基于热管散热的多级热电制冷器性能分析

为了研究几何结构对多级热电制冷性能的影响,建立了基于热管散热的多级热电制冷器有限时间热力学模型,提出模块利用系数和协调性能系数两个性能评价指标,并采用数值模拟的方法研究了热电偶比例系数和级数对热电制冷器性能的影响,得到了不同几何结构下装置性能指标随工作电流的变化规律。结果表明:比例系数为2的六级热电制冷器的制冷温差和制冷量可分别达到135.3℃和0.34 W;较小的比例系数和工作电流,可以有效实现制冷能力和经济性能的统一。设计制作了基于热管散热的四级热电制冷器样机,当环境温度分别为16℃和26℃时,实测冷端温度分别为-76℃和-69℃。

芯片级节流制冷器实验及红外探测器应用研究

芯片级节流制冷器(Micro Miniature Refrigerator, MMR)是一种新型节流制冷器,其轴向尺寸大幅短于传统节流制冷器,能够显著降低与之适配的红外探测器体积。然而,目前的芯片级节流制冷器的红外探测器应用仍存在较多困难。为提升MMR的性能,使其满足红外探测器应用需求,建立了MMR计算模型以研究制冷器的流动换热以及工作特性并指导样机制造,模型计算结果与实验值符合良好;制造了MMR样机,并根据理论分析和实验结果提出了针对制冷器结构、材料、流道布置等优化方案,显著提升了制冷性能;进一步提出了能够适配红外探测器的MMR实验样机,该样机能够显著缩短红外探测器轴向尺寸,实现了高温60℃环境下38 s达到126 K制冷温度(使用200 mL气瓶常压下充注50 MPa氩气并将气瓶和样机放入60℃环境下保温2 h),能够满足320 pixel×256 pixel,像元间距15μm的中波红外探测器降温性能需求,并且较国外同类型探测器产品也具有一定技术优势。

芯片级节流制冷器流动特性数值计算及制冷性能实验研究

芯片级节流制冷器(简称MMR)是一种采用微加工工艺制成的新型节流制冷器,其轴向尺寸大幅短于传统节流制冷器,能够显著降低与之适配的红外探测器体积。为研究MMR的工作特性,建立了适用于高压力工况下气体物性沿流动方向显著变化的微槽道流动计算模型,该模型与实验验证结果符合良好。进一步在流动模型的基础上增加了微槽道换热、制冷器槽道分布和外形尺寸计算。根据计算模型制造了MMR样机并对其进行了实验研究,样机流量实验数据与计算模型符合良好。该样机在10 MPa的氮气和氩气工况下分别达到了110 K、119 K的制冷温度,制冷量分别为231m W、479 mW,降温时间分别为250 s、70 s优于国外MMR性能,并且能够满足红外探测器对于节流制冷器的制冷性能需求。

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%。

光伏模块驱动的基于范德华异质结构的热离子制冷器的性能评估

为了开发高效的太阳能冷却技术,建立了一个由光伏(photovoltaic,PV)模块和基于范德华异质结构(van der Waals heterostructure,vdWH)的热离子制冷器(thermionic refrigerator,TIR)组成的新型耦合系统。在充分考虑内部和外部的不可逆因素的情况下,建立了耦合系统的理论模型,推导了关键性能指标的数学表达式。在此基础上,研究了耦合系统的一般性能特征,并确定了允许系统运行的电压区域。根据计算,最大制冷量和最大性能系数(coefficient of performance,COP)分别为75.88 W和0.49。此外,还进行了灵敏度分析,以得出关键参数对整体性能影响的规律和大小,包括太阳辐照度、有效肖特基势垒高度、层间热阻、外部热阻、热泄漏热阻和热库温度。所得结果可能有助于实际耦合系统的设计和运行。

制冷工质压力对红外用波纹管J-T制冷器制冷性能的影响研究

通过具体实验研究了制冷工质压力对波纹管自调式J-T制冷器制冷性能的影响。实验工况内的结论如下:在一定的压力范围内(11 MPa≤P≤23 MPa),随着工质压力的增大,应用该款制冷器的红外系统的启动时间逐步缩短,但启动加快的速率会随工质压力的增大而减小。当工质压力增大到一定程度(23 MPa≤P≤27 MPa)时,启动时间将趋于稳定。在一定的压力范围内(11 MPa≤P≤15 MPa),随着工质压力的增大,应用该款制冷器的红外系统的蓄冷时间逐步加长;但工质压力增大到一定程度(15 MPa≤P≤27 MPa)时,蓄冷时间将趋于稳定。在一定的压力范围内(11 MPa≤P≤27 MPa),随着工质压力的增大,制冷器启动时的最大流量呈线性增大趋势,运行时的稳定流量呈逐步增大趋势。本文实验研究的过程方法和研究结果具有工程借鉴意义。

两级串联热电制冷器的性能分析及优化设计

为了提高制冷器的制冷性能和可靠性,以满足更多应用场所的要求,需对其进行优化设计。建立了两级串联热电制冷器的三维有限元模型,考虑了材料对温度的依赖性,分析了热电臂的数量比RN和结构尺寸高度比RH、横截面积比RA及中间陶瓷板厚度δ对两级热电制冷器制冷性能和热应力的影响。结果表明,数量比为2.07时,器件具有优异的制冷性能和较小的热应力。通过响应面法和遗传算法对器件的结构尺寸参数进行了多目标优化。与初始结构相比,优化后器件的制冷量提升了11.8%,制冷系数提升了10.5%,最大热应力降低了14.9%。

