一种三级半导体制冷器失效分析研究

研究了一种用于冷却探测芯片的小型三级半导体制冷器的装配、调试失效因素,分析了工作状态下制冷器冷、热端装配结构与方式对制冷器制冷性能的影响,得出半导体制冷器的制冷性能随装配方式的影响规律,并提出了防止失效的方法,为该三级半导体制冷器的装配工艺设计提供了依据。     

基于半导体制冷器的CPU散热研究

针对目前计算机日益增多的CPU热故障、常规风冷散热法已接近极限的问题,研究了把半导体制冷器用于CPU芯片散热的一种实用方法,提出了防止CPU结露的具体措施,并对半导体制冷器的冷量控制进行了设计。实际运行和调试证明本方案是一种提高CPU散热能力的实用、有效、可行的办法。     

基于半导体制冷器的非均匀性校正

非均匀性是红外系统中影响图像质量的重要因素。为了更好地拟合探测器的响应曲线,充分发挥探测器的最佳性能,以获得良好的图像效果,在两点校正的理论基础上提出了一种更为实用的两点校正方法。通过单片机(MCU)控制半导体制冷器(TEC)以产生两个不同的校正温度点,系统分别读取在这两个温度点下所采集的两幅图像,利用两点校正算法计算探测器的响应率和暗电流。通过实验验证,这种校正算法实用,易于实现。     

适用于复合制冷系统辐射制冷器的研究

针对复合制冷系统的特点,提出了两种可行的辐冷器结构,详细叙述了这两种辐冷器的具体结构方案,分别对 其进行了热设计计算。通过对计算结果的分析比较并结合其结构特点,确定了最终复合制冷系统辐冷器结构。     

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。     

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%。     

基于FPGA的半导体激光器温度控制系统设计

介绍了半导体激光器的温度控制原理,设计了基于FPGA的半导体激光器温度控制系统。系统采用数字温度传感器DS18820作为温度测量器件,TEC作为控温执行元件,并采用模糊控制算法、PWM机制来控制TEC的驱动电流从而实现温控。基于QuartusⅡ开发平台采用Verilog HDL设计了软件部分,最后进行了功能仿真。整个系统对硬件要求不高,实现简单。从仿真结果可以看出,控制系统能够满足半导体激光器温度控制的精度和稳定度的要求。     

压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响

讨论了充气压力对热声压缩机的起振温度等性能的影响 ,着重研究了工作压力对热声驱动脉管制冷机性能的影响。对自行研制的驻波型热声驱动脉管制冷机进行了改进和优化 ,在最近的实验中取得了 1 2 0 K的无负荷最低制冷温度 ,达到液化天然气温区。     

圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力分析

建立了三维圆锥形热电臂的热电制冷器的有限元模型,考虑了热电材料对温度的依赖性,研究了输入电流和热电臂的几何形状对圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力的影响,并与传统矩形做了对比。研究结果表明,圆锥形热电臂形状的设计能减小热电制冷器的最大热应力,热端铜片与焊料连接处热应力较大容易遭到破坏,适当增加热电臂的高度和冷热端横截面积之比可使冷端温度分别降低11.56 K、9.5 K。优化后的圆锥形热电臂的热电制冷器与矩形相比,冷端温度降低了1.53 K,最大热应力减小了8.9%,制冷性能提升的同时最大热应力也有所减小。     

直线电机驱动回热器性能研究

本文提出并搭建了一种采用直线电机驱动的回热器热声转换实验台,通过调节负载阻抗改变回热器处声场条件,研究回热器在不同声场下热声转换特性。文中首先对实验系统进行了数值模拟,结果表明,回热器存在最优的工作声场,但由于有限水力半径因素,最优声场会偏离行波相位。计算中系统获得了最大1300 W净输出声功,热声效率达到35%。之后进行的实验实现了回热器处声场的调节,验证了回热器的声功放大作用,并获得了与数值计算相同的趋势。     

双势垒InAs/InP纳米线异质结热电子制冷机

研究了具有不同温度和不同化学势的两个热库中电子通过一个双势垒InAs/InP纳米线异质结进行的传输.利用传输矩阵法得到了电子的传输概率,进而计算得到电子传输所产生的热流.通过数值计算给出了热电子制冷机的性能特征曲线.进一步分析了势垒宽度和势阱宽度对制冷机工作性能的影响.研究发现,当势阱宽度一定时,随着势垒宽度变大共振中心能级的位置变大,共振能级宽度变小,同一偏压对应的制冷率变小,相对制冷系数变大.当势垒宽度一定时,随着势阱宽度变大,同一偏压对应的相对制冷系数变小.当势垒和势阱宽度同时变化时,得到的曲线与势垒宽度一定势阱宽度变化时得到的曲线基本相似.这表明制冷率和相对制冷系数主要受势阱宽度变化的影响.     

