熱電子共振隧穿制冷機的性能特征.pdf

1、塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)早在19世紀初就被發(fā)現(xiàn),這種熱能跟電能的轉(zhuǎn)換有力的補充了能量守恒定律。無需活動部件就能無限的進行能量轉(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世紀以來,隨著電氣化工業(yè)技術(shù)的突飛猛進,熱電效應(yīng)又被推至風口浪尖,如何提高熱電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)成為了一個熱門課題。
　　 利用熱電效應(yīng)構(gòu)成熱機和制冷機等熱電裝置已經(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描述,但是遇到當

2、今熱門的小尺寸裝置,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題。熱電裝置可以抽象出熱/冷電子庫和處于它們之間的電子傳導(dǎo)體,當冷電子庫的化學(xué)勢高于熱電子庫時就可以構(gòu)成熱電子熱機和制冷機。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,當電子在傳導(dǎo)體中選擇性傳輸時,裝置效率可以趨近卡諾極限。
　　 本文先用通俗的理論推導(dǎo)了兩正對面積相等的電子庫之間電流密度的三維朗道方程。在分析波爾茲曼

3、傳輸方程時發(fā)現(xiàn),除了溫度、化學(xué)勢和電子的傳輸幾率外,電子庫傳輸電子的面積對除了效率以外的性能參量也有影響。利用傳遞矩陣法可計算電子在多層勢壘勢阱中的傳輸幾率譜,并得到能作為好的能量過濾體的透射共振峰。論文中我們選用熱電子制冷機來研究。
　　 第3章和第4章都是在電子庫傳輸電子面積相等(本文稱作“對稱”)的情況下,研究傳導(dǎo)體對熱電子制冷機性能的影響。將kx/kr動量選擇機制用到單/雙共振電子傳輸熱電子制冷機中后發(fā)現(xiàn),等效于增大共振

4、寬度的雙共振制冷機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。從兩種選擇機制的對比結(jié)果表明,n維熱電裝置采用n維過濾體,制冷系數(shù)才有可能趨近卡諾值。第4章介紹了雙勢壘結(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周期中存在定向電流,兩庫溫度不同時就可以構(gòu)成制冷機。給定偏壓幅值V0后,電子庫溫度越大,制冷機的制冷區(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章研究了電子庫在非對稱的情況下,熱電子制冷機

5、的性能特征。從所推導(dǎo)的結(jié)果發(fā)現(xiàn),非對稱熱電子制冷機的凈電流跟兩電子庫中最小的輸運電子面積成正比,從而得到熱流和熵增也都與這個最小面積成正比。可以將非對稱熱電子制冷機等效為以最小面積為輸運電子面積的平行板熱電子制冷機,以回歸到由朗道方程描述的一般情況。在采用雙勢壘單勢阱結(jié)構(gòu)作為電子傳導(dǎo)體后,制冷機的性能參量就可以用經(jīng)濟學(xué)優(yōu)化準則和生態(tài)學(xué)優(yōu)化準則來優(yōu)化。通過數(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):濟學(xué)優(yōu)化區(qū)間,和在高制冷率低熵增