丁 飞

(中国电子科技集团公司第38研究所四创公司,合肥230031)

引言

半导体制冷器效率的提高,除了其本身制造材料和制造工艺的因素外,主要取决于散热、传冷方式及其良好的结构设计,所以研究N-P型电臂冷、热端的边界条件对制冷参数的影响有很重要的意义。

半导体制冷器的制冷参数的公式都是在冷、热端温度不变的第一类边界条件下推导出来的,但是在实际情况下,由于环境条件的变化,半导体制冷器并不是在标准的工况下运行,而且当需要考虑环境条件 (散热强度)变化对半导体制冷器的影响时,对半导体制冷器冷、热端在第三类边界条件下的研究是有一定的实际意义的。文献 [1]对此进行了分析,但是没有考虑汤姆逊效应的影响。文献[2]对半导体制冷器的结构尺寸及热电材料相关物性参数进行了较为系统的研究。

1 数学模型

本文在第三类边界条件下对N-P型电臂进行了传热分析,并考虑了汤姆逊效应的影响,得出了制冷参数随散热强度和电流改变的变化规律。

对于典型的N-P型电臂结构如图1所示。为了推导方便,做出以下简化:

(1)将焦耳热作为电臂中的内热源,帕耳帖热作为电臂端面的均匀有限热流,电臂中的传热为一维稳态导热;

(2)电臂侧面绝热,与外界无热交换;

(3)假定两电臂的电阻率、热导率、温差电动势和汤姆逊系数都不随温度变化。

(4)不考虑冷热端基板的热阻,由于基板尺寸非常小,可以假定N、P型电臂两端面不存在传热温差,则两电臂两端的温度分别相等 (经过计算,N、P型电臂两端的温度分别相差不超过1度)。……