曹海山

(清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系 北京 100084)

熱電制冷技術(shù)是一種固態(tài)制冷技術(shù)，通過(guò)向熱電模塊施加直流電源，將熱量通過(guò)熱電模塊從一端轉(zhuǎn)移至另一端實(shí)現(xiàn)制冷。與蒸氣壓縮式制冷相比，熱電制冷無(wú)需制冷劑、節(jié)流閥和壓縮機(jī)。因此，不僅不存在因制冷劑泄漏造成的環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)避免了制冷劑中雜質(zhì)低溫凝結(jié)或凝華從而在節(jié)流閥內(nèi)造成的阻塞問(wèn)題；而又因其無(wú)壓縮機(jī)，不涉及移動(dòng)部件，所以不易發(fā)生故障。

熱電制冷通過(guò)Peltier效應(yīng)直接利用電能實(shí)現(xiàn)制冷[1]，Peltier效應(yīng)由J. Peltier[2]于1834年發(fā)現(xiàn)，是指電流流過(guò)兩種不同材料的結(jié)點(diǎn)處時(shí)，從外界吸收熱量或向外界放出熱量的現(xiàn)象。Peltier效應(yīng)的逆效應(yīng)，即溫度差引起電壓差的熱電現(xiàn)象，于1822年由T. J. Seebeck發(fā)現(xiàn)，被稱為Seebeck效應(yīng)[3]。1857年，W. Thomson建立了Seebeck系數(shù)和Peltier系數(shù)之間的關(guān)系，并預(yù)測(cè)了第三種熱電效應(yīng)的存在，即Thomson效應(yīng)[4]。雖然Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)均涉及由兩種不同材料組成的回路，且均發(fā)生在不同材料的結(jié)點(diǎn)處，但它們和Thomson效應(yīng)類似，均源于材料中的載流子所攜帶能量的差異，這三種效應(yīng)構(gòu)成了描述熱電能量直接轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)。

E. Altenkirch[5]在1911年首先提出利用Peltier效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷的概念。熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)初期，研究人員對(duì)熱電材料的研究重點(diǎn)集中在金屬和金屬合金上。由Wiedemann-Franz-Lorenz定律可知，金屬和金屬合金的熱導(dǎo)率(k)與電導(dǎo)率(σ)的比值為常數(shù)，不可能在增加一個(gè)的同時(shí)減少一個(gè)。因此，熱電優(yōu)值(ZT=α2σT/k)最高的金屬是具有最高Seebeck系數(shù)(α)的金屬，大多數(shù)金屬的Seebeck系數(shù)為幾十μV/K或更低，若用來(lái)制冷，效率低、不經(jīng)濟(jì)。由于材料的限制，這個(gè)時(shí)期熱電制冷并未得到重視和發(fā)展。高性能半導(dǎo)體熱電材料的發(fā)現(xiàn)[6]為熱電制冷的發(fā)展提供了新的契機(jī)，1954年H. J. Goldsmid等[7]證明了基于高熱電性能半導(dǎo)體材料的熱電制冷機(jī)從環(huán)境溫度冷卻至0 ℃以下是可能的，此后熱電制冷逐漸引起人們的關(guān)注。

熱電制冷機(jī)的原理如圖1所示，基本的熱電制冷機(jī)主要包括p 型、n 型熱電材料、金屬電極以及陶瓷基板等幾個(gè)部分。金屬電極與熱電材料之間還有焊料層和金屬化層，焊料層主要用于金屬電極與熱電材料間的連接。金屬化層的作用一方面是改變焊料與熱電材料之間的親潤(rùn)性，強(qiáng)化焊料與熱電材料的黏合力度；另一方面是阻止焊料元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入熱電材料內(nèi)改變材料的熱電性能。熱電制冷機(jī)是通過(guò)在兩種材料之間施加電壓而產(chǎn)生溫差。從宏觀上看，當(dāng)直流電流流過(guò)熱電制冷機(jī)時(shí)，熱量從一端轉(zhuǎn)移至另一端，所以一端變冷，另一端變熱。從微觀上看，當(dāng)電壓加到熱電制冷機(jī)上時(shí)，電子通過(guò)金屬導(dǎo)體從p型材料移動(dòng)至n型材料，電子躍遷至高能態(tài)，吸收冷端熱量，冷端溫度降低；當(dāng)電子通過(guò)金屬導(dǎo)體從n型材料流向p型材料時(shí)，電子躍遷至低能態(tài)，釋放熱量至熱端，熱端溫度升高，為維持熱端溫度不變，需要通過(guò)熱端散熱器將熱量釋放至環(huán)境中。

