車用微型半導體制冷設備的實驗

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(1.哈爾濱電氣集團有限公司中央研究院，黑龍江 哈爾濱 150028; 2.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.哈爾濱電站設備成套設計研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150046； 4.中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

現代汽車空調的主要作用是改善駕駛員的工作環境和勞動條件，并提高乘客的舒適性。因此車載空調同時兼有生產性空調和舒適性空調的性質[1]。半導體制冷技術主要是帕爾貼效應在制冷方面的應用，即在回路通入直流電時會產生吸熱放熱現象。清華大學李彥等人對小空間半導體制冷進行了實驗研究，分析了散熱器數量及散熱器結構、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，半導體制冷器數量對實驗的影響[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電器驅動熱電制冷器的運行進行了實驗研究，分析了熱-電-熱方式轉化太陽能的可行性，計算了半導體溫差發電器與半導體熱電制冷器的最適比[3]。傳統的壓縮式車載空調由發動機帶動，不僅增加油耗和尾氣排放，而且降低了發動機的性能。因此，未來的市場和社會要求改變傳統的微型制冷技術，以新材料為基礎的新型制冷技術有望獲得發展。半導體是符合當前綠色、環保、節能為主題的制冷裝置，有助于實現車載空調低噪音、高舒適、零油耗、零排放的目標[4]。本文擬通過對不同型號的半導體制冷片進行對比實驗，通過關鍵性能實驗，研究半導體制冷系統應用于汽車駕駛室實驗箱的制冷能力，以及不同的半導體結構對制冷性能的影響，對半導體制冷實驗箱的可行性進行分析，為進一步開發車用輔助冷熱電聯產空調系統提供理論依據。

1 實驗臺的設計和搭建

1.1 實驗臺設計和搭建

如圖1是半導體制冷器的系統圖，本文主要通過設計駕駛室模型實驗臺進行實驗。實驗臺結構相對簡單，主要由直流電源，熱電制冷片，熱管散熱器，軸流風扇等組成。本實驗直接采用實驗室24 V直流電源箱為半導體制冷裝置供能，驅動半導體制冷片產生制冷效應，采用熱管散熱器利于半導體制冷片熱端散熱，能有效降低冷熱端溫差，提高制冷效率。

1.1.1 實驗箱體制作

為了保證箱體的保溫性和密封性，實驗箱直接采用美固P24車家兩用21L汽車冷暖箱的箱體，材料為ABS塑料，頂蓋可拆卸，方便更換半導體制冷片和散熱器。

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作用，其主體為金屬管，內部有工作介質，目前應用較多的是重力垂直式熱管，依靠重力回流凝結液，價格相對便宜，結構較簡單。本實驗所選用的熱管散熱器是應用于電腦CPU散熱，但尺寸和性能完全滿足本次實驗要求。

1.1.3 半導體制冷片的選擇

本實驗僅需一片制冷片，故實驗擬采用TEC1-12704,TEC1-12706,TEC1-12708三種型號的制冷片進行制冷效果的對比實驗，研究不同型號的制冷片的制冷性能，具體參數如表1所示。

表1半導體制冷片參數

型號電流/A工作電壓功率Q/W尺寸/mm價格/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

由于本實驗實驗箱體較小，實驗時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，同時電流電壓需要可調節。實驗室的24 V直流電源箱滿足實驗需求。

1.1.5 搭建實驗臺

實驗臺的搭建主要是更換半導體制冷片和安裝熱管散熱器，因為制冷片與熱管散熱器之間接觸良好時，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之一[5]。由于實驗采用的熱管散熱器與制冷片并不是配套使用的，并沒有機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有條件進行安裝固定，所以安裝時主要采用鐵絲和泡沫板實現固定。在安裝時，制冷片與導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 實驗條件

1.2.1 測量儀器

本文實驗以半導體制冷的實驗箱作為駕駛室模型進行實驗，實驗箱放置于室內，實驗箱的初始溫度與室溫相同。主要測試的內容是室內溫度以及箱內的制冷溫度。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見表2和表3。

表2 AT4208多路溫度巡檢儀參數

名稱參數分度號熱電偶: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/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

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

1.2.2 實驗測點布置

實驗主要對實驗箱內的溫度場進行標定，并計算箱體內的平均溫度。由于實驗箱內部的空間溫度是不均勻的，在冷風口位置附近溫度相對較低，溫度梯度相對較大；而在距離冷風口較遠及回風口附近溫度相對較高，溫度梯度較小，若要精確的對實驗箱內的溫度場進行標定，根據不均勻溫度場的測溫原則，在溫度梯度大的區域，測點布置應相對多，溫度梯度小的區域，測點布置可以相對減少。由于實驗箱的冷風口設置在頂蓋上，因此，沿高度方向等距選取三個平面進行測點的布置。在距離頂蓋較近的一個平面布置的測點較多，為20個，如圖2所示，較遠的兩個平面測點布置較少，均為15個，如圖3所示。

本文實驗需要更換三種型號的半導體制冷片，在使用TEC1-12706型號的制冷片進行實驗后，由實驗結果可知，在穩態時實驗箱內的溫度場分布比較均勻(在實驗結果及分析部分有詳細介紹)，箱內最大溫差在1℃左右?？紤]到實驗所用熱電偶有限，因此在進行后續實驗時，調整了測點的布置位置和數量：制冷片TEC1-12704及制冷片TEC1-12708測點布置方式位置相同，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測點布置如圖。

