热电制冷器的过冷特性及其性能的优化综述

固态、体积小、无噪音、可靠性高和绿色环保等优点使得热电制冷器(Thermoelectric cooler, TEC)成为目前应用最为广泛的制冷器件之一。自热电材料问世以来,围绕提升热电制冷性能的研究主要集中于制备高Z值的热电材料。1970年发现的过冷特性则改变了这一现状,使得采用同样材料制作的TEC可以达到更大的瞬态温差。这一发现扩展了TEC的应用范围,更使得TEC的制冷性能不再仅仅受限于TEC的材料本身。针对热电制冷器的过冷特性,从材料、TEC结构以及驱动电流参数等方面对相关研究进行了较为全面的综述,总结了通过TEC的过冷特性达到优化TEC制冷性能的方法。     

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%。     

热电制冷器过冷效应中温度过冲的抑制与优化

随着热电制冷器(Thermoelectric cooler,TEC)的广泛应用,TEC过冷特性受到重视.与稳态制冷相比,当给TEC施加脉冲电流时,其将出现过冷效应,从而得到比稳态工作时更低的温度.然而,过冷效应往往伴随着温度的过冲.特别地,当TEC应用于芯片温度控制时,较大的温度过冲将会影响芯片的使用寿命.目前,抑制过冷特性中温度过冲的方式主要采用在电流施加脉冲的同时,对冷端冷却负荷QC和对流换热系数h也进行相应的改变.本文即在此基础上,将TEC的电流脉冲形状的变化和所施加脉冲的QC和h相结合对TEC的过冷特性进行了优化,以减小TEC过冷温度的过冲.对比已有的实验结果,有限元仿真表明,本文所提出的优化方案比采用单一形式的参量控制,可以有效降低过冷特性时的温度过冲10 K左右,具有良好的应用前景.     

热电制冷LED自然对流散热的设计与优化

为提升高热流密度下LED灯具的自然对流散热性能,以一款基于热电制冷（TEC）的单颗LED小型灯具模组为研究对象,在采用实验测量和回归拟合准确获得TEC性能参数的基础上,建立了有无TEC参与散热的等效热路模型,并选择合理的数学公式对其进行性能描述,进而遵循本文设计的计算流程快速得到各种散热性能数据。LED模组的散热分析表明：在恒定的LED热功率下,施加最佳的TEC电流可获得最高的散热性能;LED热功率越低,安装TEC的散热性能越比常规方法优异。经遗传算法优化前后的性能对比分析表明：优化后结构中TEC的合理工作区明显增大,能满足LED更高功率的散热需求;当LED为0.493 W时,优化后结构的最佳结温仅为15.66℃,远低于30℃的环境温度。基于TEC实验数据建立的等效热路模型,能为装配TEC的LED模组提供快速完整的散热设计分析与结构优化的合理方案。     

膜蒸馏与热电制冷耦合传质通量分析

分析了膜蒸馏与热电制冷耦合关系,获得耦合的充要条件为热电制冷器应提供充足制冷量及较大温差。通过拟合温差和传质通量及冷端冷负荷分析,建立了热电制冷与膜蒸馏过程耦合的热量平衡方程及耦合特性参数方程,定义了耦合特性参数、耦合工况。理论分析表明,随着制冷温度的增大,膜蒸馏通量预测值的最大值先增大后减小,当制冷温度为279.65 K、热腔入口工质温度为362.15 K时取得最大值65.99 kg/(m~2·h)。本文为热电制冷膜蒸馏实验研究奠定了基础。     

过冷技术在蒸气压缩制冷系统中应用的研究现状

分析了在压缩蒸汽制冷循环中增加液体制冷剂的过冷度后,对循环制冷性能的影响;综述了机械式过冷、依靠自身冷量过冷、冰蓄冷式过冷和基于热电原理的过冷四种过冷方式的研究现状。通过对比发现,这些过冷方式一方面以牺牲一部分制冷量来获得过冷,另一方面则是增加了能量的消耗,对整个系统而言并不一定能达到节能的目的。然而对于基于热电原理的过冷技术而言,热电元件结构简单、运行稳定,在很小的温差下,具有很高的制冷效率;但是其热端散热不佳,是制约其制冷效率低的主要原因,文中提出采用热管为其散热,保证热电元件在高效率下运行,可以达到节能的目的。     