圖1 熱電制冷機(jī)原理

近年來(lái)，關(guān)于熱電制冷技術(shù)的綜述已有針對(duì)性地討論過(guò)該技術(shù)在熱電材料[8]、制冷性能模擬[9]、幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化[10]、應(yīng)用領(lǐng)域[11]等方面的研究進(jìn)展。本文將從熱電材料、制冷機(jī)結(jié)構(gòu)、功能層界面和熱端散熱器四個(gè)方面如何提高熱電制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行梳理，并按熱電制冷機(jī)具有的尺寸任意縮放、無(wú)振動(dòng)、可靠性高、控溫精度高等優(yōu)勢(shì)特性分類介紹熱電制冷機(jī)的應(yīng)用。

1 熱電材料

為分析熱電材料對(duì)制冷機(jī)性能的影響，首先考慮理想熱電制冷機(jī)，理想熱電制冷機(jī)基于以下假設(shè)：1)材料的物理參數(shù)不隨溫度變化；2)熱電偶臂不與環(huán)境發(fā)生熱交換；3)不考慮制冷機(jī)各功能層界面處的熱阻和電阻；4)不考慮熱電材料的Thomson效應(yīng)。

對(duì)于如圖1所示給定結(jié)構(gòu)的理想熱電制冷機(jī)而言，其制冷效率和回路電流有關(guān)，欲使COP最大，電流I應(yīng)滿足dCOP/dI=0的條件，不考慮界面電阻和熱阻的影響，最大制冷效率(COPmax)可表示為：

(1)

式中：ZTm為熱端溫度Th與冷端溫度Tc之間ZT值的平均值。

理想熱電制冷機(jī)冷熱兩端溫差同樣和回路電流有關(guān)，欲使ΔT最大，I應(yīng)滿足dΔT/dI=0，不考慮界面電阻和熱阻的影響，最大制冷溫差可表示為：

(2)

由式(1)和式(2)可知，熱電材料的ZT值直接決定電制冷機(jī)的COP和制冷溫差。在室溫以上工作的熱電材料已取得一定進(jìn)展，如硒化錫(SnSe)773 K的ZT值已達(dá)2.8±0.5[12]，是目前ZT值的最高紀(jì)錄。但在室溫、低溫工作的熱電材料依然非常有限。J. Mao等[8]總結(jié)了應(yīng)用于室溫和低溫的熱電材料，如圖2所示，可知室溫和低溫的熱電材料的ZT值尚未突破1。在約300 K，Mg3Bi2-xSbx和Bi2Te3alloys分別為性能最優(yōu)的n型和p型熱電材料，而在約150 K，Bi1-xSbx和CsBi4Te6分別為性能最優(yōu)的n型和p型熱電材料。B. Poudel等[13]發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)的BiSbTe合金在室溫條件下的ZT值可達(dá)約1.2，研究發(fā)現(xiàn)ZT的改善是晶界和缺陷增加了聲子散射，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低的結(jié)果，這一發(fā)現(xiàn)為開(kāi)發(fā)高性能、低成本的熱電材料提供了新的思路。除納米結(jié)構(gòu)外，還可通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化載流子有效質(zhì)量提高熱單材料性能[14]。Xiao Yu等[15]提出高性能熱電材料應(yīng)具有過(guò)寬帶隙、各向異性傳輸特性、層狀結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)等特征，但具有該特征的室溫和低溫的熱電材料有待進(jìn)一步研發(fā)。

圖2 低溫和室溫?zé)犭姴牧系腪T值[8]

