焊料层对热电制冷器性能的影响分析

热电制冷器广泛应用于热电制冷和热电发电等领域。建立了热电制冷器热电性能的三维有限元模型,进行多物理场耦合计算,考虑热电材料对温度的依赖性,对两种型号的热电制冷器中焊料层部分的结构尺寸进行了不同工况下的研究分析,对比不同焊料厚度和截面边长对热电制冷器最大温差及热电转换效率的影响。结果表明,焊料层截面边长和厚度对热电制冷器的最大温差影响显著,截面边长为热电壁尺寸的0.95～1.007 86范围内热电制冷器的最大温差能提升10 K,并且在0.970 59～0.975范围内达到最佳;厚度为0.08～0.093 3 mm时既能满足经济性又能使热电制冷器的最大温差提高13 K。     

天基望远镜探测器组件热电制冷系统设计与试验

天基空间望远镜探测器必须采用主动制冷方式以满足其噪声抑制需求.为此,采用热电制冷为核心技术,开展了探测器热电制冷器封装设计、热电制冷器热排散系统设计、热电制冷控制系统设计,并从抑制寄生漏热、降低热电制冷器热排散路径热阻两方面进行了优化,以减小热电制冷器输入功率及辐射散热面积.根据帕尔帖效应、焦耳效应、傅里叶效应,获得了净制冷量、热端散热热阻、热端边界温度等环境特性参数与热电制冷器输入电流、电压、功率等工作特性参数间的关系,并分析了制冷热负荷、热端散热热阻与热电制冷器输入功率间的敏感度.研制了望远镜鉴定产品,并开展了真空热平衡试验.试验结果表明系统设计合理有效,能够将探测器制冷至-75℃温度水平,稳定度可达到±0.2℃.基于环境条件及热电制冷器工作参数等试验数据,对比并修正了热分析模型.研究结果可为类似空间望远镜热电制冷系统的研制提供参考和借鉴.     

面向红外气体检测的半导体器件温控系统及应用

研制了一种针对半导体器件的温度控制系统,不仅可用于对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制,同时实现了在宽环境温度范围内对无热电制冷器及热敏电阻的半导体器件的温度控制.系统硬件主要由两部分组成,第一部分包括主控制器模块、温度采集模块和热电制冷器电流控制模块,实现对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制;第二部分包括辅控制器模块、温度采集模块、金属氧化物场效应管开关电路模块及附加四级热电制冷器,实现对无热电制冷器的半导体器件的温度控制.软件部分,主辅控制器分别实时采集半导体器件的工作温度,采用积分限幅式数字比例-积分-微分算法,调整热电制冷器驱动器的电流实现恒定的温度控制.利用本文研制的温度控制系统对内置热电制冷器的半导体激光器的温度控制准确度为±0.01℃,温度稳定性为0.004 8℃;在无热电制冷器的半导体光源的温度控制实验中,-18℃、室温、40℃环境下的温控准确度分别为±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃.利用研制的温控系统连续5h测试了1.563μm激光器的输出光谱,峰值输出波长稳定;采用1.653μm激光器,分别利用研制的温控系统和商用系统开展了甲烷气体检测实验,与商用控制器相比,本文研制的温控仪获得的系统检测下限更低.该系统具有体积小、成本低、便于集成、工作稳定可靠的优点,在气体检测中有良好的应用前景.     

热电材料研究新进展

<正>基于半导体材料的塞贝克效应或帕尔贴效应可实现热能与电能直接相互转换,包括热电制冷和热电发电两种应用形式。热电制冷器件具有结构紧凑、无噪声、无磨损、无泄漏等特点,已广泛应用于局部冷却或温度控制;热电发电器件可为无人区信号发射装置、深空探测器、植入式医疗器械等提供电源,更重要的是可以作为一种实现余热能量回收、降低能源消耗的新型发     

