車用微型半導(dǎo)體制冷設(shè)備的實(shí)驗(yàn)

， ， ，

(1.哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司中央研究院，黑龍江 哈爾濱 150028; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150046； 4.中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

現(xiàn)代汽車空調(diào)的主要作用是改善駕駛員的工作環(huán)境和勞動(dòng)條件，并提高乘客的舒適性。因此車載空調(diào)同時(shí)兼有生產(chǎn)性空調(diào)和舒適性空調(diào)的性質(zhì)[1]。半導(dǎo)體制冷技術(shù)主要是帕爾貼效應(yīng)在制冷方面的應(yīng)用，即在回路通入直流電時(shí)會產(chǎn)生吸熱放熱現(xiàn)象。清華大學(xué)李彥等人對小空間半導(dǎo)體制冷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了散熱器數(shù)量及散熱器結(jié)構(gòu)、制冷器分布、制冷空間材料等對制冷效果的影響，分別研究選用不同散熱器的情況下，半導(dǎo)體制冷器數(shù)量對實(shí)驗(yàn)的影響[2]。埃及國家研究中心太陽能研究所的N.M.Khattab等人對太陽能溫差發(fā)電器驅(qū)動(dòng)熱電制冷器的運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了熱-電-熱方式轉(zhuǎn)化太陽能的可行性，計(jì)算了半導(dǎo)體溫差發(fā)電器與半導(dǎo)體熱電制冷器的最適比[3]。傳統(tǒng)的壓縮式車載空調(diào)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，不僅增加油耗和尾氣排放，而且降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。因此，未來的市場和社會要求改變傳統(tǒng)的微型制冷技術(shù)，以新材料為基礎(chǔ)的新型制冷技術(shù)有望獲得發(fā)展。半導(dǎo)體是符合當(dāng)前綠色、環(huán)保、節(jié)能為主題的制冷裝置，有助于實(shí)現(xiàn)車載空調(diào)低噪音、高舒適、零油耗、零排放的目標(biāo)[4]。本文擬通過對不同型號的半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，通過關(guān)鍵性能實(shí)驗(yàn)，研究半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)應(yīng)用于汽車駕駛室實(shí)驗(yàn)箱的制冷能力，以及不同的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對制冷性能的影響，對半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)箱的可行性進(jìn)行分析，為進(jìn)一步開發(fā)車用輔助冷熱電聯(lián)產(chǎn)空調(diào)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和搭建

1.1 實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)和搭建

如圖1是半導(dǎo)體制冷器的系統(tǒng)圖，本文主要通過設(shè)計(jì)駕駛室模型實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由直流電源，熱電制冷片，熱管散熱器，軸流風(fēng)扇等組成。本實(shí)驗(yàn)直接采用實(shí)驗(yàn)室24 V直流電源箱為半導(dǎo)體制冷裝置供能，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生制冷效應(yīng)，采用熱管散熱器利于半導(dǎo)體制冷片熱端散熱，能有效降低冷熱端溫差，提高制冷效率。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)箱體制作

為了保證箱體的保溫性和密封性，實(shí)驗(yàn)箱直接采用美固P24車家兩用21L汽車?yán)渑涞南潴w，材料為ABS塑料，頂蓋可拆卸，方便更換半導(dǎo)體制冷片和散熱器。

1.1.2 散熱器的選擇

熱管散熱主要利用了相變散熱和毛細(xì)作用，其主體為金屬管，內(nèi)部有工作介質(zhì)，目前應(yīng)用較多的是重力垂直式熱管，依靠重力回流凝結(jié)液，價(jià)格相對便宜，結(jié)構(gòu)較簡單。本實(shí)驗(yàn)所選用的熱管散熱器是應(yīng)用于電腦CPU散熱，但尺寸和性能完全滿足本次實(shí)驗(yàn)要求。

1.1.3 半導(dǎo)體制冷片的選擇

本實(shí)驗(yàn)僅需一片制冷片，故實(shí)驗(yàn)擬采用TEC1-12704,TEC1-12706,TEC1-12708三種型號的制冷片進(jìn)行制冷效果的對比實(shí)驗(yàn)，研究不同型號的制冷片的制冷性能，具體參數(shù)如表1所示。

