實際熱電制冷系統(tǒng)的動態(tài)特性及熱-電轉換過程研究.pdf

1、隨著大規(guī)模通信設備和和數(shù)據(jù)處理器的封裝微型化及接觸界面高熱流密度發(fā)展趨勢,以界面熱量傳遞為主的熱管理問題普遍存在。熱電制冷作為一項全固態(tài)主動式界面冷卻技術,噪音低、結構緊湊、無制冷工質、運行經(jīng)濟、環(huán)境友好,正好契合了部分特殊領域的發(fā)展需求而有了新的發(fā)展契機。然而,在目前還沒有高優(yōu)值系數(shù)熱電材料或某些新型熱電材料進入實際應用的背景下,如何對現(xiàn)有的熱電材料進行優(yōu)化應用已成為具有現(xiàn)實意義的重要研究課題。不僅如此,國外學者開始關注采用脈沖電源驅

2、動熱電制冷系統(tǒng)獲得瞬態(tài)過冷強化作用,但研究人員主要側重于瞬態(tài)實現(xiàn)熱電過冷效應的最大化(即以獲得最大瞬態(tài)溫差,或者最低瞬態(tài)過冷溫度為目標),卻忽略了量化各參數(shù)作用的影響權重,以及在實際應用中,強化制冷效應在特征時間區(qū)域的熱穩(wěn)定性相關的動態(tài)特性研究。
　　課題來源于“國家自然科學基金委員會科學部主任基金”(No.51246005)、“2012年教育部博士點基金”(No.20120142110045)、中國科學院“低溫工程學重點實驗室開

3、放課題基金”(No.CRYO201121)、和“湖北省自然科學基金”(No.2011CD13288)。論文的主要工作是結合已有介紹的熱-電轉換機理,分別從實驗研究和數(shù)值模擬的角度出發(fā),系統(tǒng)討論分析了實際熱電制冷系統(tǒng)中多參數(shù)耦合作用下的制冷特性及其熱-電轉換過程,并嘗試對當前新型的脈沖驅動強化瞬態(tài)熱電制冷技術進行了探索性研究。
　　首先,系統(tǒng)討論了熱電模塊在穩(wěn)態(tài)工況下的綜合影響因素及其熱-電轉換過程中的基本工作特性。分析結果表明:選

4、擇小截面的半導體制冷器件不僅不會對器件的整體制冷性能造成不利,且有利于節(jié)省材料。在工作條件和材料確定之后,制冷量只取決于“面積/長度”的比值(G因子),并且存在最佳推薦區(qū)間為0.06cm~0.15cm,使得熱電制冷器件的理論制冷量達到最佳工況。另外,以兩級為例,得到級間元件總數(shù)比值在推薦范圍2≤r≤4時,相比單級模塊更能突出多級熱電堆的制冷效果優(yōu)勢。
　　其次,從實驗的角度,對實際熱電系統(tǒng)在幾組變工況參數(shù)影響下的動態(tài)制冷特性進行了

5、分析。實驗結果表明:通過強化熱電模塊冷端熱沉與冷側介質環(huán)境之間的熱交換強度,可以明顯提高基于瞬態(tài)界面效應的帕爾貼制冷量在較短時間內(nèi)對目標熱載荷作用的制冷效果。而當熱端熱沉換為兩相熱虹吸式雙環(huán)路熱管,系統(tǒng)的制冷效率COP達到0.48,相比傳統(tǒng)散熱器結構(風扇+翅片的熱沉形式)的散熱性能,制冷器COP提高了78％。
　　再者,從理論分析的角度,針對實際熱電制冷系統(tǒng)建立了非穩(wěn)態(tài)熱傳遞能量守恒方程,并采用本征函數(shù)法和有限差分法相結合,獲得

6、了關于時間項和空間項的數(shù)值求解表達式。同時,還通過改建的PWM性能測試臺,實驗驗證了數(shù)學模型對于突變電壓作用下的制冷性能趨勢預測的可行性和準確性。
　　最后,在已建立的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型基礎上,自定義構造了脈沖波形函數(shù)作為模型中的電壓輸入信號,由此建立了描述脈沖驅動模式作用的熱電制冷非穩(wěn)態(tài)模型。同時,還引入了3個表征動態(tài)響應特性的特征時間,系統(tǒng)分析了脈沖特征參數(shù)對瞬態(tài)強化熱電過冷效應的作用規(guī)律,并嘗試揭示了脈沖驅動作用下的瞬態(tài)熱-電轉

7、換過程以及熱量分配機制。具體分析得到:從輸入電功的高效轉化目標出發(fā),具有單調(diào)遞增趨勢的脈沖電壓相比單調(diào)遞減趨勢的脈沖電壓,更能保證實現(xiàn)更高效的熱-電轉化過程。而進一步權衡脈沖波形的經(jīng)濟性優(yōu)勢,以正弦波形最值得推薦,甚至超過了常用的方波形脈沖電壓驅動實現(xiàn)的過冷強化作用效果。為了彌補冷側熱源削弱冷端界面制冷能力的不利影響,可以采取適當延長脈沖驅動時間或者增大脈沖突變幅度,以提供熱源更多的額外帕爾貼制冷量。以上分析為脈沖模式驅動熱電制冷器的運