知识点：热电制冷
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2.1 分段结构热电制冷机
如图 2 所示,每种热电材料均存在最佳工作温度,偏离最佳工作温度,ZT 值降低,为改善热电制冷机在一定温度范围内的性能,可将热电臂由同种材料改为不同种材料组合的分段结构,如图 4(a)所示,由 Mg3Bi1.25Sb0.75 和 Bi0.905Sb0.095 构成的 n 型热电臂与 Bi2-xSbxTe3 和 CsBi4Te6 构成的 p 型热电臂构成的热电制冷机理论上比由基于同种材料热电臂构成的热电制冷机具有更好的性能。
图 4(b)所示为热电臂不同热电材料兼容性冲突的示例,在该示例中,一种热电材料从热端温度(Th) 降至中间温度(Tm),另一种热电材料从中间温度(Tm) 降至冷端温度(Tc),由于两种热电材料为串联,所以它们必须在相同的电流下运行,但图中所示的情况两种热电材料不能同时在最优工作电流条件下运行。所以,在实际应用中,需要优化每段材料的几何尺寸,以使每段材料的最佳工作电流一致。
Bian Zhixi 等通过理论分析发现,保持热电材料的 ZT 值不变,但 Seebeck 系数和电导率随位置变化的非均匀材料的最大制冷温差可超越式(2)描述的均匀材料制冷温差理论极限,制冷温差的提高是由于 Joule 热量和 Peltier 冷量沿电流和热流方向的重新分布。
给定热电材料的情况下,热电制冷机可实现的最低制冷温度由式(2)决定,为了提高热电制冷机的性能,实现更低的制冷温度,可采用多级构造,如图 5(a)所示。对于 n 级热电制冷机而言,若假设每一级的效率均相等并用 COP* 表示,则 n 级热电制冷机总体 COPm 可表示为:
(3)
若假设每一级的制冷温差相等,且等于 (Th-Tc) / n,Th 和 Tc 分别为 n 级热电制冷机热端和冷端温度,则每一级的 COP* 与热端和冷端温度分别为 Th和 Tc 的单级制冷机 COPs 的关系可近似表示为:
(4)
图 5(b)所示为 n 级热电制冷机总体 COPm 与单级热电制冷机 COP s 的关系,其中 COP 的计算值基于热端温度为 300K 与 ZTm=1 的假设。由图 5(b)可知,在单级制冷机 COPs 较低的情况下,通过多级结构可大幅提升制冷机的 COP, 且多级热电制冷机 COPm 随着级数的增加而增加,但增幅逐渐降低。对于 ZTm = 1 的材料而言,随着制冷温差由 32K 增至 88K,单级制冷机 COPs 由 1 降至 0.001。因此,为实现更低的制冷温度,可采用多级结构的热电制冷,商业化六级热电制冷机已可在 165K 的制冷温度下实现 0.026 的 COP。
由式(1)和式(2)可知,理想情况下热电制冷机的 COP 和最冷温度与热电材料的尺寸无关。而实际上,因为焦耳热和导热损失的相对影响会随着尺寸的减小而增加,因此随着热电材料尺寸的减小,系统制冷性能会下降。为减少热电材料的使用量,D.T.Crane 等提出一种 Y 形构造热电器件,如图 6 所示,电流方向与热流方向垂直。相比于 π 形构造,Y形构造中电流流经电极的路径更短,因此相应电极造成的焦耳损失更小,在该构造中,因热电材料造成的导热损失和焦耳损失取决于具体的结构尺寸。
此外,在 Y 形构造中,外界应力施加于高低温电极和绝缘部件上,而不是直接传递给热电材料,使热电材料从应力场中分离出来,有利于延长热电器件的使用寿命。但 Y 形构造目前主要用于热电发电机,该结构对热电制冷机性能的影响有待进一步研究。
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