表1半導(dǎo)體制冷片參數(shù)

型號電流/A工作電壓功率Q/W尺寸/mm價(jià)格/元TEC1-12704415.240.140×40×422.5TEC1-12706615.26140×40×3.913TEC1-12708815.27740×40×3.534

1.1.4 直流電源

由于本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)箱體較小，實(shí)驗(yàn)時(shí)每種型號的制冷片僅需要一片，所以直流電源需要滿足電壓最大15.2 V，電流最大8 A，同時(shí)電流電壓需要可調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)室的24 V直流電源箱滿足實(shí)驗(yàn)需求。

1.1.5 搭建實(shí)驗(yàn)臺

實(shí)驗(yàn)臺的搭建主要是更換半導(dǎo)體制冷片和安裝熱管散熱器，因?yàn)橹评淦c熱管散熱器之間接觸良好時(shí)，才能有效傳熱，所以制冷片與熱管散熱器之間的安裝固定是重點(diǎn)之一[5]。由于實(shí)驗(yàn)采用的熱管散熱器與制冷片并不是配套使用的，并沒有機(jī)械安裝或其他安裝方法所需要的零件，只能依靠自己利用現(xiàn)有條件進(jìn)行安裝固定，所以安裝時(shí)主要采用鐵絲和泡沫板實(shí)現(xiàn)固定。在安裝時(shí)，制冷片與導(dǎo)冷塊以及熱管散熱器之間存在接觸熱阻，影響傳熱，降低了制冷效率。因此，在制冷片兩面要涂抹導(dǎo)熱硅膠，厚度約為0.03 mm，涂抹均勻，使接觸面能夠良好接觸，減少了接觸熱阻，能夠有效提高散熱效率[6]。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

1.2.1 測量儀器

本文實(shí)驗(yàn)以半導(dǎo)體制冷的實(shí)驗(yàn)箱作為駕駛室模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱放置于室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)箱的初始溫度與室溫相同。主要測試的內(nèi)容是室內(nèi)溫度以及箱內(nèi)的制冷溫度。測試儀器主要用到的有多路溫度巡檢儀，鎧裝熱電偶，卷尺。多路溫度巡檢儀及熱電偶具體參數(shù)見表2和表3。

表2 AT4208多路溫度巡檢儀參數(shù)

名稱參數(shù)分度號熱電偶:J/K/T/E/S/N/B/R型量程/℃-200～1 300精度/℃0.2%+1(不包括傳感器誤差)分辨率/℃0.1通道數(shù)/路8掃描速度快速:100 ms/通道;中速:500 ms/通道;慢速:1 s/通道尺寸90×190×31

表3鎧裝熱電偶參數(shù)

量程/℃精度/℃直徑/mm探頭長/mm-200～1 200±0.52 mm150 mm

1.2.2 實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)主要對實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的溫度場進(jìn)行標(biāo)定，并計(jì)算箱體內(nèi)的平均溫度。由于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的空間溫度是不均勻的，在冷風(fēng)口位置附近溫度相對較低，溫度梯度相對較大；而在距離冷風(fēng)口較遠(yuǎn)及回風(fēng)口附近溫度相對較高，溫度梯度較小，若要精確的對實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的溫度場進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)不均勻溫度場的測溫原則，在溫度梯度大的區(qū)域，測點(diǎn)布置應(yīng)相對多，溫度梯度小的區(qū)域，測點(diǎn)布置可以相對減少。由于實(shí)驗(yàn)箱的冷風(fēng)口設(shè)置在頂蓋上，因此，沿高度方向等距選取三個(gè)平面進(jìn)行測點(diǎn)的布置。在距離頂蓋較近的一個(gè)平面布置的測點(diǎn)較多，為20個(gè)，如圖2所示，較遠(yuǎn)的兩個(gè)平面測點(diǎn)布置較少，均為15個(gè)，如圖3所示。