2 結果分析

2.1 定常性驗證

在實驗箱挑選三個測點，坐標分別為A(10,6,24)、B(10,16,24)、C(10,26,24)，經過三次實驗測得的溫度值分別如圖5所示。

由實驗數據可知，在制冷條件不變的情況下，兩次制冷實驗中同一測點的溫度相差在0.2～0.3℃，在誤差范圍±0.5℃之內。因此我們可以認為本課題的半導體制冷實驗滿足定常性。

2.2 制冷片實驗結果

2.2.1 制冷片TEC1-12706實驗結果

表4Z=24 cm時,X-Y平面測點溫度

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，X-Y平面測點溫度

XY 61116613.713.413.31113.613.113.21614.113.513.52113.713.313.12614.113.713.6

表6Z=8 cm時，X-Y平面測點溫度

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實驗結果

表7Z=24 cm時,X-Y平面測點溫度

XY 41016617.517.517.61617.117.117.32616.6.16.716.4

表8Z=16 cm時,X-Y平面測點溫度

XY 41016616.916.817.11616.716.616.72616.716.416.2

表9Z=8 cm時,X-Y平面測點溫度

XY 41016617.016.917.11616.816.716.72617.116.616.4

2.2.3 制冷片TEC1-12708實驗結果

表10Z=24 cm時,X-Y平面測點溫度

XY 41016616.516.315.81616.116.215.12615.815.914.5

表11Z=16 cm時,X-Y平面測點溫度

XY 41016616.916.817.11616.716.616.72616.716.416.2

表12Z=8 cm時,X-Y平面測點溫度

XY 41016615.716.315.61616.016.015.32615.916.114.5

由實驗數據知，三種型號的制冷片在達到穩態時實驗箱內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平均的方法計算制冷過程達到穩態時實驗箱的平均溫度。經計算三組實驗的制冷平均溫度以及室內平均溫度如表13所示。

表13Z=16 cm時,X-Y平面測點溫度

XY 12 70612 70412 708室內平均溫度20.323.323.6制冷平均溫度13.616.915.9

實驗箱的初始溫度和穩態時的溫度有較大的溫差，可以達到6～7℃，降溫效果良好；在任意坐標方向(其他兩個坐標不變)滿足假設的溫度場的分布規律，即冷風口附近溫度低，遠離冷風口及回風口附近溫度相對較高。

2.3 制冷效率計算

比較這三種型號的制冷片制冷效果的差異，除了參考實驗箱的降溫效果，更重要的是計算它們的制冷效率。本實驗主要研究在系統達到穩態時的制冷效率，公式如式(1)

(1)

式中,輸入功率即為電源的功率，關鍵是求得穩態時的制冷量。在達到穩態時，由外界通過對流傳熱和箱體導熱傳入進實驗箱的熱量與制冷系統的制冷量相平衡，因此，制冷量可以通過計算外界傳入的熱量得到。

由傳熱學知識可知傳熱量計算公式[7]如式(2)和式(3)

Q=kA(t外-t內)

(2)

(3)

式中k——傳熱系數/W·m-2·K-1；

A——面積/m-2；

t外，t內——環境平均溫度/K，實驗箱內平均溫度/K；

hw——實驗箱外表面對流傳熱系數/W·m-2·K-1；

hn——實驗箱內表面對流傳熱系數/W·m-2·K-1；

δ——實驗箱體厚度/m,δ=0.02 m；

λ——箱體導熱系數/W·m-1·K-1,取0.03 W/(m·k)。

計算所需要的空氣物性[8]如表14所示。

表14空氣物性表

溫度動力粘度v×106/m2·s-1普朗特數Pr導熱系數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

由制冷量計算公式可知，制冷量的計算關鍵是計算對流傳熱系數，根據傳熱學知識，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)

經研究證明，該方程在Re≤2×105范圍內與對空氣進行的實驗結果符合良好。而經計算實驗箱內外雷諾數均遠小于2×105，故本實驗完全滿足該式的應用條件。同時在進行傳熱面積計算時，為方便計算，進行了簡化處理：

(1)由于實驗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，故計算時將底部視作絕熱；

(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。

三種型號半導體制冷片的制冷效率對比見圖6。

由計算結果可知，實驗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；半導體應用于空調制冷效率較低，一般不超過50%，因此更適合作為輔助制冷設備應用于汽車空調系統。

2.4 誤差分析

(1)忽略了底部傳熱以及箱體頂蓋處由漏風導致的冷負荷，致使實際的制冷量可能比計算的制冷量要大，計算所得制冷效率相對偏??；

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

(3)箱體的導熱系數是一個范圍值，導熱系數的選取不同會導致效率偏大或偏小，本課題計算時選用平均值；

(4)實驗箱內部體積小，在布置熱電偶時會對內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，示數與真實值之間存在一定的誤差。

3 結論

本文詳細介紹了實驗臺的設計和搭建，實驗參數的確定，半導體制冷片、熱管散熱器和直流電源的選擇。本章還對測點的布置進行了具體說明并完成了實驗，得到了完整的實驗結果，并分析總結了以下實驗結論：

(1)制冷系統滿足定常性的驗證，因此在缺乏實驗所需的測試設備時可多次進行實驗，完成制冷片制冷時溫度場的標定，所產生的誤差在誤差范圍以內；

(2)在制冷達到穩態時，實驗箱內部有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)半導體應用于空調制冷效率較低，一般不超過50%，因此更適合作為輔助制冷設備應用于汽車空調系統。

本文還對實驗誤差進行了分析，從整體上來說實驗的結果令人滿意，達到了實驗的研究目的，證明了半導體制冷應用于汽車輔助制冷設備的可行性。