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热电子共振隧穿制冷机的性能特征

罗小光  
【摘要】:塞贝克效应和帕尔贴效应早在19世纪初就被发现,这种热能跟电能的转换有力的补充了能量守恒定律。无需活动部件就能无限的进行能量转换令人欣喜若狂,但是超低的转换效率让大家望而却步。20世纪以来,随着电气化工业技术的突飞猛进,热电效应又被推至风口浪尖,如何提高热电转换效率已经成为了一个热门课题。 利用热电效应构成热机和制冷机等热电装置已经得到广泛的研究和利用。早期的热电子发射-吸收式热电装置的热流可由理查德森公式来描述,但是遇到当今热门的小尺寸装置,它就不适用了。朗道公式的出现,很好的解决了小尺寸热电装置中的量子隧穿等问题。热电装置可以抽象出热/冷电子库和处于它们之间的电子传导体,当冷电子库的化学势高于热电子库时就可以构成热电子热机和制冷机。大量的研究结果已经表明,这种热电装置的效率主要取决于电子传导体,当电子在传导体中选择性传输时,装置效率可以趋近卡诺极限。 本文先用通俗的理论推导了两正对面积相等的电子库之间电流密度的三维朗道方程。在分析波尔兹曼传输方程时发现,除了温度、化学势和电子的传输几率外,电子库传输电子的面积对除了效率以外的性能参量也有影响。利用传递矩阵法可计算电子在多层势垒势阱中的传输几率谱,并得到能作为好的能量过滤体的透射共振峰。论文中我们选用热电子制冷机来研究。 第3章和第4章都是在电子库传输电子面积相等(本文称作“对称”)的情况下,研究传导体对热电子制冷机性能的影响。将kx/kr动量选择机制用到单/双共振电子传输热电子制冷机中后发现,等效于增大共振宽度的双共振制冷机的制冷率都要比单共振的大,但制冷系数却比单共振的小。从两种选择机制的对比结果表明,n维热电装置采用n维过滤体,制冷系数才有可能趋近卡诺值。第4章介绍了双势垒结构摇摆型棘齿热电装置模型,在所输入方波电压的一个周期中存在定向电流,两库温度不同时就可以构成制冷机。给定偏压幅值V0后,电子库温度越大,制冷机的制冷区域就越宽,最大制冷率也越大,但是制冷系数反而越小。 第5章研究了电子库在非对称的情况下,热电子制冷机的性能特征。从所推导的结果发现,非对称热电子制冷机的净电流跟两电子库中最小的输运电子面积成正比,从而得到热流和熵增也都与这个最小面积成正比。可以将非对称热电子制冷机等效为以最小面积为输运电子面积的平行板热电子制冷机,以回归到由朗道方程描述的一般情况。在采用双势垒单势阱结构作为电子传导体后,制冷机的性能参量就可以用经济学优化准则和生态学优化准则来优化。通过数值模拟,可以得到最大制冷率和最大制冷系数之间的经济学优化区间,和在高制冷率低熵增的优化准则EQ和高效率低熵增的优化准则Ecop下的生态学优化区间,这对实际的研发和利用有重要的理论指导意义。


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