含内热源密闭空间两级半导体制冷器瞬态特性分析

针对工作在含内热源密闭空间的空冷和热管式两级热电制冷装置,分别建立了瞬态性能计算模型,得到了制冷空间温度、模块两端温差,以及制冷系数随时间的变化规律;对比两种散热方式对装置特性的影响;分析了工作电流和热电偶热冷两级面积比,对温度、耗时和制冷系数的影响。结果表明:当元件功率为6W时,空冷和热管式制冷器温度分别比无热源时升高了8.28和7.86℃,热管式的制冷温度比空冷式低1.85℃,制冷系数比空冷式高12.12%。

空冷式多级热电制冷器性能综合分析

多级热电制冷器可提供更大的制冷温差,但制冷经济性能随级数增大而迅速降低.综合考虑热电材料各种内部效应与外部传热不可逆性,建立了空冷式多级热电制冷器的有限时间热力学模型,给出了制冷量和制冷系数的计算方法.为全面描述和分析多级热电制冷器性能,引入热力学完善度指标,并提出协调性能系数性能评价指标,分析了制冷器工作电流、热电臂横截面积与制冷温差对制冷量、制冷系数、热力学完善度和协调性能系数的影响.结果表明:当制冷温差为87℃时,电流分别为2.55 A和1.30 A时,热电臂横截面积分别为2.2 mm^(2)和3.0 mm^(2)时,制冷量和制冷系数分别达到最大值.综合考虑制冷能力与经济性,当电流为1.75 A时,可获得制冷量、耗功与制冷系数的最佳协调性能.

基于热管散热的热电制冷器性能综合分析

热管具有导热性能高、轻便化、小型化的优点。建立了基于热管散热的热电制冷器有限时间热力学模型,给出了冷、热端热阻的具体计算方法。为了反映热电模块单位面积下的制冷能力,采用制冷率密度分析方法和折算面积热阻法,用数值算例分析了关键运行参数和设计参数的影响。为了比较不同工况下的制冷性能,首次引入热力学完善度性能指标,对热电制冷器的制冷性能进行了综合分析。给出了制冷器运行的最佳电流工作区间以及制冷温差范围,分析了制冷模块填充系数、制冷温差、热管参数(蒸发段长度和管壁厚度)对制冷器制冷率密度、制冷系数和热力学完善度的影响,并与风冷散热方式进行了比较,所得结果可为基于热管散热的制冷器设计和运行提供理论指导。

制备工艺对新型热电材料制冷性能的影响

通过取点法得到了由Ingot法、BM法、S-MS法和Te-MS法制备的四种新型p型热电材料(Bi_(0.5)Sb_(1.5))Te_(3)的变物性参数拟合公式,分析了温度对不同方法制备的热电材料的影响,得到了热电材料无量纲优值与绝对温度的关系曲线。从热力学方面研究了制备工艺对基于新型热电材料的热电制冷器最大制冷系数的影响。结果表明:由Te-MS法制备的新型p型热电材料(Bi_(0.5)Sb_(1.5))Te_(3)具有最大的优值系数,基于该材料的热电制冷器最大制冷系数可达2.49,较其他三种方法制备的热电材料分别提升了34.59%,37.57%和25.76%。

热管式半导体热电冷水机参数影响分析与性能优化

利用热管具有高效的导热能力,而半导体制冷具有无噪音、环保、制冷迅速等独特的优点,提出了一种基于热管散热的半导体热电冷水机结构。基于有限时间热力学理论,考虑包括汤姆逊效应在内的各种内部效应,建立了详细的计算模型。分析了关键运行参数和设计参数对装置最优电流和最优性能的影响,并给出了协调最大制冷率和最大制冷系数的最优参数区间。优化结果表明:当温差为20K、电流为2.5A时,最大制冷率和最大制冷系数分别可达29.49W和1.47,相比于优化前,分别提升了55.3%和47.0%。

变温热源热管式热电制冷器结构设计和性能分析

基于有限时间热力学理论,设计了一种冷却空气的通道结构,建立了基于热管散热的变温热源热电制冷器有限时间热力学模型.通过数值模拟方法对装置冷、热端热阻进行了分析,得到了沿管道流动方向制冷模块冷、热端温度和冷空气温度的变化规律;以制冷率密度和制冷系数为性能指标,分析了输入电流、入口温度、空气流速等关键运行参数和模块填充系数、热电单元长度、管道宽度和吸液芯厚度等设计参数对装置性能的影响,并讨论了空气间隙热漏影响.结果表明:入口温度为290 K时,0.2 m宽的管道管内冷空气温度每米流程下降约14 K;与同工况下不考虑空气间隙热漏情形相比,考虑空气间隙热漏时最大制冷率密度和最大制冷系数分别为0.48 W/cm^(2)和1.11,分别降低了4.00%和5.13%.

密闭空间串联式两级热电制冷器瞬态特性分析

综合考虑包括汤姆孙效应在内的热电材料内部效应,建立工作在绝热表面空间内和非绝热表面空间内的串联式两级热电制冷器计算模型,通过分析冷热端温度、级间温差等参数的瞬态变化对两级热电制冷器性能的影响,得到了制冷空间温度、制冷量、制冷系数等性能参数随时间的变化规律.分别改变输入电流、热电偶数量和热电偶分配比,对比分析了2种模型的最低制冷温度、降至稳定温度耗时、制冷量和制冷系数的变化规律.结果表明,与相同条件的单级热电制冷器相比,两级热电制冷器降温所需时间较长但可达到更低的制冷温度;适当增大电流可以有效减少制冷耗时,且存在最佳电流、最佳热电偶数量和最佳热电偶分配比,分别使制冷空间温度最低,制冷器制冷系数最大.