冷端孔径及进口压力对涡流管性能影响的实验研究

设计了涡流管实验样机,在不同进口压力和冷流比工况下,实验测量了三种冷端孔径的涡流管性能,并分析了冷端孔径、喷嘴环端面间隙及进口压力对涡流管性能的影响。实验结果表明,冷端孔径为5mm的涡流管降温及制冷性能最佳,最佳冷端孔径与涡流管径之比为0.5。在进口压力为0.4MPa工况下,其冷端最大温降分别比冷端孔径为4mm和6mm的涡流管大6.1℃和2.9℃,最大制冷量分别大30.2%和5.4%;在所有进口压力工况下,对应于最大冷端温降的最佳冷流比约为0.5,而对应于最大制冷量的最佳冷流比约为0.65。在进口压力为0.3~0.5MPa范围内,涡流管冷端温降和制冷量均随着进口压力的升高而增大,且进口压力越高,冷端温降的增长速度越慢;制冷性能系数COP随着进口压力的升高而降低,而等熵温度效率则几乎不随进口压力改变而变化,仅是冷流比的函数。同时,实验发现,喷嘴环端面间隙对涡流管能量分离效应影响很大,设计制造过程中必须消除其影响。     

脉管制冷机回热器压力特性的实验研究北大核心

脉管制冷机回热器冷热端压比和压降的实验数据对回热器研究具有重要作用。为探究回热器冷热两端压比和压降的变化规律,基于实验室自制的直线型脉管制冷机的回热器冷热端压力特性测试平台,实验测量了回热器不同工况下的冷热端压比,分析了输入功对压力特性的影响,找出了频率、制冷温度对回热器压力特性的影响。实验结果表明:冷端压比实测值在1.11-1.14左右,输入功越大,冷热端压比越大;频率越大,冷端压比越大;冷端压比越高,制冷温度越低。     

脉管制冷机回热器压力特性的实验研究

脉管制冷机回热器冷热端压比和压降的实验数据对回热器研究具有重要作用。为探究回热器冷热两端压比和压降的变化规律,基于实验室自制的直线型脉管制冷机的回热器冷热端压力特性测试平台,实验测量了回热器不同工况下的冷热端压比,分析了输入功对压力特性的影响,找出了频率、制冷温度对回热器压力特性的影响。实验结果表明:冷端压比实测值在1.11-1.14左右,输入功越大,冷热端压比越大;频率越大,冷端压比越大;冷端压比越高,制冷温度越低。     

平行板主动式磁回热器不均匀流道数值模拟研究

在平行板主动式磁回热器中,因板间隙不一致会形成不均匀流道。为研究流道不均匀程度对磁制冷机换热性能的影响,本文利用Comsol 5.4软件构建了二维、瞬态磁制冷模型。除了表征流道不均匀程度的相对标准偏差不同外,模型其余的几何结构与运行条件完全相同。通过对比不同相对标准偏差的磁制冷机温度云图和制冷温跨来衡量AMR的换热性能。模拟结果表明随着流道不均匀程度的增加,回热器冷端平均温度升高,36%标准偏差流道产生的制冷温跨为5.8 K,比均匀流道达到的11.1 K下降了约50%。当标准偏差高于36%时,制冷温跨减小程度降低。因此流道不均匀对磁制冷机换热性能有着较大的影响,实验过程中应采用良好的板叠AMR制作工艺尽量使得流道宽度一致。     

热电制冷模组热端散热器性能优化研究

针对实际项目热电制冷模组进行了三维数值模拟,对比分析断槽数不同的四种典型散热器在不同电流、翅片厚度、断槽宽度下的散热能力,得到了性能较佳的工况与散热器模型.结果 表明,随着电流增加,热电制冷模组冷面温度不断降低,当电流超过一定数值时,冷面温度趋于平衡,热面温度急剧上升.四类散热器中,断槽数为一的散热器散热能力较佳,并对此类散热器的翅片厚度进行优化,在研究范围内,翅片厚度2.5 mm散热效果较佳.断槽宽度有临界值,断槽宽度值小于9 mm时散热器面积减小不会使散热能力减弱,反之大于9 mm时散热能力急剧衰弱,为实际工程的分析提供了借鉴和参考.     