由式(1)和式(2)可知，熱電材料的ZT值直接決定熱電制冷機(jī)的性能，圖3所示為熱電制冷機(jī)的制冷效率COP與制冷溫差和ZTm值的關(guān)系，其中COP的計(jì)算值基于熱端溫度為300 K與ZTm值為常數(shù)的假設(shè)。在一定的溫差下，ZTm值越高，COP越高。圖中紅色和藍(lán)色符號(hào)分別代表熱電制冷系統(tǒng)和蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)COP，可知熱電制冷系統(tǒng)實(shí)際COP低于基于ZTm=0.5 的熱電制冷系統(tǒng)理論COP，主要是由于實(shí)際制冷系統(tǒng)的非理想性造成的，如界面熱阻、電阻以及系統(tǒng)漏熱等。此外，由圖3可知，若通過(guò)熱電制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)與蒸氣壓縮制冷技術(shù)相當(dāng)?shù)腃OP，熱電材料的ZTm值需約提高至4，有研究者根據(jù)理論樂(lè)觀地認(rèn)為將會(huì)找到含有ZTm>4的材料[1]，但目前尚無(wú)法預(yù)測(cè)高效熱電材料應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)和組成，尋找更高效熱電材料的方法存在系統(tǒng)性不強(qiáng)、效率低的問(wèn)題。

圖3 熱電制冷性能[8]

2 熱電制冷機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 分段結(jié)構(gòu)熱電制冷機(jī)

如圖2所示，每種熱電材料均存在最佳工作溫度，偏離最佳工作溫度，ZT值降低，為改善熱電制冷機(jī)在一定溫度范圍內(nèi)的性能，可將熱電臂由同種材料改為不同種材料組合的分段結(jié)構(gòu)[16-18]，如圖4(a)所示，由Mg3Bi1.25Sb0.75和Bi0.905Sb0.095構(gòu)成的n型熱電臂與Bi2-xSbxTe3和CsBi4Te6構(gòu)成的p型熱電臂構(gòu)成的熱電制冷機(jī)理論上比由基于同種材料熱電臂構(gòu)成的熱電制冷機(jī)具有更好的性能。圖4(b)所示為熱電臂不同熱電材料兼容性沖突的示例，在該示例中，一種熱電材料從熱端溫度(Th)降至中間溫度(Tm)，另一種熱電材料從中間溫度(Tm)降至冷端溫度(Tc)，由于兩種熱電材料為串聯(lián)，所以它們必須在相同的電流下運(yùn)行，但圖中所示的情況兩種熱電材料不能同時(shí)在最優(yōu)工作電流條件下運(yùn)行。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，需要優(yōu)化每段材料的幾何尺寸，以使每段材料的最佳工作電流一致。Bian Zhixi等[19-20]通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)，保持熱電材料的ZT值不變，但Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率隨位置變化的非均勻材料的最大制冷溫差可超越式(2)描述的均勻材料制冷溫差理論極限，制冷溫差的提高是由于Joule熱量和Peltier冷量沿電流和熱流方向的重新分布。

圖4 分段結(jié)構(gòu)熱電制冷機(jī)

2.2 多級(jí)熱電制冷機(jī)

給定熱電材料的情況下，熱電制冷機(jī)可實(shí)現(xiàn)的最低制冷溫度由式(2)決定，為了提高熱電制冷機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度，可采用多級(jí)構(gòu)造，如圖5(a)所示。對(duì)于n級(jí)熱電制冷機(jī)而言，若假設(shè)每一級(jí)的效率均相等并用COP*表示，則n級(jí)熱電制冷機(jī)總體COPm可表示為[21-22]：

COPm=[(1+1/COP*)n-1]-1

(3)

若假設(shè)每一級(jí)的制冷溫差相等，且等于(Th-Tc)/n，Th和Tc分別為n級(jí)熱電制冷機(jī)熱端和冷端溫度，則每一級(jí)的COP*與熱端和冷端溫度分別為Th和Tc的單級(jí)制冷機(jī)COPs的關(guān)系可近似表示為[21-22]：

COP*=n(COPs+0.5)-0.5

(4)

圖5(b)所示為n級(jí)熱電制冷機(jī)總體COPm與單級(jí)熱電制冷機(jī)COPs的關(guān)系，其中COP的計(jì)算值基于熱端溫度為300 K與ZTm=1的假設(shè)。由圖5(b)可知，在單級(jí)制冷機(jī)COPs較低的情況下，通過(guò)多級(jí)結(jié)構(gòu)可大幅提升制冷機(jī)的COP，且多級(jí)熱電制冷機(jī)COPm隨著級(jí)數(shù)的增加而增加，但增幅逐漸降低。對(duì)于ZTm=1的材料而言，隨著制冷溫差由32 K增至88 K，單級(jí)制冷機(jī)COPs由1降至0.001。因此，為實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度，可采用多級(jí)結(jié)構(gòu)的熱電制冷，商業(yè)化六級(jí)熱電制冷機(jī)已可在165 K的制冷溫度下實(shí)現(xiàn)0.026的COP[23]。