本文實(shí)驗(yàn)需要更換三種型號的半導(dǎo)體制冷片，在使用TEC1-12706型號的制冷片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的溫度場分布比較均勻(在實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析部分有詳細(xì)介紹)，箱內(nèi)最大溫差在1℃左右?？紤]到實(shí)驗(yàn)所用熱電偶有限，因此在進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)整了測點(diǎn)的布置位置和數(shù)量：制冷片TEC1-12704及制冷片TEC1-12708測點(diǎn)布置方式位置相同，在高度方向，即Z=24 cm，Z=16 cm及Z=8 cm方向，X-Y平面的測點(diǎn)布置相同。具體布置方式如圖4所示：制冷片TEC1-12704及制冷片TEC1-12708測點(diǎn)布置如圖。

2 結(jié)果分析

2.1 定常性驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)箱挑選三個(gè)測點(diǎn)，坐標(biāo)分別為A(10,6,24)、B(10,16,24)、C(10,26,24)，經(jīng)過三次實(shí)驗(yàn)測得的溫度值分別如圖5所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在制冷條件不變的情況下，兩次制冷實(shí)驗(yàn)中同一測點(diǎn)的溫度相差在0.2～0.3℃，在誤差范圍±0.5℃之內(nèi)。因此我們可以認(rèn)為本課題的半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)滿足定常性。

2.2 制冷片實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 制冷片TEC1-12706實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4Z=24 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 481216613.513.613.513.41113.313.413.613.21613.613.413.413.32113.613.513.313.42614.314.013.413.8

表5Z=16 cm時(shí)，X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 61116613.713.413.31113.613.113.21614.113.513.52113.713.313.12614.113.713.6

表6Z=8 cm時(shí)，X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 61116613.913.714.11113.913.713..91614.314.114.22114.114.013.72614.414.214.0

2.2.2 制冷片TEC1-12704實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7Z=24 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 41016617.517.517.61617.117.117.32616.6.16.716.4

表8Z=16 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 41016616.916.817.11616.716.616.72616.716.416.2

表9Z=8 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 41016617.016.917.11616.816.716.72617.116.616.4

2.2.3 制冷片TEC1-12708實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表10Z=24 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 41016616.516.315.81616.116.215.12615.815.914.5

表11Z=16 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 41016616.916.817.11616.716.616.72616.716.416.2

表12Z=8 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 41016615.716.315.61616.016.015.32615.916.114.5

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，三種型號的制冷片在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的溫度分布比較均勻，最大溫差在1.5℃左右，因此可以直接采用容積加權(quán)平均的方法計(jì)算制冷過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)驗(yàn)箱的平均溫度。經(jīng)計(jì)算三組實(shí)驗(yàn)的制冷平均溫度以及室內(nèi)平均溫度如表13所示。

表13Z=16 cm時(shí),X-Y平面測點(diǎn)溫度

XY 12 70612 70412 708室內(nèi)平均溫度20.323.323.6制冷平均溫度13.616.915.9

實(shí)驗(yàn)箱的初始溫度和穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度有較大的溫差，可以達(dá)到6～7℃，降溫效果良好；在任意坐標(biāo)方向(其他兩個(gè)坐標(biāo)不變)滿足假設(shè)的溫度場的分布規(guī)律，即冷風(fēng)口附近溫度低，遠(yuǎn)離冷風(fēng)口及回風(fēng)口附近溫度相對較高。

2.3 制冷效率計(jì)算

比較這三種型號的制冷片制冷效果的差異，除了參考實(shí)驗(yàn)箱的降溫效果，更重要的是計(jì)算它們的制冷效率。本實(shí)驗(yàn)主要研究在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的制冷效率，公式如式(1)

(1)

式中,輸入功率即為電源的功率，關(guān)鍵是求得穩(wěn)態(tài)時(shí)的制冷量。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，由外界通過對流傳熱和箱體導(dǎo)熱傳入進(jìn)實(shí)驗(yàn)箱的熱量與制冷系統(tǒng)的制冷量相平衡，因此，制冷量可以通過計(jì)算外界傳入的熱量得到。

由傳熱學(xué)知識可知傳熱量計(jì)算公式[7]如式(2)和式(3)

Q=kA(t外-t內(nèi))

(2)

(3)