耦合能量和熵产分析的热电制冷器多目标优化

能量和熵产最小化理论已广泛应用于热电系统优化,然而平衡制冷量最大化和熵产最小化的热电系统参数优化研究较少。本文基于能量平衡和熵产最小化理论,通过效率单元法和稳态热传递,建立了热电制冷器(TEC)的热力学数学模型,并评价系统的热力学性能。在固定冷端温度条件下,考虑热物性参数的温度依赖特性,研究了包括热电臂臂长L、半导体对数N及面积比率F等几何参数对制冷器制冷量和熵产的影响。同时,构建了多目标函数J以实现制冷量和熵产的耦合,并利用简化共轭梯度法(SCGM)对系统参数进行多参数多目标的优化。结果表明,多参数多目标能有效优化热电制冷器的性能,相比于初始几何结构,耦合评价指标J下降约为初始值的30%。     

热电制冷器在第三类边界条件下的非均匀内热源工程求解

随着电子设备不断向小型化、集成化发展,热电制冷器作为一种有效的主动冷却器件被应用于精密恒温器、医疗仪器、电子控制元件等的快速制冷及在环境条件变化下的适应性调节,其非稳态传热研究具有重要价值.虽然国内外学者针对热电制冷器工作原理和制冷性能的研究已做了大量工作,但大多都将热电偶内焦耳热视为均匀内热源,忽略了微观导热情况.为了得到适于工程应用的分析方法,遵循实际情况,将焦耳热作为热电偶内非均匀内热源,建立了分析模型,并基于分流和叠加的思想,提出了一种热电偶内温度和热流量分布的工程求解方法,最终得到了热电偶在第三类边界条件下的温度和热流量分布公式.通过对结果的验算,证明了所得计算公式的正确性,为热电制冷技术的深入研究和应用提供了理论指导.     

热电制冷器热模型建立与修正方法研究

影响热电制冷器仿真温度的输入参数较多且不易准确测得导致建立高精度仿真模型较为困难。为此,提出了一种热电制冷器热模型建立与修正方法。首先建立热电制冷器温度场仿真模型,并基于Spearman相关级数对影响仿真温度的参数进行灵敏度辨识,确定强相关参数和弱相关参数;然后以热电制冷器的实测温度值为目标,采用多岛群遗传算法对强相关参数进行修正;在此基础上,再对弱相关参数进行修正;最后运用霍克基维斯直接搜索算法对修正后的参数进行更为精确的修正,得出了电流为3.6 A时模型输入参数的修正值。采用相同方法获得了电流在0~3.9 A范围内输入参数的修正值。据此建立的热模型,仿真值与实测值最大误差小于4.9℃(-5~100.5℃范围内),表明该热模型的建立与修正方法合理有效。     

新型变截面热电制冷元件结构优化研究

本文采用COMSOL Multiphysics 6.0软件建立了三维变截面热电制冷器(TEC)模型，采用有限元分析法研究了热冷端截面面积比和支腿高度对TEC性能的影响，并与传统热电制冷元件性能进行了对比。研究结果表明，增加支腿高度和合理改变支腿形状能够显著改善TEC的冷却性能。当热冷端截面面积比为0.4时，支腿高从0.6 mm增加到1.2 mm,冷端温度可降低6.0%。优化后TEC元件的冷端温度比传统元件低8.64 K,制冷性能提高了3.19%。材料的选择和放置顺序也影响变截面分段式TEC的性能。     

块体热电材料的研究进展

文章重点介绍了现役热电材料（Bi2Te3,PbTe,SiGe）、常见结构类型（方钴矿型,笼合物型,Half-Heusler合金型,钠钴氧型和Zn4Sb3型）热电材料及新颖晶体结构类型的热电材料的晶体结构、热电性能、热电性能优化等方面的最新研究进展.     

低温热偶材料的绝对热电势率

我们测量了国产常用低温热偶材料的绝对热电势率,给出了镍铬、金铁、铜和康铜从4.2到273 K的测量结果.根据材料的热电势率计算了这些热偶材料配对组成的热电偶的热电势率和热电势与温度的关系.结果表明与实验一致.     

