱電制冷片中都包含有多對(duì)P型和N型的半導(dǎo)體。通電后，半導(dǎo)體對(duì)的結(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生吸放熱現(xiàn)象。與壓縮式制冷相比，熱電制冷有著低噪聲、低成本、長(zhǎng)壽命、小體積、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過(guò)多年的研究，熱電制冷相關(guān)理論已經(jīng)相當(dāng)成熟。在研究中整理了熱電制冷相關(guān)的理論，為熱電制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了技術(shù)支持。公式（2～1）為熱電制冷片制冷量的公式。式中Qc是熱電制冷片可以提供的制冷量，α是材料的溫差電動(dòng)勢(shì)，I是電流，R是電阻，K是總熱導(dǎo)率，Tc和Th分別為熱電制冷片冷端與熱端的溫度。

式中的第一項(xiàng)αITc表示的是珀耳帖效應(yīng)的吸熱量，第二項(xiàng)1/2R則表示的是熱電制冷片產(chǎn)生的焦耳熱，第三項(xiàng)K（Th-Tc）則是熱電制冷片熱端對(duì)冷端的傳熱。從公式可以看到，想要最大化熱電制冷的制冷功率，需要盡量降低制冷片的電阻以及熱導(dǎo)率。也就是說(shuō)需要導(dǎo)電好但是導(dǎo)熱差的材料。學(xué)界中采用優(yōu)值系數(shù)Z描述半導(dǎo)體材料的制冷性能。式中α是溫差電動(dòng)勢(shì)，K是總熱導(dǎo)率，σ是導(dǎo)電率。半導(dǎo)體材料的限制目前是熱電制冷技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸。目前市面上常見(jiàn)的商用熱電制冷片大多采用碲化鉍（Bi2Te3）材料，其優(yōu)值系數(shù)Z通常在1左右.由于材料的限制，商用熱電制冷系統(tǒng)的效率（COP）一般都只有0.3～0.5。在制冷量和制冷效率上與傳統(tǒng)的壓縮式制冷還有比較大的差距，但也正是熱電制冷技術(shù)的這些特點(diǎn)，才使得這個(gè)技術(shù)格外適用于小功率小體積的應(yīng)用場(chǎng)景。

2熱管結(jié)構(gòu)與原理

熱管結(jié)構(gòu)如圖2所示。沿徑向方向依次為管殼、管芯（或稱(chēng)吸液芯）和蒸汽腔。沿軸向方向，根據(jù)功能的不同，熱管又可分為蒸發(fā)段（蒸發(fā)器）、絕熱段和冷凝段（冷凝器）3部分。熱管工作的主要原理是：蒸發(fā)段液態(tài)工質(zhì)受熱蒸發(fā)變?yōu)檎羝缓笤趬毫Σ畹淖饔孟聫恼舭l(fā)段流向冷凝段。由于受到冷卻，蒸汽又凝結(jié)成液體釋放出熱量，在吸液芯毛細(xì)附著力的作用下液體又流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)，熱量就從蒸發(fā)段傳送到了冷凝段。本文中采用普通常溫銅水熱管，即管殼材料為無(wú)氧銅，工質(zhì)為水，吸液芯材料為200目的紫銅絲網(wǎng)。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型求解

該熱電冷卻通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖3所示，裝置橫截面示意圖如圖4所示。裝置由內(nèi)而外包括三個(gè)部分：最內(nèi)層的正方形截面冷媒水通道，緊貼流動(dòng)外表面排列的熱電制冷模塊，以及緊貼熱電制冷模塊上表面的熱管換熱器。

冷媒水沿程放出熱量，隨流道長(zhǎng)度Lf變化，為變溫?zé)嵩?。假設(shè)環(huán)境空氣溫度不變，為恒溫?zé)嵩础－h(huán)境空氣和流道內(nèi)冷媒水溫度分別為T(mén)1和為T(mén)2（x）。熱電單元熱端和冷端溫度分別為T(mén)h（x）和Tc（x）。高低溫?zé)嵩磁c熱電制冷模塊之間的換熱率分別為Q1和Q2，熱電制冷模塊的放熱率和吸熱率分別為Qh和Qc。流道長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)f和d1。高溫?zé)嵩纯諝赓|(zhì)量流率為G1，定壓比熱容為cp1。冷媒水進(jìn)口溫度為T(mén)2，in，質(zhì)量流率為G2和定壓比熱容為cp2。熱電單元橫截面積和長(zhǎng)度分別為A和L。

4熱力學(xué)完善度理論

制冷系數(shù)與裝置運(yùn)行的溫差有關(guān)，其大小并不能反映裝置的不可逆程度，不同制冷溫差下的制冷系數(shù)也不具有可比性。為了彌補(bǔ)這一不足，首先提出了熱力學(xué)完善度（ηre）指標(biāo)，并用于壓縮式制冷性能分析。在制冷工況下熱力學(xué)完善度定義為，制冷裝置實(shí)際制冷系數(shù)（COP）γCOP與相同溫限下逆向卡諾循環(huán)制冷系數(shù)（COPc）γCOPc的比值，即熱力學(xué)完善度反映了裝置實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)之間的偏差和設(shè)備的不可逆程度，能夠在不同制冷溫差下將同一制冷設(shè)備或具有相同運(yùn)行方式的制冷設(shè)備統(tǒng)一在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行制冷性能的比較，具有可比性、相對(duì)性等特點(diǎn)。本文中首次將熱力學(xué)完善度指標(biāo)引入熱電制冷技術(shù)的評(píng)價(jià)，結(jié)合制冷率密度和制冷系數(shù)以期更全面的反映熱電制冷機(jī)的制冷性能和不可逆程度。

結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于寬度為d1=80mm的管道，管內(nèi)冷媒水流速為u2=0.8m·s-1，管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)f=10m時(shí)，每米流程冷媒水溫度下降0.24℃左右。（2）協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)性能和制冷性能，最佳工作電流取值應(yīng)介于0.25～3.80A。（3）相比于忽略湯姆遜熱的情形，考慮湯姆遜熱時(shí)，最大制冷率密度和最大制冷系數(shù)分別為1.82W·cm-2和5.43，分別提升了13.75%和20.40%。（4）采用較大填充系數(shù)的制冷模塊能夠提高制冷率密度，但是熱端散熱能力要相應(yīng)增強(qiáng)，否則如果熱端散熱能力與填充系數(shù)不匹配，則會(huì)使制冷率密度降低。（5）制冷率密度和制冷系數(shù)隨著熱管外徑的增大先增大后減小，存在最佳的熱管外徑do=6.0mm使得裝置性能最優(yōu)。盡管目前為止熱電制冷技術(shù)還有許多問(wèn)題，但可以預(yù)見(jiàn)到未來(lái)消費(fèi)者的需求會(huì)越來(lái)越多樣化，熱電制冷技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越多。如何合理利用好熱電制冷技術(shù)的特點(diǎn)，探究更樣的應(yīng)用方式應(yīng)當(dāng)是未來(lái)重要的方向。

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