【摘 要】
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近年来,温室效应所造成的全球变暖极端气候正逐步威胁着地球生态和人类生活,也迫使传统制冷行业开始探索新的制冷技术。基于电卡效应的固态制冷技术作为一种清洁、高效、驱动方式简单的新型制冷技术,有望替代传统蒸气压缩式制冷,并应用于电子元件散热领域。本文在阐述电卡效应发展历程、热力学机理和测量方法的基础上,对现有电卡制冷装置进行归纳整理和特点分析,提出以单侧吸放热的微型热电元件作为热开关,结合商用多层电容式
【基金项目】
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重庆市科技创新与应用专项:cstc2019jscx-msxm X0046；
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近年来,温室效应所造成的全球变暖极端气候正逐步威胁着地球生态和人类生活,也迫使传统制冷行业开始探索新的制冷技术。基于电卡效应的固态制冷技术作为一种清洁、高效、驱动方式简单的新型制冷技术,有望替代传统蒸气压缩式制冷,并应用于电子元件散热领域。本文在阐述电卡效应发展历程、热力学机理和测量方法的基础上,对现有电卡制冷装置进行归纳整理和特点分析,提出以单侧吸放热的微型热电元件作为热开关,结合商用多层电容式电卡元件设计并搭建了静态电卡制冷器件,对电卡元件的电卡效应温变值和该电卡制冷器件的性能进行了实验研究。主要的研究内容和结果如下:（1）在室温条件下,制作2×2阵列排布的电卡模块并对商用多层电容式电卡元件的电卡效应进行测量。在高电平分别为50V、100V、150V、200V、250V、300V、350V、400V,低电平为0V的极化电压方波信号作用下,电卡元件表面的电卡效应温变值先随着极化电压的增大而增大,并在300V时取得0.63℃的最大温变值,之后在350V和400V极化电压作用下电卡元件表面无明显温度变化。检测发现,当极化电压为347V时,电卡元件被击穿,不再产生电卡效应,电卡元件的击穿电场强度为38.13MV/m,为后续电卡制冷器件制冷性能的实验研究中极化电压的设定提供了参考。（2）以微型热电元件为热开关,结合具有4×5阵列的电卡模块搭建电卡制冷器件和制冷性能测试系统,测量了热源无负载时器件的最大温度跨度。随着工作频率增大,温度跨度先增大后减小,并在0.2Hz的工作频率下取得最大值。而热电热开关电压越大,器件的温度跨度越大,在热开关电压为0.7V时,器件的最大温度跨度为0.96℃,接近电卡效应温变值的两倍。（3）以微型陶瓷电加热片为热源,铝制翅片为散热器,在温度跨度稳定时,电加热片的加热功率相当于器件的制冷功率,测量不同加热功率下温度跨度与制冷功率的关系。在200V极化电压、0.2Hz工作频率和0.4V热电热开关电压条件下测试并拟合发现,电卡制冷器件的温度跨度与制冷功率呈线性变化关系,冷热端温度跨度越小,制冷功率越大,最大为810m W,相应制冷热流密度为1.11W/cm~2。（4）测量0.05-0.5Hz工作频率和0.2-1.0V热电热开关电压下电卡制冷器件的制冷性能系数。制冷性能系数随着工作频率的增大而减小,且工作频率越趋近于零,性能系数的增加幅度越大。随着热电热开关电压的增大,性能系数先增大后减小,在0.6V时测得器件最大制冷性能系数为11.4,热电热开关电压不是越大越好。（5）测量电卡制冷器件在长时间运行过程中温度跨度的变化情况,分析器件的循环稳定性。在200V极化电压、0.4V热开关电压和0.2Hz工作频率的条件下,器件经历5000次工作循环测试之后,其冷热端温度跨度相较初始值仅降低了5%,测试过程中未发生任何电气故障,器件具有良好的循环稳定性。本文研究了基于热电热开关的单级静态电卡制冷器件的制冷性能和循环稳定性,该器件展示出良好的制冷效率、稳定性和紧凑性,对微型制冷器件的研发有着重要意义。随着电卡制冷器件的深入研究,未来其在制冷空调、可穿戴设备、局部精准控温等方面有着广阔的应用前景,能为设备热管理提供新的解决方案。
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