机器学习在热电材料领域的应用

在追求可持续发展的未来,热电材料是不可或缺的.它在全固态发电和制冷方面具有十分广泛的应用前景.在过去的几十年间,人们一直致力于寻找新型高性能热电材料.然而,传统的实验试错法效率较低,限制了新材料的研究步伐.机器学习作为一种具有强大数据分析能力的方法,近年来已越来越多地应用于热电材料的研究.这篇综述总结了热电材料研究领域常用的机器学习方法,系统地介绍了它们在材料结构、电子和热电输运等性质上的应用案例和相关研究进展,并对该领域的发展前景进行了展望.     

基于半导体制冷技术的LED前照灯散热器设计与优化

针对大功率LED汽车前照灯的结构、性能要求,提出了基于热电制冷效应的散热方案,并对不同类型散热系统散热性能进行了试验研究。结果表明:半导体制冷器对外部风扇风速或冷却液流速的敏感性分别高于风冷和液冷散热装置,模型一(风冷+热电制冷)和模型二(液冷+热电制冷)的制冷片最佳工作电流分别为3.0 A和5.0 A。当环境温度在极限范围(60~65℃)时,计算得到芯片的结温为55.5℃,光通量为1 458.8 lm。所设计的基于热电制冷散热系统可以满足使用要求。     

低维纳米材料热电性能测试方法研究

通过近几十年的研究,人们对于块体及薄膜材料的热电性能已经有了较全面的认识,热电优值ZT的提高取得了飞速的进展,比如碲化铋相关材料、硒化亚铜相关材料、硒化锡相关材料的最大ZT值都突破了2.但是,这些体材料的热电优值距离大规模实用仍然有较大的差距.通过理论计算得知,当块体热电材料被制作成低维纳米结构材料时,比如二维纳米薄膜、一维纳米线,热电性能会得到显著的改善,具有微纳米结构材料的热电性能研究引起了科研人员的极大兴趣.当块体硅被制作成硅纳米线时,热电优值改善了将近100倍.然而,微纳米材料的热电参数测量极具挑战,因为块体材料的热电参数测量方法和测试平台已经不再适用于低维材料,需要开发出新的测量方法和测试平台用来研究低维材料的热导率、电导率和塞贝克系数.本文综述了几种用于精确测量微纳米材料热电参数的微机电结构,包括双悬空岛、单悬空岛、悬空四探针结构,详细介绍了每一种微机电结构的制备方法、测量原理以及对微纳米材料热电性能测试表征的实例.     

硒化亚铜薄膜热电性能研究进展

热电材料可以实现热能和电能的相互转换,它是一种环境友好的功能性材料.当前,热电材料的热电转换效率低,这严重制约了热电器件的大规模应用,因此寻找更加优异热电性能的新材料或提高传统热电材料的热电性能成为热电研究的主题.与块状材料相比,薄膜具有二维的宏观性质和一维的纳米结构特性,方便研究材料的物理机制与性能的关系,还适用于制备可穿戴电子设备.本文总结了Cu₂Se薄膜5种不同的制备方法,包括电化学沉积、热蒸发、旋涂、溅射以及脉冲激光沉积.另外,结合典型事例,总结了薄膜的表征手段,并从Cu₂Se的电导率、塞贝克系数和热导率等参数出发,讨论了各个参数对热电性能的影响机制.最后介绍了Cu₂Se薄膜热电的热门应用方向.     

n型Bi2–xSbxTe3–ySey基化合物的缺陷结构调控与电热输运性能

Bi₂Te₃基化合物是目前室温附近性能最好的热电材料,但其存在着大量复杂的缺陷结构,缺陷工程是调控材料热电性能的核心手段,因此理解和有效地调控缺陷形态和浓度是获得高性能Bi₂Te₃基热电材料的关键.本文系统地研究了四元n型Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_y基化合物的缺陷演化过程及其对热电输运性能的影响规律.Sb和Se的固溶引入的带电伴生结构缺陷使得材料的载流子浓度发生了巨大变化,在Bi_2-xSb_xTe_2.994Cl_0.006样品中,Sb的固溶降低了反位缺陷Sb_Te2形成能,诱导产生了反位缺陷Sb_Te2,使得少数载流子空穴浓度从2.09×10¹⁶ cm^-3增加至3.99×10¹⁷ cm^-3,严重劣化了...     

