熱電子共振隧穿制冷機(jī)的性能特征.pdf

1、塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)早在19世紀(jì)初就被發(fā)現(xiàn),這種熱能跟電能的轉(zhuǎn)換有力的補(bǔ)充了能量守恒定律。無(wú)需活動(dòng)部件就能無(wú)限的進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換令人欣喜若狂,但是超低的轉(zhuǎn)換效率讓大家望而卻步。20世紀(jì)以來(lái),隨著電氣化工業(yè)技術(shù)的突飛猛進(jìn),熱電效應(yīng)又被推至風(fēng)口浪尖,如何提高熱電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)成為了一個(gè)熱門(mén)課題。
　　 利用熱電效應(yīng)構(gòu)成熱機(jī)和制冷機(jī)等熱電裝置已經(jīng)得到廣泛的研究和利用。早期的熱電子發(fā)射一吸收式熱電裝置的熱流可由理查德森公式來(lái)描述,但是遇到當(dāng)

2、今熱門(mén)的小尺寸裝置,它就不適用了。朗道公式的出現(xiàn),很好的解決了小尺寸熱電裝置中的量子隧穿等問(wèn)題。熱電裝置可以抽象出熱/冷電子庫(kù)和處于它們之間的電子傳導(dǎo)體,當(dāng)冷電子庫(kù)的化學(xué)勢(shì)高于熱電子庫(kù)時(shí)就可以構(gòu)成熱電子熱機(jī)和制冷機(jī)。大量的研究結(jié)果已經(jīng)表明,這種熱電裝置的效率主要取決于電子傳導(dǎo)體,當(dāng)電子在傳導(dǎo)體中選擇性傳輸時(shí),裝置效率可以趨近卡諾極限。
　　 本文先用通俗的理論推導(dǎo)了兩正對(duì)面積相等的電子庫(kù)之間電流密度的三維朗道方程。在分析波爾茲曼

3、傳輸方程時(shí)發(fā)現(xiàn),除了溫度、化學(xué)勢(shì)和電子的傳輸幾率外,電子庫(kù)傳輸電子的面積對(duì)除了效率以外的性能參量也有影響。利用傳遞矩陣法可計(jì)算電子在多層勢(shì)壘勢(shì)阱中的傳輸幾率譜,并得到能作為好的能量過(guò)濾體的透射共振峰。論文中我們選用熱電子制冷機(jī)來(lái)研究。
　　 第3章和第4章都是在電子庫(kù)傳輸電子面積相等(本文稱(chēng)作“對(duì)稱(chēng)”)的情況下,研究傳導(dǎo)體對(duì)熱電子制冷機(jī)性能的影響。將kx/kr動(dòng)量選擇機(jī)制用到單/雙共振電子傳輸熱電子制冷機(jī)中后發(fā)現(xiàn),等效于增大共振

4、寬度的雙共振制冷機(jī)的制冷率都要比單共振的大,但制冷系數(shù)卻比單共振的小。從兩種選擇機(jī)制的對(duì)比結(jié)果表明,n維熱電裝置采用n維過(guò)濾體,制冷系數(shù)才有可能趨近卡諾值。第4章介紹了雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)搖擺型棘齒熱電裝置模型,在所輸入方波電壓的一個(gè)周期中存在定向電流,兩庫(kù)溫度不同時(shí)就可以構(gòu)成制冷機(jī)。給定偏壓幅值V0后,電子庫(kù)溫度越大,制冷機(jī)的制冷區(qū)域就越寬,最大制冷率也越大,但是制冷系數(shù)反而越小。
　　 第5章研究了電子庫(kù)在非對(duì)稱(chēng)的情況下,熱電子制冷機(jī)

5、的性能特征。從所推導(dǎo)的結(jié)果發(fā)現(xiàn),非對(duì)稱(chēng)熱電子制冷機(jī)的凈電流跟兩電子庫(kù)中最小的輸運(yùn)電子面積成正比,從而得到熱流和熵增也都與這個(gè)最小面積成正比?？梢詫⒎菍?duì)稱(chēng)熱電子制冷機(jī)等效為以最小面積為輸運(yùn)電子面積的平行板熱電子制冷機(jī),以回歸到由朗道方程描述的一般情況。在采用雙勢(shì)壘單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)作為電子傳導(dǎo)體后,制冷機(jī)的性能參量就可以用經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化準(zhǔn)則和生態(tài)學(xué)優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)優(yōu)化。通過(guò)數(shù)值模擬,可以得到最大制冷率和最大制冷系數(shù)之間的經(jīng):濟(jì)學(xué)優(yōu)化區(qū)間,和在高制冷率低熵增