热电几何结构对环形制冷器性能的影响分析

为了使管状型热源得到充分利用,可通过环形热电制冷器以消除形状不匹配而形成的热损耗。建立环形热电制冷器的物理模型来探索环形热电模块的性能特点,基于建立的仿真模型,研究了热电臂尺寸因子和形状参数对环形热电制冷器性能的影响,并与形状参数为1时的平板式热电制冷器进行了比较。结果表明,增大尺寸因子能有效提升制冷量和制冷系数,随着电流的增大,制冷量先增大后减小。此外,随着形状参数的增加,制冷量和制冷系数均呈现出先上升后下降的趋势,在形状参数接近1而不等于1时达到峰值。

大功率LED芯片直接固晶热电制冷器主动散热

发光二极管(LED)作为新一代绿色固态照明光源,已广泛应用于照明和显示等领域,但散热问题一直是大功率LED封装的关键技术瓶颈。采用大功率LED芯片直接固晶热电制冷器(TEC)的主动散热方法,可增强大功率LED的热耗散,提升大功率LED的发光性能和长期可靠性。利用高精度陶瓷基板和纳米银膏材料制备出高性能TEC,TEC冷端温度最低可达-22.2℃。将LED芯片直接固晶于TEC冷端的陶瓷基板焊盘上,实现LED芯片与TEC的集成封装,制备出LED-TEC主动散热模块。在芯片电流为1.0 A时,由于热电制冷的珀尔帖效应,LED-TEC模块可将LED芯片的工作温度从232℃降低到123℃(降温幅度为109℃),且可使其输出光功率从1087 mW提升到1479 mW,光功率提升幅度达到36.1%。

一种锥形自调式J-T制冷器

介绍了一种既可以实现快速启动又能够维持长时间小流量工作的锥形自调式J-T制冷器,可以广泛应用于制导导弹中红外焦平面探测器组件的制冷。该J-T制冷器采用微型波纹管作为自调机构,具有成本低、适应范围广等特点。与探测器杜瓦组件进行耦合试验,结果表明在50 MPa氩气气源条件下,芯片降温至100 K所需时间≤5 s。

非常规条件下热电制冷器的性能分析

本文建立了热电制冷器的仿真模型,研究了其在非常规条件下的性能变化规律及原因,分析了随温度变化的物性参数的影响。结果表明:随着热端温度(t_(h))的升高,热电制冷器的最大制冷温差(Δt_(max))和最大制冷量(Q_(c,max))先增大后减小。与t_(h)=27℃对比,t_(h)=-60℃时,Δt_(max)和Q_(c,max)分别衰减51.7%和40%;t_(h)=150℃时,Δt_(max)和Q_(c,max)分别增长48.6%和31.52%。在低温范围,物性参数的变化对Δt_(max)和Q_(c,max)影响较小;在高温范围,功率因子(PF)的衰减对Q_(c,max)影响较大,th>70℃优化PF可以有效提高Q_(c,max),而th>150℃时优化优值系数Z才可以显著提高Δt_(max)。在大热负荷条件下,随着热负荷的增加,最大有效性能系数逐渐降低。

半导体制冷器优化设计工作状态的实验研究

模拟小空间制冷环境,在实验确定半导体制冷器最大制冷系数状态和最大制冷量状态工作参数基础上,综合分析计算给出了等功率状态和最佳工作状态参数,弥补传统设计理论的不足,为半导体制冷器优化设计提供依据。

汤姆孙效应对半导体制冷器性能的影响

本文应用非平衡态热力学理论建立了热电器件的热传导方程，导出半导体制冷器的制冷系数和制冷率，并详细地讨论了汤姆孙效应对制冷器性能的影响，得到了一些有意义的新结论，同时澄清了有关研究中普遍存在的一些问题。

小型半导体制冷器工作特性的实验研究

半导体制冷器效率的大小取决于热电堆冷热端的温差 ,而强化热端的散热与强化冷端的冷量散发有利于降低热电堆冷热端的温差 ,从而提高半导体的制冷效率 .本文探讨了半导体制冷器在不同工况下的变化规律 。

微型半导体制冷器在芯片散热的应用分析

阐述半导体制冷器的发展状况,包括锭材切割工艺、MEMS工艺和CMOS工艺制备微型半导体制冷器的特性和应用,并展望微型半导体制冷器未来发展趋势。

温差半导体空调制冷器制冷性能研究

设计了两种不同散热方式的半导体制冷器,实验表明制冷性能良好,为太阳能驱动半导体制冷装置的优化设计提供依据、奠定基础。半导体制冷模块热端采用汽车发动机散热系统标准部件、采取水冷却,能在有限的空间内将高热流密度热量散发出去,有利于提高制冷性能。半导体制冷模块在等功率状态下工作,制冷量为半导体器件最大制冷量的55%;若倾向于获得较大制冷系数,制冷量按最大制冷量的40%进行设计,制冷系数ε达1.65。

半导体制冷器件的统一公式

通过分析器件的结构得知，单一温差电偶对的制冷公式同样适用于多级半导体制冷器件。文中还给出器件性能参数Π、Ｒ、Ｇ、β与各级材料性能参数之间的对应关系。

一种快速降温的J-T制冷器

介绍了一种快速降温Ｊ－Ｔ制冷器的工作流程和试验。采用预冷及锥形换热结构，氮气ａｔ作制冷温度７８Ｋ，制冷量为３５０ｍＷ，降温时间２ｓ。

节流微制冷器技术

综合介绍了红外探测和成像设备用低温节流微制冷器的技术原理、主要技术路线以及新的发展方向。

温差电制冷器应用现状

本文首先对半导体温差电制冷器的特点和局限性作简要评述。然后着重介绍国外近年来的应用情况,并将对该领域内比较活跃的几个厂家和一些产品作个简介,以供参考。