基于量子自旋-量子反常霍尔效应的单层锑异质结构的热电性质研究（英文）北大核心CSCD

我们研究了一个基于单层氢化锑的异质结构材料的热电性质,该材料有着新颖的量子自旋-量子反常霍尔效应.我们计算了这种新的拓扑相材料的锯齿形结构纳米带的电导、热导、塞贝克系数以及热电效益指数.通过我们的研究,表明该材料在低温下有着较好的热电性能.此外,我们通过改变样品最外层原子的交换场的方式来调控样品的边缘态,并计算样品热电性质的变化.最后,我们发现随着纳米带宽度的增加,系统的热电性能也会增加.     

Mn-In-Cu共掺杂优化SnTe基材料的热电性能

无铅硫族化合物SnTe因与PbTe具有相似的晶体结构和能带结构,近些年受到广泛关注,然而其较低的Seebeck系数、本征高Sn空位浓度以及高的热导率导致本征热电性能较差.本文通过高温高压结合热压烧结的方式制备了 Mn,In,Cu共掺杂的SnTe基热电材料.Mn带来的能带收敛和In引入的共振能级的共同作用提高了材料整个温度范围内的Seebeck系数,优化了材料的功率因子.此外,Mn合金化带来的点缺陷和Cu引入的间隙缺陷增强了声子散射,有效降低了材料的晶格热导率.多种策略结合下材料的电性能与热性能同时得到优化,其中Sn_(0.89)Mn_(0.15)In_(0.01)Te(Cu_2Te)_(0.05)样品在873 K时获得最大zT ≈ 1.45,300—873 K的平均zT达到0.76.多策略协同调控SnTe基热电材料时仍能较好地保持单策略所发挥的优异特性,这为进一步改进SnTe基热电材料性能提供了可能.     

PbSe-MnSe纳米复合热电材料的微结构和电热输运性能

相比于常见的热电材料PbTe, 另一种硫族铅化合物PbSe具有熔点高、Se储量更丰富等优势, 从而越来越受到科学界的关注. 本文采用熔融淬火结合快速热压烧结工艺制备了Pb_0.98-xMn_xNa_0.02Se(0 ≤x ≤ 0.12)纳米复合热电材料, 系统地研究了不同Mn含量对材料微纳结构、机械性能和热电性能的影响规律. 发现纳米复合样品中有面心立方结构的MnSe球状和薄层状析出物, 显微硬度得到显著增强. 少量固溶的Mn增加了能带简并度, 使功率因子提高, 球状析出物使声子散射增强、热导率降低, 体系的热电优值ZT得到优化; 但是当Mn含量更高时, 赛贝克系数趋于饱和, 连续析出物使晶格热导率反常增大, ZT 没有得到进一步改善. 通过进一步调节Na含量优化了载流子浓度, 获得了ZT=0.65的PbSe-MnSe纳米复合热电材料.     

用于电子芯片的热电制冷器性能分析与评估

为了探究热电制冷器(Thermoelectric Cooler, TEC)对电子芯片的散热效果以及自身性能的发挥,建立了TEC风冷散热模型进行有限元分析。通过对不同热源表面温度、TEC冷热端温差、制冷速率等关键参数的研究分析,得到了电流、热源表面温度和外界散热条件对TEC散热性能的影响规律,通过有限元分析评估了不同条件下TEC的有效工况以及适用范围。结果表明：在一定的环境温度和散热条件下存在最佳电流,使得TEC的适用工况范围最大;适用范围随着环境温度的升高而有所扩大。     

基于量子自旋-量子反常霍尔效应的单层锑异质结构的热电性质研究（英文）

我们研究了一个基于单层氢化锑的异质结构材料的热电性质,该材料有着新颖的量子自旋-量子反常霍尔效应.我们计算了这种新的拓扑相材料的锯齿形结构纳米带的电导、热导、塞贝克系数以及热电效益指数.通过我们的研究,表明该材料在低温下有着较好的热电性能.此外,我们通过改变样品最外层原子的交换场的方式来调控样品的边缘态,并计算样品热电性质的变化.最后,我们发现随着纳米带宽度的增加,系统的热电性能也会增加.