热管式热电冷却通道结构设计与参数影响分析

曹钟元

摘要：热电制冷，又称半导体制冷，是一种利用半导体热电材料直接将电能转换为温度梯度的一种主动式制冷技术。与压缩式制冷技术不同，热电制冷无机械转动部件，没有制冷工质，而是通过半导体热电材料内部微观粒子和能量的迁移实现的连续固态制冷。热电制冷由于具有环保、结构简单、制冷迅速、便于集成化和微型化等优点而被称之为21世纪的“绿色冷源”。在世界各国都提倡绿色环保发展理念的大背景下，同时随着半导体热电材料性能的不断提升，热电制冷不再局限于航空航天、红外探测器等军事领域，已广泛应用于家电、医疗、电子器件等生活领域。热管是一种利用液体工质相变进行热量传递的换热元器件，它可以通过很小的截面面积将大量的热量远距离传输而无需外加动力。相比于风冷和水冷散热方式，热管散热具有体积小、紧凑、安装方便、单位面积散热效率高、良好的等温性等优点。将热管用于热电制冷装置热端散热，不仅散热快而且空间体积小，极大满足了对散热能力和有限空间布置的双要求，有利于实际应用。

关键词：热管;热电制冷;结构设计;参数影响;

引言

热电制冷是一种通过帕尔贴效应将电能转化为热能的固态直接能量转化技术。相比于传统制冷技术而言，热电制冷装置具有尺寸小、无噪音、无污染、温度控制准确等优点，因而受到了国内外学者的广泛关注。由于热电材料本身所引起的焦耳热和不可逆导热，使热电装置的效率较低，因此，常用于医疗设备、计算机芯片以及汽车空调等低功率应用中.

1热电制冷技术

1834年，法国科学家珀耳帖发现了珀耳帖效应，即当电流通过包含两种不同半导体的电路时，在结点附近会产生温度变化。如图1所示，每一片热电制冷片中都包含有多对P型和N型的半导体。通电后，半导体对的结点处会产生吸放热现象。与压缩式制冷相比，热电制冷有着低噪声、低成本、长寿命、小体积、系统简单等优势。

经过多年的研究，热电制冷相关理论已经相当成熟。在研究中整理了热电制冷相关的理论，为热电制冷系统的设计与优化提供了技术支持。公式（2～1）为热电制冷片制冷量的公式。式中Qc是热电制冷片可以提供的制冷量，α是材料的温差电动势，I是电流，R是电阻，K是总热导率，Tc和Th分别为热电制冷片冷端与热端的温度。

式中的第一项αITc表示的是珀耳帖效应的吸热量，第二项1/2R则表示的是热电制冷片产生的焦耳热，第三项K（Th-Tc）则是热电制冷片热端对冷端的传热。从公式可以看到，想要最大化热电制冷的制冷功率，需要尽量降低制冷片的电阻以及热导率。也就是说需要导电好但是导热差的材料。学界中采用优值系数Z描述半导体材料的制冷性能。式中α是温差电动势，K是总热导率，σ是导电率。半导体材料的限制目前是热电制冷技术发展的最大瓶颈。目前市面上常见的商用热电制冷片大多采用碲化铋（Bi2Te3）材料，其优值系数Z通常在1左右.由于材料的限制，商用热电制冷系统的效率（COP）一般都只有0.3～0.5。在制冷量和制冷效率上与传统的压缩式制冷还有比较大的差距，但也正是热电制冷技术的这些特点，才使得这个技术格外适用于小功率小体积的应用场景。

2热管结构与原理

热管结构如图2所示。沿径向方向依次为管壳、管芯（或称吸液芯）和蒸汽腔。沿轴向方向，根据功能的不同，热管又可分为蒸发段（蒸发器）、绝热段和冷凝段（冷凝器）3部分。热管工作的主要原理是：蒸发段液态工质受热蒸发变为蒸汽，然后在压力差的作用下从蒸发段流向冷凝段。由于受到冷却，蒸汽又凝结成液体释放出热量，在吸液芯毛细附着力的作用下液体又流回蒸发段，如此循环往复，热量就从蒸发段传送到了冷凝段。本文中采用普通常温铜水热管，即管壳材料为无氧铜，工质为水，吸液芯材料为200目的紫铜丝网。

3结构设计与模型求解

该热电冷却通道结构设计模型如图3所示，装置横截面示意图如图4所示。装置由内而外包括三个部分：最内层的正方形截面冷媒水通道，紧贴流动外表面排列的热电制冷模块，以及紧贴热电制冷模块上表面的热管换热器。

冷媒水沿程放出热量，随流道长度Lf变化，为变温热源。假设环境空气温度不变，为恒温热源。环境空气和流道内冷媒水温度分别为T1和为T2（x）。热电单元热端和冷端温度分别为Th（x）和Tc（x）。高低温热源与热电制冷模块之间的换热率分别为Q1和Q2，热电制冷模块的放热率和吸热率分别为Qh和Qc。流道长度和宽度分别为Lf和d1。高温热源空气质量流率为G1，定压比热容为cp1。冷媒水进口温度为T2，in，质量流率为G2和定压比热容为cp2。热电单元横截面积和长度分别为A和L。

4热力学完善度理论

制冷系数与装置运行的温差有关，其大小并不能反映装置的不可逆程度，不同制冷温差下的制冷系数也不具有可比性。为了弥补这一不足，首先提出了热力学完善度（ηre）指标，并用于压缩式制冷性能分析。在制冷工况下热力学完善度定义为，制冷装置实际制冷系数（COP）γCOP与相同温限下逆向卡诺循环制冷系数（COPc）γCOPc的比值，即热力学完善度反映了装置实际状态与理想状态之间的偏差和设备的不可逆程度，能够在不同制冷温差下将同一制冷设备或具有相同运行方式的制冷设备统一在同一基准上进行制冷性能的比较，具有可比性、相对性等特点。本文中首次将热力学完善度指标引入热电制冷技术的评价，结合制冷率密度和制冷系数以期更全面的反映热电制冷机的制冷性能和不可逆程度。

结束语

（1）对于宽度为d1=80mm的管道，管内冷媒水流速为u2=0.8m·s-1，管道长度为Lf=10m时，每米流程冷媒水温度下降0.24℃左右。（2）协调经济性能和制冷性能，最佳工作电流取值应介于0.25～3.80A。（3）相比于忽略湯姆逊热的情形，考虑汤姆逊热时，最大制冷率密度和最大制冷系数分别为1.82W·cm-2和5.43，分别提升了13.75%和20.40%。（4）采用较大填充系数的制冷模块能够提高制冷率密度，但是热端散热能力要相应增强，否则如果热端散热能力与填充系数不匹配，则会使制冷率密度降低。（5）制冷率密度和制冷系数随着热管外径的增大先增大后减小，存在最佳的热管外径do=6.0mm使得装置性能最优。尽管目前为止热电制冷技术还有许多问题，但可以预见到未来消费者的需求会越来越多样化，热电制冷技术的应用也会越来越多。如何合理利用好热电制冷技术的特点，探究更样的应用方式应当是未来重要的方向。

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