圖5 多級(jí)熱電制冷機(jī)

2.3 Y形構(gòu)造熱電制冷機(jī)

由式(1)和式(2)可知，理想情況下熱電制冷機(jī)的COP和最冷溫度與熱電材料的尺寸無(wú)關(guān)。而實(shí)際上，因?yàn)榻苟鸁岷蛯?dǎo)熱損失的相對(duì)影響會(huì)隨著尺寸的減小而增加，因此隨著熱電材料尺寸的減小，系統(tǒng)制冷性能會(huì)下降。為減少熱電材料的使用量，D. T. Crane等[24-25]提出一種Y形構(gòu)造熱電器件，如圖6所示，電流方向與熱流方向垂直。相比于π形構(gòu)造，Y形構(gòu)造中電流流經(jīng)電極的路徑更短，因此相應(yīng)電極造成的焦耳損失更小，在該構(gòu)造中，因熱電材料造成的導(dǎo)熱損失和焦耳損失取決于具體的結(jié)構(gòu)尺寸。此外，在Y形構(gòu)造中，外界應(yīng)力施加于高低溫電極和絕緣部件上，而不是直接傳遞給熱電材料，使熱電材料從應(yīng)力場(chǎng)中分離出來(lái)，有利于延長(zhǎng)熱電器件的使用壽命[26]。但Y形構(gòu)造目前主要用于熱電發(fā)電機(jī)，該結(jié)構(gòu)對(duì)熱電制冷機(jī)性能的影響有待進(jìn)一步研究。

圖6 Y形構(gòu)造熱電器件[24]

3 功能層界面

熱電制冷機(jī)降溫過(guò)程中，隨著冷熱兩端的溫差逐漸增大，溫差熱應(yīng)力也隨之增加，界面處的高熱應(yīng)力是熱電制冷機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行期間關(guān)鍵的失效機(jī)制[27]。熱電制冷機(jī)各功能層之間的界面連接包括：陶瓷和金屬層、金屬層和熱電材料的界面連接(見(jiàn)圖1)。陶瓷和金屬之間的連接可不引入其他材料，僅通過(guò)陶瓷金屬化工藝實(shí)現(xiàn)，其界面對(duì)制冷機(jī)的性能影響較小，常用的陶瓷金屬化技術(shù)包括共燒法、厚膜法、直接敷銅法、直接敷鋁法及薄膜法等[28]。金屬層和熱電材料之間主要通過(guò)錫焊或釬焊的方式連接[29]。H. S. Choi等[30]通過(guò)加速壽命實(shí)驗(yàn)研究了熱電制冷機(jī)的壽命，發(fā)現(xiàn)熱電制冷機(jī)的壽命服從Weibull分布，其形狀參數(shù)為3.6，大于服從指數(shù)分布(形狀參數(shù)為1)的常規(guī)電子器件，熱應(yīng)力損傷被認(rèn)為是影響其壽命的主要原因。此外，X射線結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)運(yùn)行一段時(shí)間后的熱電制冷機(jī)功能層界面出現(xiàn)由熱應(yīng)力引起的局部裂紋和錯(cuò)位。Gong Tingrui等[27]通過(guò)對(duì)熱電制冷機(jī)的熱應(yīng)力分析同樣發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致功能層界面的位錯(cuò)和裂紋，并進(jìn)一步分析了電流、熱電偶臂長(zhǎng)度、陶瓷層厚度和焊料層厚度對(duì)熱應(yīng)力的影響規(guī)律，提出熱應(yīng)力最小化的設(shè)計(jì)。相比熱電制冷機(jī)，熱電發(fā)電機(jī)冷熱兩端的溫差更大，熱應(yīng)力對(duì)其造成的影響也更為突出。E. Hatzikraniotis等[31]將基于Bi2Te3熱電發(fā)電機(jī)(尺寸：2.5 cm × 2.5 cm；熱電偶數(shù)：25；型號(hào)：Melcor HT9-3-25)的冷端固定在24 ℃，熱端在30～200 ℃之間周期性變化，研究發(fā)現(xiàn)6 000 次循環(huán)(3 000 h)后, 最大功率下降14%, 最大開(kāi)路電壓降低3.3%，電阻增加16.1%。電阻增加的原因推測(cè)是由溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成的微裂紋而產(chǎn)生，循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)掃描電鏡在熱電材料和焊料界面附件觀察到了未在新熱電發(fā)電機(jī)上出現(xiàn)的微裂紋(見(jiàn)圖7)。為增強(qiáng)熱電材料和焊料的結(jié)合強(qiáng)度，在焊接前先通過(guò)磁控濺射、電化學(xué)沉積、無(wú)極電鍍等工藝將熱電材料端面金屬化。目前，常將具有良好的焊接性能的鎳作為金屬化層材料，其與熱電材料的結(jié)合強(qiáng)度決定著熱電轉(zhuǎn)換器件的穩(wěn)定性。

