提高热电制冷器性能的工艺措施

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1、提高热电制冷器性能的工艺措施陈爱东1时阳2(1.河南纺织高等专科学校机电工程系河南郑州4500072.郑州轻工业学院机电科学与工程系河南郑州450002摘要：通过分析热电制冷器的制冷工作特性，指出了附加传热温差、焊缝电阻、杂散热交换、元件性能下降对热电制冷器的制冷工作特性的影响，找出电堆制造产生性能下降的原因，提出了提高性能的工艺措施。关键词：热电制冷器；特性；制造工艺中图分类号：TB6文献标识码：A1序言热电制冷的基础是固体的热电效应，由于其特有的机理，热电制冷与其他制冷方法有明显的不同。这种制冷方法以电子为能量载体

2、，不用制冷剂，不存在环境问题。热电制冷器的特点是结构简单、除风扇外无任何运动部件，因而噪声很小、基本无摩损问题、可靠性好、寿命长；热电堆的体积仅数十立方毫米至数立方厘米，重量仅数克至数十克；启动快、控制灵活，只要接通电源，即可迅速制冷，制冷量可通过调节电流方便调节；改变电流方向即可改变热流方向，而改变电流方向可不用机械装置；热电制冷不需要流体运动去载能，而电子的运动与地球重力无关。由于以上特点，热电制冷器广泛应用于航空航天、军事、通讯、遥感遥测、医疗以及空调、冷冻冷藏等各领域。但这种制冷方法的发展较慢，其基本原因是热电

3、制冷器的效率较低，提高热电制冷器的效率一直是其主要发展方向。目前的研究工作主要是进行电压、电流和换热的优化[1]、[2]，而改进工艺是另一个提高效率的重要途径。2热电制冷器的制冷工作特性(W)(1)(K)(2)热电制冷器由热电堆、冷端换热器及热端换热器组成，其中热电堆是制冷器件。由于热电堆是由多对电偶组成，且对电流而言，各电偶对是串联的；而对热流，各电偶对是并联的。分析热电堆的性能时，只需分析电偶对的制冷性能即可。在满足尺寸条件和电流条件的前提时，一对电偶的最大制冷量、最大制冷温差和最大制冷系数分别为[3]：(3)式中

4、：K1—电偶对的导热率，W/K；R1—电偶对的电阻，Ω；αpn—电偶对的温差电势率，V/KΔT—冷热端温差，K；Th—热结点温度，K。Tc—冷结点温度，K；Tcmin—最低冷结点温度，K；Tm—冷、热端的平均温度；Zpn—电偶对的优值系数；Rp—电偶元件的面长比，m。电偶对的优值系数为：Zpn=αpn2/(k1R1)（1/K）(4)由此可知电偶对的性能主要取决于冷、热端温度和优值系数，而冷、热端温度和电偶对的优值系数不仅与元件的物理性质，也与电堆的加工制造工艺有关。3影响电堆性能的工艺因素及产生原因电偶组成电堆时，由于

5、存在传热温差、热电制冷元件与导电金属之间的焊缝电阻、杂散热交换等因素，使电堆的性能低于电偶的理论性能。3.1附加传热温差对电堆性能的影响附加传热温差是对电堆性能影响最大的因素。由于电绝缘导热层、钎料层和导电金属片本身都存在热阻，焊接缺陷也会产生热阻，使得电堆冷端温度低于电偶冷结点温度，热端温度高于电偶热结点温度，电偶实际冷、热结点温度成为：Tc’＝Tc－ΔTc(K)(5)Th’＝Th－ΔTh(K)(6)式中ΔTc和ΔTh分别为电堆冷端传热温差和热端传热温差。在同样的工作条件下，随着ΔTc和ΔTh的增大，Tc将降低而Th

6、升高，制冷量、制冷系数、可获得的最大温差均迅速下降。由于电绝缘导热层是由陶瓷或塑料制成，导热系数较低且厚度相对是最大的，由电绝缘导热层产生的温差也是最大的，约为全部温差的92％。3.2焊缝电阻每一对热电制冷元件焊接成电偶时,必有四处需焊接,这必然增加四个焊缝电阻Rw，如图1所示。图1焊缝电阻焊缝电阻由钎料自身电阻与接触电阻组成。其中钎料自身电阻是存在钎料所形成的，与钎料厚度成正比。接触电阻与电偶元件长度尺寸误差和焊接工艺有关，如元件尺寸误差较大，在焊接时较短的元件与导电金属片会填充较多的钎料；焊后因钎料冷缩造成较大的接

7、触电阻。焊接时夹紧力过小或倾斜，也会造成钎料层厚薄不匀。如每一焊缝处有焊缝电阻Rw，对于一对电偶来说，电阻就增大4Rw，使得电偶电阻大于两个电偶元件电阻之和，即：R’＝R1＋4Rw(7)(8)电阻的增大，增加了焦尔热，相当于降低了优值系数。此时，当量优值系数成为：令焊缝电阻性能系数为：Ccr＝1＋4Rw/R1(9)则当量优值系数为：Z’＝CcrZpn(10)焊缝电阻性能系数表示由于存在焊缝电阻而使优值系数下降的比例。当Rw＝0.0154R1时，如元件的优值系数Zp＝Zn＝3.2×10-31/K、Th＝313K、Tc＝2

8、73K，则按制冷系数最佳条件工作的电偶对，制冷系数下降了8％。3.3杂散热交换在电堆内部，不可避免的会存在漏冷，即不需要的辐射漏冷Qr和对流换热Qc，如图2所示。图2杂散热交换杂散热交换使得电堆的制冷量小于各对电偶制冷量之和，电堆的制冷系数小于电偶对的制冷系数。即：Q0t＜∑Q01(11)εg’＜ε1(12)辐射与对流漏冷与冷、热