熱管式熱電冷卻通道結構設計與參數影響分析

曹鐘元

摘要：熱電制冷，又稱半導體制冷，是一種利用半導體熱電材料直接將電能轉換為溫度梯度的一種主動式制冷技術。與壓縮式制冷技術不同，熱電制冷無機械轉動部件，沒有制冷工質，而是通過半導體熱電材料內部微觀粒子和能量的遷移實現的連續固態制冷。熱電制冷由于具有環保、結構簡單、制冷迅速、便于集成化和微型化等優點而被稱之為21世紀的“綠色冷源”。在世界各國都提倡綠色環保發展理念的大背景下，同時隨著半導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、紅外探測器等軍事領域，已廣泛應用于家電、醫療、電子器件等生活領域。熱管是一種利用液體工質相變進行熱量傳遞的換熱元器件，它可以通過很小的截面面積將大量的熱量遠距離傳輸而無需外加動力。相比于風冷和水冷散熱方式，熱管散熱具有體積小、緊湊、安裝方便、單位面積散熱效率高、良好的等溫性等優點。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，極大滿足了對散熱能力和有限空間布置的雙要求，有利于實際應用。

關鍵詞：熱管;熱電制冷;結構設計;參數影響;

引言

熱電制冷是一種通過帕爾貼效應將電能轉化為熱能的固態直接能量轉化技術。相比于傳統制冷技術而言，熱電制冷裝置具有尺寸小、無噪音、無污染、溫度控制準確等優點，因而受到了國內外學者的廣泛關注。由于熱電材料本身所引起的焦耳熱和不可逆導熱，使熱電裝置的效率較低，因此，常用于醫療設備、計算機芯片以及汽車空調等低功率應用中.

1熱電制冷技術

1834年，法國科學家珀耳帖發現了珀耳帖效應，即當電流通過包含兩種不同半導體的電路時，在結點附近會產生溫度變化。如圖1所示，每一片熱電制冷片中都包含有多對P型和N型的半導體。通電后，半導體對的結點處會產生吸放熱現象。與壓縮式制冷相比，熱電制冷有著低噪聲、低成本、長壽命、小體積、系統簡單等優勢。

經過多年的研究，熱電制冷相關理論已經相當成熟。在研究中整理了熱電制冷相關的理論，為熱電制冷系統的設計與優化提供了技術支持。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是材料的溫差電動勢，I是電流，R是電阻，K是總熱導率，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αITc表示的是珀耳帖效應的吸熱量，第二項1/2R則表示的是熱電制冷片產生的焦耳熱，第三項K（Th-Tc）則是熱電制冷片熱端對冷端的傳熱。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率。也就是說需要導電好但是導熱差的材料。學界中采用優值系數Z描述半導體材料的制冷性能。式中α是溫差電動勢，K是總熱導率，σ是導電率。半導體材料的限制目前是熱電制冷技術發展的最大瓶頸。目前市面上常見的商用熱電制冷片大多采用碲化鉍（Bi2Te3）材料，其優值系數Z通常在1左右.由于材料的限制，商用熱電制冷系統的效率（COP）一般都只有0.3～0.5。在制冷量和制冷效率上與傳統的壓縮式制冷還有比較大的差距，但也正是熱電制冷技術的這些特點，才使得這個技術格外適用于小功率小體積的應用場景。

2熱管結構與原理

熱管結構如圖2所示。沿徑向方向依次為管殼、管芯（或稱吸液芯）和蒸汽腔。沿軸向方向，根據功能的不同，熱管又可分為蒸發段（蒸發器）、絕熱段和冷凝段（冷凝器）3部分。熱管工作的主要原理是：蒸發段液態工質受熱蒸發變為蒸汽，然后在壓力差的作用下從蒸發段流向冷凝段。由于受到冷卻，蒸汽又凝結成液體釋放出熱量，在吸液芯毛細附著力的作用下液體又流回蒸發段，如此循環往復，熱量就從蒸發段傳送到了冷凝段。本文中采用普通常溫銅水熱管，即管殼材料為無氧銅，工質為水，吸液芯材料為200目的紫銅絲網。

3結構設計與模型求解

該熱電冷卻通道結構設計模型如圖3所示，裝置橫截面示意圖如圖4所示。裝置由內而外包括三個部分：最內層的正方形截面冷媒水通道，緊貼流動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，隨流道長度Lf變化，為變溫熱源。假設環境空氣溫度不變，為恒溫熱源。環境空氣和流道內冷媒水溫度分別為T1和為T2（x）。熱電單元熱端和冷端溫度分別為Th（x）和Tc（x）。高低溫熱源與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。流道長度和寬度分別為Lf和d1。高溫熱源空氣質量流率為G1，定壓比熱容為cp1。冷媒水進口溫度為T2，in，質量流率為G2和定壓比熱容為cp2。熱電單元橫截面積和長度分別為A和L。

4熱力學完善度理論

制冷系數與裝置運行的溫差有關，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也不具有可比性。為了彌補這一不足，首先提出了熱力學完善度（ηre）指標，并用于壓縮式制冷性能分析。在制冷工況下熱力學完善度定義為，制冷裝置實際制冷系數（COP）γCOP與相同溫限下逆向卡諾循環制冷系數（COPc）γCOPc的比值，即熱力學完善度反映了裝置實際狀態與理想狀態之間的偏差和設備的不可逆程度，能夠在不同制冷溫差下將同一制冷設備或具有相同運行方式的制冷設備統一在同一基準上進行制冷性能的比較，具有可比性、相對性等特點。本文中首次將熱力學完善度指標引入熱電制冷技術的評價，結合制冷率密度和制冷系數以期更全面的反映熱電制冷機的制冷性能和不可逆程度。

結束語

（1）對于寬度為d1=80mm的管道，管內冷媒水流速為u2=0.8m·s-1，管道長度為Lf=10m時，每米流程冷媒水溫度下降0.24℃左右。（2）協調經濟性能和制冷性能，最佳工作電流取值應介于0.25～3.80A。（3）相比于忽略湯姆遜熱的情形，考慮湯姆遜熱時，最大制冷率密度和最大制冷系數分別為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增強，否則如果熱端散熱能力與填充系數不匹配，則會使制冷率密度降低。（5）制冷率密度和制冷系數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。盡管目前為止熱電制冷技術還有許多問題，但可以預見到未來消費者的需求會越來越多樣化，熱電制冷技術的應用也會越來越多。如何合理利用好熱電制冷技術的特點，探究更樣的應用方式應當是未來重要的方向。

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