热电模块应用的几个相关问题分析

    1 引 言

    半导体制冷(即热电制冷或温差电制冷)与传统制冷方法不同的是既没有制冷剂,也没有复杂的机械设备和管路系统,只要给热电制冷器接上电源,就可以制冷。其主要优点是外形尺寸小、重量轻、无摩擦、无噪声、能精确控制和平稳调节温度工况与制冷量,不存在制冷剂泄漏而引起的空气污染问题,无需经常维修,管理方便。在国防、工业、农业和医疗等领域中有广泛的应用前景,特别适用于一些特殊场合的制冷,比如微小空间的电子散热、低温领域、军方特殊需要的情况下等。

    热电制冷效率比较低一直是困扰热电制冷发展的重要原因。经过仿真分析,在一定工况下可以取得较好的制冷效率,分析其原因,对此工况下的制冷研究有一定的指导作用。并且分析计算了热电模块材料的物性参数,解决了使用者关心的耗电量和产冷量的问题。

    2 热电制冷原理

    图1为热电制冷的基本原理。热电模块工作时,如果在热电偶放热的接头上予以散热,使其保持一定的温度Th,另一接头就开始冷却,直到从周围介质传入这个接头的热量Qc和沿着电偶臂传入的热量Qhc的总和等于所吸收的帕尔贴热量时,冷接头的温度达到平衡,其温度为Tc。

    3 使用参数

    3.1 热电模块厂家给定参数

    通常对于热电模块的使用者而言,热电模块的产冷量是用户最关心的一个问题,其次是耗电量的问题。产冷量受材料物性参数A(塞贝克系数),R(电阻),K(热导系数)和物理参数Tc,I,$T的共同影响,物理参数Tc,I,ΔT可以在工作过程中检测,而材料的物性参数α,R,K又随温度的变化而变化,不容易获得。虽然国内外市场有许多供应商提供热电模块产品,但只有很少的一两家公司提供热电器件的物性参数,通常仅给出如表1所示的一些数据。在此根据厂家给定的这些有限的数据对其参数进行了分析计算。

    3.2 参数推算

    3.2.1 最大温差工况

    热电模块的产冷量为

    由上式看出,在其它条件不变的情况下,冷接头处于理想绝热,即没有任何热量传入的情况下(Qc=0),热电模块两端建立的温差ΔT将达到最大值ΔTmax。当电流强度为最佳值Imax时,经简单运算可以得到

    Z称为热电材料的优值系数,代表了热电材料的一种特性,决定了制冷元件所能达到的最大温差。

    此时热电模块上的电压降为

    3.2.2 最大产冷工况

    由式(1)可以看出,在

    由上式可以得到,当ΔT=0时热电器件产品的理论最大产冷量为

    把表1中厂家给出的参数分别带入式(5)、(8)、(3)、(4)中,可以得到α=0.054 2 V/K,R=1.916Ω,K=0.670 7W /K,Z=21286×10^-3K^-1。这些值仅仅是针对在热端为50℃时得到,对于其它情况则不尽然,应进行一些修正,这就需要结合实际应用进行调整。在应用中,对于电阻参数将其随冷热端的平均温度进行调整,以50℃的电阻值为基准,每升高10℃电阻增加5%为宜。