圖7 Bi2Te3 熱電器件熱循環(huán)測(cè)試后界面的微觀形貌[31]

4 熱端散熱器

熱電制冷利用電能將冷端熱量轉(zhuǎn)移至熱端，冷端制冷量隨著冷熱兩端溫差的增大而降低。為使被冷卻對(duì)象溫度保持在合理范圍內(nèi)，需要及時(shí)把熱端熱量通過(guò)熱端散熱器散至環(huán)境中。圖8所示為熱電制冷機(jī)結(jié)構(gòu)及其熱阻網(wǎng)絡(luò)，其中To、Tc、Tcj、Thj、Th和Tamb分別為冷卻對(duì)象溫度、制冷機(jī)冷端溫度、熱電偶臂冷端溫度、熱電偶臂熱端溫度、制冷機(jī)熱端溫度和環(huán)境溫度，Ro,c、Rc,cj、Rhj,h和Rh,amb分別為冷卻對(duì)象/制冷機(jī)冷端的導(dǎo)熱及界面熱阻、制冷機(jī)冷端/熱電偶臂冷端的導(dǎo)熱及界面熱阻、熱電偶臂熱端/制冷機(jī)熱端的導(dǎo)熱及界面熱阻和制冷機(jī)熱端/環(huán)境對(duì)流換熱熱阻。各功能層間的導(dǎo)熱及界面熱阻主要取決于各功能層材料及其加工工藝[32]，目前還沒(méi)有直接測(cè)量界面熱阻的方法[26]，制冷機(jī)熱端/環(huán)境對(duì)流換熱熱阻則主要取決于熱端散熱器的設(shè)計(jì)。目前散熱器主要有空氣冷卻、單相液體冷卻和兩相液體冷卻三種方式?？諝饫鋮s具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝等特點(diǎn)，但散熱通量有限，上限約為50 W/cm2[33]。當(dāng)熱通量達(dá)到甚至超過(guò)100 W/cm2時(shí)，空氣冷卻已不適用于大多數(shù)應(yīng)用[34]，應(yīng)采用具有更高散熱通量的液體冷卻。液體冷卻分為單相液體冷卻和兩相液體冷卻，相比單相液體冷卻，兩相液體冷卻系統(tǒng)的壓降更大、系統(tǒng)復(fù)雜度更高，當(dāng)熱通量超過(guò)300 W/cm2，單相液體冷卻無(wú)法滿足要求時(shí)，可采用兩相液體冷卻[35]。

圖8 熱電制冷機(jī)結(jié)構(gòu)及其熱阻網(wǎng)絡(luò)

5 熱電制冷機(jī)的應(yīng)用

由于熱電材料性能的限制，目前熱電制冷技術(shù)在價(jià)格和效率方面還無(wú)法與傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷技術(shù)相比，但熱電制冷技術(shù)因尺寸高度可控、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、控溫精度高、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，已應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)Τ叽?、振?dòng)、可靠性、控溫精度等的要求比對(duì)價(jià)格和效率的要求更高。本文將熱電制冷機(jī)的應(yīng)用按其尺寸任意縮放、無(wú)振動(dòng)、可靠性高、控溫精度高等特性分類如下：