式中k——傳熱系數(shù)/W·m-2·K-1；

A——面積/m-2；

t外，t內(nèi)——環(huán)境平均溫度/K，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)平均溫度/K；

hw——實(shí)驗(yàn)箱外表面對流傳熱系數(shù)/W·m-2·K-1；

hn——實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)表面對流傳熱系數(shù)/W·m-2·K-1；

δ——實(shí)驗(yàn)箱體厚度/m,δ=0.02 m；

λ——箱體導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·K-1,取0.03 W/(m·k)。

計(jì)算所需要的空氣物性[8]如表14所示。

表14空氣物性表

溫度動(dòng)力粘度v×106/m2·s-1普朗特?cái)?shù)Pr導(dǎo)熱系數(shù)λ/W·m-1·k-113.614.480.70.02515.914.70.70.02516.914.970.70.02520.315.060.70.02623.515.390.70.026

由制冷量計(jì)算公式可知，制冷量的計(jì)算關(guān)鍵是計(jì)算對流傳熱系數(shù)，根據(jù)傳熱學(xué)知識，本課題采用流體外掠平板傳熱層流的分析解中的特征方程

(4)

經(jīng)研究證明，該方程在Re≤2×105范圍內(nèi)與對空氣進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。而經(jīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)外雷諾數(shù)均遠(yuǎn)小于2×105，故本實(shí)驗(yàn)完全滿足該式的應(yīng)用條件。同時(shí)在進(jìn)行傳熱面積計(jì)算時(shí)，為方便計(jì)算，進(jìn)行了簡化處理：

(1)由于實(shí)驗(yàn)箱放置在金屬桌面上，且兩者的接觸面中間有空氣，接觸熱阻較大，故計(jì)算時(shí)將底部視作絕熱；

(2)頂部安裝有熱管散熱器、制冷片及離心風(fēng)扇，故取頂部面積的一半作為頂部的傳熱面積。

三種型號半導(dǎo)體制冷片的制冷效率對比見圖6。

由計(jì)算結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)所用的三種型號制冷片的功率越大，效率越低，即η12 704>η12 706>η12 708；半導(dǎo)體應(yīng)用于空調(diào)制冷效率較低，一般不超過50%，因此更適合作為輔助制冷設(shè)備應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)。

2.4 誤差分析

(1)忽略了底部傳熱以及箱體頂蓋處由漏風(fēng)導(dǎo)致的冷負(fù)荷，致使實(shí)際的制冷量可能比計(jì)算的制冷量要大，計(jì)算所得制冷效率相對偏??；

(2)對流傳熱系數(shù)h對制冷量計(jì)算影響較大，計(jì)算過程中風(fēng)速以及特征長度的選取都會影響計(jì)算結(jié)果；

(3)箱體的導(dǎo)熱系數(shù)是一個(gè)范圍值，導(dǎo)熱系數(shù)的選取不同會導(dǎo)致效率偏大或偏小，本課題計(jì)算時(shí)選用平均值；

(4)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部體積小，在布置熱電偶時(shí)會對內(nèi)部的流場有一定的影響，使得熱電偶測量誤差較大；

(5)測量儀器精度不高，示數(shù)與真實(shí)值之間存在一定的誤差。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和搭建，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定，半導(dǎo)體制冷片、熱管散熱器和直流電源的選擇。本章還對測點(diǎn)的布置進(jìn)行了具體說明并完成了實(shí)驗(yàn)，得到了完整的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析總結(jié)了以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

(1)制冷系統(tǒng)滿足定常性的驗(yàn)證，因此在缺乏實(shí)驗(yàn)所需的測試設(shè)備時(shí)可多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成制冷片制冷時(shí)溫度場的標(biāo)定，所產(chǎn)生的誤差在誤差范圍以內(nèi)；

(2)在制冷達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部有6～7℃的降溫，從溫差方面看制冷效果令人滿意；

(3)所用的三種型號制冷片的功率越大，效率越低，即η12 704>η12 706>η12 708；

(4)半導(dǎo)體應(yīng)用于空調(diào)制冷效率較低，一般不超過50%，因此更適合作為輔助制冷設(shè)備應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)。

本文還對實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行了分析，從整體上來說實(shí)驗(yàn)的結(jié)果令人滿意，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的研究目的，證明了半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于汽車輔助制冷設(shè)備的可行性。