不可逆半导体制冷器和温差发电器性能特性的优化分析

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1、第一章引言(1)具有高的优值系数，它使热电制冷器获得较大的制冷系数；(2)具有合适的机械性能，诸如屈服极限和耐热冲击性，以利于制造；(3)具有一定的可焊性，以实现元件间的电联结，能与热交换器焊接成一体：(4)制造成本不能过高，这一费用的确定不仅取决于各种配料的性质和纯度，也取决于生产方法和批量。半导体制冷器通常是由P型和N型半导体材料构成的温差电偶对通过串联、并联或者混合的形式组成的，温差电偶对的热电性能直接决定了制冷器的性能。材料是影响温差电偶对性能的最主要的因素，但通过改进电臂的结构，设计特殊的电臂连接方式，同样可以改进电偶对的性

2、能，两电臂按最佳截面积比制作时优值系数最高即是很好的证明。目前半导体制冷器广泛采用的等截面直电臂温差电偶对，由于电臂冷端和热端的电、热通路完全对称，焦耳热将有一半流向电臂的冷端，成为冷端的一个主要熟耗。因此如何改变电臂的热通路，尽量减少流向冷端的热量，就成为结构研究的重点。为了在现有半导体制冷材料的基础上，更加广泛地应用半导体制冷技术，国内外许多研究人员和学者十分重视研究半导体制冷器的优化设计。在设计高性能的半导体制冷器时，已有学者指出，除了改善半导体制冷材料外，系统分析半导体制冷模块的结构和制冷系统的整体性能也十分重要㈨。可以通过优

3、化设计半导体制冷模块，减小半导体制冷模块的理想性能系数和实际性能系数间的差值，提高半导体制冷器的实际制冷性能嘶1。研究半导体制冷器最大制冷量，最大制冷效率和最大温差同制冷器状态参数的关系是十分重要的，它将为半导体制冷器产品开发提供理论依据，使半导体制冷得到发展。还有学者利用非平衡热动力学理论建立了设备内部冷热端温度场差分控制方程，得出了性能系数和制热系数的新的表达式，半导体制冷器工作电流和使用参数的关系，分析了汤姆逊效应的影响噙1。半导体制冷技术在航空航天、潜艇、医疗设备、家用电器等方面等得到广泛的应用，这与半导体制冷技术的许多优点是

4、分不开的，其主要特点是：(1)尺寸小，可以制成体积不大于lcm3的微制冷器汹1；(2)重量轻，微型制冷器的重量往往能够小到只有几克或几十克：(3)无任何机械转动部分，工作中没有噪声；不可逆半导体制冷器和温差发电器性能特性的优化分析(4)不必使用液态或气态工质，不会造成环境污染；(5)制冷器的参数不受空间方向的影响，既不受重力的影响；(6)在大的机械过载条件下，能够正常工作；(7)通过调节工作电流的大小，可以方便的调节制冷速率；(8)切换电流方向，能够使制冷器从制冷工作状态转变为制热工作状态；(9)作用速度快，使用寿命长，易于控制。半导

5、体制冷技术在电子技术上的应用如半导体器件的直接冷却、光电倍增管用热电制冷器、红外探测器用热电制冷器、光敏电阻热电冷却器及其他冷阱等。半导体制冷在生物学和医学上的应用如冷冻切片机、冷冻治疗仪。而半导体冰箱、半导体制冷饮料冷却器、便挑式半导体制冷器等由于半导体制冷器的噪音小、轻便，小型半导体制冷冰箱、冰柜的应用日益广泛。半导体制冷空调的研究和应用由于半导体制冷空调器具有抗振、耐压、无制冷剂泄漏和使用直流电等一系列优点，因此在核潜艇、水面舰艇、深潜加压舱、潜水器、军用通讯车、铁路客车得到广泛的应用∞啊1。§1．1．2半导体温差发电器半导体温

6、差器件的研究起始于20世纪40年代，由前苏联研制成功发电器，其效率为1．5-2％。此后一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差电技术的发展，并于20世纪60年代达到高峰，成果包括成功地在航天器上实现了长时发电。美国能源部的空间与防御动力系统办公室称温差发电是“被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术“嘲。但是长久以来，由于受到热电转换效率的制约和成本的限制，温差电技术除了在航天和军事等尖端技术领域应用外，很少用于工业和民用产业。进入21世纪后，伴随着工业化的高速发展，全球性的环境恶化和能源危机正威胁着人类的长期稳

7、定发展，各国政府对绿色环保技术的研究与利用给予了前所未有的关注和支持。当前燃料电池在实际应用中遇到困难，而半导体工艺及材料技术的进步使得较高转换效率的热电材料成为可能；同时半导体温差发电是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄露、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点，从而其后期维护成本几乎是零。以上因素使得民用领域的温差电技术成为热门的研究方向。当前，科技发达国家已先后将发展温差电技术列入中长期能源开发计划。4第一章引言美国倾向于军事、航天和高科技领域的应用；日本在废热利用，特别

8、是陶瓷热电转换材料的研究方面居于世界领先地位；欧盟着重于小功率电源、传感器和应用纳米技术进行产品开发。我国虽然在半导体热电制冷的理论和应用研究方面具有一定的实力，但对温差电的研究尚处于起步阶段。虽然国外一些公司在上海、杭