1) 尺寸任意縮放特性：熱電制冷機(jī)因其固態(tài)結(jié)構(gòu)屬性，可任意放大縮小，但因材料性能的限制，制冷效率較低，目前多用于微小尺寸制冷的領(lǐng)域，如便攜式冰箱[36]、冷凍手術(shù)用冷凍探針[37]、 電子器件冷卻[38]、可穿戴制冷[39]、汽車座椅[40]、電動(dòng)汽車空調(diào)[41]等；

2) 無(wú)振動(dòng)特性：熱電制冷機(jī)不需要壓縮機(jī)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可提供無(wú)振動(dòng)制冷，因此可用于對(duì)振動(dòng)敏感的領(lǐng)域，如無(wú)振動(dòng)恒溫箱[42]、掃描隧道顯微鏡[43]等；

3) 控溫精度高特性：熱電制冷機(jī)配合適當(dāng)?shù)拈]環(huán)溫度控制電路[44]，可將溫控到0.1 ℃以內(nèi)，因此可用于需要精確控溫的領(lǐng)域，如激光器控溫[45]、微/納米技術(shù)領(lǐng)域的測(cè)量、加工和操控[42]、精確控位[46]、電荷耦合器件(CCD)控溫[47]、紅外焦平面陣列控溫[48]等；

4) 可靠性高特性：熱電制冷機(jī)具有很高的可靠性，其壽命一般大于200 000 h[49]，因此可用于需要高可靠性的領(lǐng)域，如空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)溫控[50]、空間遙感[51]、空間紅外探測(cè)[52]等。

6 結(jié)論

熱電制冷技術(shù)是一種基于半導(dǎo)體的固態(tài)制冷技術(shù)，通過(guò)對(duì)熱電模塊施加直流電源，使熱量因Peltier效應(yīng)的作用通過(guò)模塊從一端傳至另一端。影響熱電制冷機(jī)性能的因素包括熱電材料、制冷機(jī)結(jié)構(gòu)、功能層界面以及熱端散熱器性能等。雖然熱電制冷具有尺寸高度可控、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、控溫精度高、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，但目前仍未得到廣泛應(yīng)用，建議從以下4個(gè)方面開(kāi)展進(jìn)一步深化研究：

1)熱電制冷機(jī)的COP與熱電材料性能和制冷溫差密切相關(guān)，目前可提供10～30 K制冷溫差的熱電制冷機(jī)的COP仍小于1.5，熱電材料的ZT值需提升至約4.0，才能實(shí)現(xiàn)與蒸氣壓縮式制冷相當(dāng)?shù)腃OP(3.0～4.5)。此外，目前熱電材料的ZT值在低溫溫區(qū)(<120 K)還小于0.5，如何提高熱電材料在低溫溫區(qū)的熱電優(yōu)值有待進(jìn)一步探索。

2)關(guān)于熱電制冷機(jī)結(jié)構(gòu)，多級(jí)熱電制冷機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度，發(fā)展相對(duì)成熟，目前商業(yè)化五級(jí)熱電制冷機(jī)可實(shí)現(xiàn)的制冷溫差已達(dá)137 K[53]。分段結(jié)構(gòu)和Y形構(gòu)造熱電主要用于發(fā)電器件，兩種結(jié)構(gòu)在制冷領(lǐng)域的研究相對(duì)較少，發(fā)展尚不成熟。

3)目前熱電制冷機(jī)COP小于基于ZTm=0.5的熱電制冷理想COP(見(jiàn)圖3(a))，說(shuō)明制冷機(jī)結(jié)構(gòu)、功能層界面以及熱端散熱器性能等因素仍有提升空間。功能層界面不僅影響熱電制冷器的壽命，其電阻和熱阻同時(shí)影響熱電制冷機(jī)的性能，因此功能層的選擇應(yīng)綜合考慮其熱、電和機(jī)械三方面的性能。熱端散熱器的選擇不僅與其熱性能有關(guān)，還需根據(jù)其應(yīng)用考慮其他參數(shù)，例如對(duì)振動(dòng)敏感的被冷卻器件而言，熱端散熱器的選擇應(yīng)避免造成振動(dòng)的部件的引入。

4)熱電制冷機(jī)具有尺寸高度可控的優(yōu)點(diǎn)，但因受到熱電制冷效率低的限制，目前熱電制冷主要應(yīng)用于所需制冷量較小或?qū)χ评湫室筝^低的領(lǐng)域，熱電制冷機(jī)效率的改善和成本的降低將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。