惯性管对热声驱动脉管制冷机性能的影响

为了考察惯性管对热声驱动脉管制冷性能的影响,利用驻波型热声驱动脉管制冷实验装置,开展了惯性管结构参数对系统性能影响的实验研究.实验中所采用的惯性管由直径分别为2 mm和4 mm的两段铜管串联而成,重点研究2 mm直径管段的长度对压比和制冷温度的影响.通过实验优化,当惯性管结构参数为内径2 mm的铜管长度2.5 m,内径4 mm的铜管3 m长时,在加热功率1.8 kW条件下,脉管制冷机的无负荷制冷温度达到63.0 K.     

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。     

倾斜变截面管理想流体喷射模型的构建

构建了倾斜变截面管理想流体喷射模型并采用数值模拟的方法来研究不同倾角下温度、管径比、初始水量等参量的改变对最大喷射高度的影响.结果表明,升高温度、减小倾角、增大管径比、降低初始水柱高度等均可增加最大喷射高度.最后则研究了垂直状态下变截面管的管径比对最大喷射高度的影响,发现随着管径比的增大,最大喷射高度会趋于稳定.     

不同倾角的脉管制冷机内自然对流影响的研究

本文通过对脉管内自然对流的数值模拟，讨论了当脉管冷端处在不同方向时，脉管内的自然对流对脉管制冷机性能的影响．数值模拟结果表明，当冷端在下时获得的制冷温度最低；当热端在下并与重力方向成３０°时制冷温度最高．结论与实验测量结果定性一致．所做的理论分析对实现脉管制冷机的良好运行有指导意义。     

废热温差发电器驱动的电化学制冷系统研究

提出了利用废热(工业废气、尾气余热等)温差发电器驱动的电化学制冷系统,并建立数学物理模型,分别研究废热温度和环境温度对系统的功率消耗、热效率、制冷功率和性能系数的影响.结果表明,温差发电器性能的模型计算值与文献测试值误差在6.8%以内;随着废热温度的增加,系统的输出功率、热效率和制冷功率随之增加,但性能系数急剧减小;随着环境温度的增加,系统热效率和制冷功率逐渐降低,但输出电压和性能系数逐渐增加;与TGM-127型系统相比,虽然HZ-2型系统的热电转换性能处于劣势,但其体积和重量明显减小,更适合应用在汽车、卫星等领域。     

平板磁制冷和热电磁复合制冷微元循环数值研究

本文借助COMSOL多物理场耦合软件,构建了二维瞬态平板磁制冷微元模型和热电磁复合制冷微元模型,考察了热电臂厚度、电流、运行频率、外界对流换热系数对复合制冷性能的影响。模拟结果显示,在大多数工况下热电磁复合模型的比制冷功均大于磁制冷模型的比制冷功率;改变不同几何和运行参数对复合制冷性能有不同的影响。在研究工况范围内,改变热电臂厚度(0.05～0.5 mm)、电流(0.4～0.8 A)、运行频率(0.5～4 Hz)和对流换热系数(500～2000 W·m^-2·K^-1),热电磁复合制冷微元模型相比于平板磁制冷微元模型,制冷功率密度最大提高分别为2.05倍、2.12倍、2.68倍、1.87倍。本研究对后续开展热电磁复合制冷系统机理研究提供重要指导。     

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.     

长颈管型脉冲管制冷机的频率特性

实验测量了小孔阀门、不同长度长颈管和变截面长颈管做调相机构的高频脉冲管制冷机的频率特性,通过冷端相位差和压力波幅值的变化分析了不同调相方式对制冷性能的影响规律,并在实际制冷机的降温实验中进行了验证.     

热电发电机驱动热电制冷机联合系统最优性能

用非平衡热力学与有限时间热力学相结合的方法,考虑装置内部的Seebeck效应、Peltier效应、焦耳热效应、傅立叶效应及装置与热源间传热损失,建立了牛顿传热规律下热电发电机驱动热电制冷机联合系统的有限时间热力学模型,得到装置制冷率和制冷系数的解析式.在装置热电单元总数和换热器总换热面积一定的条件下,优化热电单元和换热面积的分配,获得装置的最大制冷率和制冷系数,并着重分析了热电发电机高温热源温度和热电制冷机制冷空间温度对装置最优性能的影响.结果表明,优化可以有效地提高装置制冷率和制冷系数,增大装置极限制冷温差,拓宽装置工作范围.