含发热元件密闭空间热电制冷器瞬态特性

为了研究密闭空间中发热元件对热电制冷器瞬态特性的影响,基于有限时间热力学理论,建立工作在含发热元件制冷空间中的热电制冷器计算模型.采用热阻网络分析方法,分析不同工况下关键参数对热电制冷器瞬态特性的影响,得到制冷空间温度、制冷系数、制冷量等性能参数随时间的变化规律.分别改变发热元件功率、工作电流、冷却水流速和填充系数,对比分析不同工况下的最低制冷温度和制冷系数变化,得到热电制冷器工作参数的瞬态特性.搭建水冷式热电制冷器的测试平台,开展密闭空间热电制冷器的瞬态特性测量实验.结果表明,当发热元件功率分别为0.95、4.85和13.3 W时,仿真计算温降分别为8.96、8.33和6.94 K,实验测得温降分别为6.75、5.63和4.00 K,温度变化趋势一致,验证了计算模型.

热管式两级热电冷水机性能分析与优化

针对热管良好的散热能力和两级热电制冷器能达到更大的制冷温差的特性,提出了一种基于热管散热的两级热电冷水机模型.基于有限时间热力学和非平衡热力学,考虑包括汤姆逊效应在内的各种热电效应,用数值模拟的方法分析了恒温热源下工作电流、热电单元分配比以及热管几何参数(热管外径、蒸发段长度和吸液芯厚度)对装置制冷率、制冷系数和极限制冷温差的影响.在热电单元总对数一定的约束条件下,分别以制冷率和制冷系数最大为目标,以电流和热电单元分配比为优化变量,优化了装置性能,并分析了关键参数对最优变量和最优性能的影响,得到了协调制冷率和制冷系数的最优区间.通过优化热电单元分配比和电流,装置制冷率和制冷系数有了较大的提升.当ΔT=20 K,x=0.6,I=2.5 A时,优化后的制冷率和制冷系数分别达到23.42 W和1.53,较优化前分别提高了12.11%和218.75%.

密闭空间分离式两级热电制冷器瞬态特性分析

基于有限时间热力学,建立了工作在密闭空间中的分离式两级热电制冷装置瞬态模型,给出了瞬态性能的计算方法,得到了制冷空间温度、模块温差、输入功率、制冷系数等随时间的变化规律.分析了热电制冷器的工作电流和热电臂长度等关键参数对制冷空间稳定温度、制冷量和制冷系数的影响,并与串联式两级制冷器性能进行了对比.结果表明:相比串联式两级热电制冷器,分离式制冷器的初始制冷系数提高了3.57%,无热源非绝热模型和有热源非绝热模型在300 s处制冷系数分别提高了5.72%和4.11%,空间温度分别降低了5.58%和3.09%;通过对工作电流的优化,无热源绝热模型和非绝热模型空间温度可分别降低至-29.03℃和8.98℃.

密闭空间热电制冷器的瞬态特性分析

综合考虑包括汤姆逊效应在内的热电材料内部效应,采用制冷率密度分析方法,建立了热电制冷器在绝热表面空间内和非绝热表面空间内的计算模型。通过分析制冷率、冷热端温度、冷热端点温差等关键参数的瞬态变化对热电制冷器性能的影响,得到了制冷空间温度、制冷系数、输入功率等性能参数随时间的变化规律。分别改变工作电流和模块数量,对比分析了两种模型的最低制冷温度、降至目标温度耗时和制冷系数的变化,得到了密闭空间热电制冷器工作参数的瞬态变化规律与瞬态特性。

热管式热电冷却通道结构设计与参数影响分析

本文设计了一种热端基于热管散热的热电冷却通道结构,基于有限时间热力学理论,导出了热电制冷模块热端、冷端和管内冷源温度与管道长度关系的微分方程,得到了沿程温度变化规律。以制冷率密度和制冷系数为性能指标,通过数值模拟的方法,分析了输入电流、热源参数、热电模块参数、热管换热器参数等关键运行参数和设计参数对装置制冷性能的影响,并讨论了汤姆逊热对装置制冷性能的影响。结果表明:对于宽度为80 mm的管道,管内冷媒水流速为0.8 m·s^(-1),每米流程冷媒水温度下降0.24℃左右。考虑汤姆逊热时装置最大制冷率密度和最大制冷系数分别可达1.82 W·cm^(-2)和5.43,分别提升了13.75%和20.40%。

基于热管散热的串联式两级热电制冷器制冷性能综合分析

针对基于热管散热的串联式两级热电制冷器,建立了有限时间热力学模型。通过热阻分析的方法建立了热电制冷器的一维热阻网络图并给出了冷热端热阻的具体计算方法。以制冷率、制冷系数、热力学完善度和极限制冷温差为性能指标,用数值算例的方法研究了工作电流、热电单元分配比、热电单元横截面积、热电单元长度、热管几何参数(冷凝段长度和管芯厚度)和制冷温差等关键参数对热电制冷器综合性能的影响规律。

多级热电制冷技术研究进展

多级热电制冷装置可实现较大温差,在低温的工作环境中具有独特优势。介绍了多级热电制冷技术的基本原理和物理模型,概述了数值模拟、实验研究及性能优化三个方面的国内外研究进展,归纳总结了在生物医疗、军事、电子等领域的应用与发展现状,展望了未来多级热电制冷技术的发展趋势。指出先进的热端散热技术、多样化的评价指标、热电联合系统等有望成为多级热电制冷技术未来的重点研究方向。