Maximum Efficient Power Performance Analysis and Multi-Objective Optimization of Two-Stage Thermoelectric Generators

Two-stage thermoelectric generators have been widely used in the aerospace, military, industrial and daily life fields. Based on the established two-stage thermoelectric generator model, this paper further studies its performance. Applying the theory of finite-time thermodynamics, the efficient power expression of the two-stage thermoelectric generator is deduced firstly. The maximum efficient power is obtained secondly by optimizing the distribution of the heat exchanger area, distribution of thermoelectric elements and working current. Using the NSGA-II algorithm, multi-objective optimizations of the two-stage thermoelectric generator are performed thirdly by taking the dimensionless output power, thermal efficiency and dimensionless efficient power as objective functions, and taking the distribution of the heat exchanger area, distribution of thermoelectric elements and output current as optimization variables. The Pareto frontiers with the optimal solution set are obtained. The results show that when the total number of thermoelectric elements is increased from 40 to 100, the maximum efficient power is decreased from 0.308W to 0.2381W. When the total heat exchanger area is increased from 0.03m2 to 0.09m2, the maximum efficient power is increased from 0.0603W to 0.3777W. The deviation indexes are 0.1866, 0.1866 and 0.1815 with LINMAP, TOPSIS and Shannon entropy decision-making approaches, respectively, when multi-objective optimization is performed on three-objective optimization. The deviation indexes are 0.2140, 0.9429 and 0.1815 for three single-objective optimizations of maximum dimensionless output power, thermal efficiency and dimensionless efficient power, respectively.     

Performance optimization analysis of a thermoelectric refrigerator with two resonances

Based on electron transport theory,the performance of k x and k r filtered thermoelectric refrigerators with two resonances are studied in this paper.The performance characteristic curves between the cooling rate and the coefficient of performance are plotted by numerical calculation.It is shown that the maximum cooling rate of the thermoelectric refrigerator with two resonances increases but the maximum coefficient of performance decreases compared with those with one resonance.No matter which resonance mechanism is used(k x or k r filtered),the cooling rate and the performance coefficient of the k r filtered refrigerator are much better than those of the k x filtered one.     

脉冲管制冷机蓄冷器的热力学循环数值分析

脉冲管制冷机内部工质气体热力学循环是理解脉冲管制冷机制冷机理的一个重要方面。本文采用拉格朗日方法对制冷机蓄冷器内部气体微团热力学循环进行了数值统计分析,结果表明,对于变频率和充气压力工况,蓄冷器内单位质量气体单位时间内循环换热量和制冷机能达到的最低制冷温度紧密相关。     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

Coefficient of Performance at Maximum χ-Criterion for Feynman Ratchet as a Refrigerator

The χ-criterion is defined as the product of the energy conversion efficiency and the heat absorbed per unit time by the working substance [de Tomás et al., Phys. Rev. E 85 (2012) 010104(R)]. The χ-criterion for Feynman ratchet as a refrigerator operating between two heat baths is optimized. Asymptotic solutions of the coefficient of performance at maximum χ-criterion for Feynman ratchet are investigated at both large and small temperature difference. An interpolation formula, which fits the numerical solution very well, is proposed. Besides, the sufficient condition for the universality of the coefficient of performance at maximum χ is investigated.     

热漏、热阻及回热特性对磁Ericsson制冷循环最优性能的影响

建立了同时考虑热漏、热阻及回热等主要不可逆因素的顺磁质 Ericsson制冷循环的模型。针对回热平衡与回热不平衡的情况 ,应用有限时间热力学理论 ,导出了制冷率与制冷系数间的基本优化关系 ,给出了制冷率、制冷系数的优化值域 ,结果反映了回热式制冷机的主要观测特征。讨论了基本优化关系的应用 ,分析了热漏、热阻及回热损失对制冷循环性能影响的本质差异     

半导体光纤环形激光器输出状态分析与分类

研究了不同注入电流、不同输出偏振度下,半导体光纤环形激光器输出光的混沌特性.分别采用时域观察法、C-C法、Wigner-ville分布时频分析法、最大Lyapunov指数法联合分析输出光的时域、频域统计特性.从而将激光器输出按偏振度划分为三类:偏振度在0%到20%,随着电流的增大,激光器输出偏振混沌激光,其类型发生阶跃性跳变;偏振度在30～80%,激光器输出仍以偏振混沌激光为主,其类型不随电流增大而发生跳变;偏振度趋于90～100%,激光器输出以强度混沌激光为主,偏振混沌光随着偏振度趋向100%而下降为零.利用虚假邻点法计算嵌入维数和回归图法重构吸引子,得到上述三种输出类型的复杂程度依次是:椭圆吸引子(6维)、方形吸引子(7维)、点形吸引子(5维).由此得出,半导体光纤环形激光器用于偏振混沌通信的最佳区域为:偏振度处于30%至80%,注入电流处于330 mA～550 mA.     

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.     

Optimal design of a convergent-barrel cold spray nozzle by numerical method

A convergent-barrel (CB) cold spray nozzle was designed through numerical simulation. It was found that the main factors influencing significantly particle velocity and temperature include the length and diameter of the barrel section, the nature of the accelerating gas and its pressure and temperature, and the particle size. Particles can achieve a relatively low velocity but a high temperature under the same gas pressure using a CB nozzle compared to a convergent-divergent (CD) nozzle. The experiment results with Cu powder using the designed CB nozzle confirmed that particle deposition can be realized under a lower gas pressure with a CB nozzle.