热电制冷式温湿度调节机的散热技术研究

基于热电制冷的温湿度调节机的制冷和除湿性能主要受其热端散热性能的制约。为了探究热电制冷式温湿度调节机热端散热性能的影响因素,该研究在实际项目的基础上设计了三组实验,分别用于探究风机安装方式,风速大小以及散热翅片间距对其散热性能的影响。结果表明,在所研究的六种风机安装方式中,单风扇单侧吹风的安装方式在实际工程中可以达到相对最佳的散热效果,且其最适宜的风速为5 m/s,最佳散热翅片间距为4 mm,于实际工程来说具有重要的参考意义。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

半导体制冷片制作的高能激光靶屏

 为了用热图法测量高能激光强度的时空分布,设计了将半导体制冷片作为激光靶屏的测量方案。研制了由16个50 mm×50 mm的制冷片组装成的总面积为200 mm×200 mm、总制冷功率超4 800 W的靶屏, 屏四周安装了8个红外标定物用于校正红外图像的畸变。理论上用热传导方程建立了激光辐照半导体制冷片靶屏的加热模型;数值模拟了屏表面温度分布同光强分布的关系,论证了氧化铝陶瓷材料制成的半导体制冷片作为高能激光靶屏的可行性,以及制冷片的制冷功能对测试性能的改善;通过实验验证了研制的靶屏测量光强是可行的。     

激光制冷中能级间距的选择

激光制冷问题的核心是材料的选择。荧光中心能级的间距是其中的一个关键指标。确定合理的能级间距有助于选择合适的激光制冷材料。能级间距决定了对激光制冷至关重要的两个因素:量子效率和无辐射跃迁速率。如果单纯地从制冷功率的角度来看,能级间距越大量子效率越高,也越有利于荧光制冷。但当能级间距宽到某一值后,制冷功率基本上保持不变。如果从热一光转换效率的观点来考察激光制冷的效率问题,能级间距宽度的合理取值就应该小得多。如果在选择激光制冷材料时,确定制冷功率具有第一位的重要性,那么,能级间距选择在5000cm^-1左右的宽度是比较合适的、这不仅可以确定较大的热－光转换效率,同时也基本上保证了很高的制冷功率。     

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.     

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。     

新型热电热泵冷风机的性能研究

设计了一种新型热电热泵冷风机,建立了基于热阻网络法和换热器理论的热电热泵冷风机的数学模型,推导得出了能够有效表征该热电风机制冷性能的多参数耦合方程,并利用该模型分析了制冷片工作电流、散热热阻和新风流量的影响。然后以最大效率和最大制冷量、最小制冷片冷热端温差为综合最优为目标,对以上影响因素提出了最优控制方案,并进一步讨论了热电热泵风机的性能优化方法。该多参数耦合分析方法,对于热电冷风机的研究具有很好的参考价值。     

多芯CSP-LED芯片间距对热拥堵的影响

在铝基板上贴片了不同间距的四颗芯片级封装发光二级管(CSP-LED)模组,测试了不同贴片间距CSP-LED模组的EL光谱、流明效率、光通量、相关色温等光电参数。结果显示,在小电流(20~400 mA)下,随着注入电流的增大,不同排布间距的蓝、白光样品的光电性能基本呈现相同的变化规律,即光通量、光功率呈线性增长,光效基本保持稳定;在大电流(1~1.5 A)下,随着芯片间排布间距减小,EL光谱积分强度降低,色温升高,红色比下降,排布间距为0.2 mm的光通量衰减了84.58%,相比之下排布间距为3 mm和5 mm的光通量衰减明显减缓,分别为8.96%和3.58%,这些现象与禁带宽度、热应力、非辐射复合等因素有关。结果表明,CSP白光LED光通量衰减主要是荧光粉退化导致的,考虑到实际生产成本问题,排布间距为3 mm时,有利于热量散出,进而提高LED光电性能特性及其自身的使用寿命。     

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。     

基于等效热路法的LED阵列散热性能研究

针对一款阵列型大功率LED投光灯的散热特点,建立了关键散热结构的物理模型,并基于等效热路法选用能正确表达其热传导和热对流性能的数学模型,进而遵循本文设计的计算流程能快速计算出自然对流边界条件下的散热性能。通过与红外热像仪的实测温度进行比较,发现二者数据吻合性好,误差仅为+1.08%。随后经散热器关键结构参数对散热性能的影响趋势分析可以看出:肋片间距对投光灯模型存在明显的最优选择,宜采用5 mm的肋片间距;增加肋片高度和减薄肋片厚度均能提升模型的散热性能,但建议须同时考虑减重、成本和可加工性,以获取更适宜的肋片高度(24 mm)和厚度(1～2 mm)。等效热路法可作为同类型LED灯具结构散热性能分析与优化的一种便捷而有效的研究方法。     

低频热驱动气–液耦合热声制冷系统数值模拟研究

提出了一种低频热驱动气–液耦合热声制冷系统,通过数值模拟优化了该系统的结构参数并对其热力性能进行了数值模拟分析。首先,分别对系统关键参数的沿程分布和各部件的?损失进行了分析;然后,探究了不同压力下液体质量对系统热力学参数的影响;最后,与传统热声制冷系统进行了对比。结果表明,气液耦合热声制冷系统可以有效地提升系统的压比、制冷量、COP和相对卡诺效率,降低系统的起振温度和频率。在加热温度300℃,制冷温度15℃,环境温度50℃,平均压力10 MPa时,气液耦合热声制冷系统制冷量为31.12 k W,是传统热声系统理论值的4倍,COP和相对卡诺效率相对于传统热声制冷系统的理论值分别提升了13%和25.9%。     

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。     

微型层式热电模块制冷特性研究

本文建立了微型层式热电模块的仿真模型,讨论了不同的层数、层厚度,层导热系数对层式热电模块制冷效果的影响。研究发现:二层热电臂结构最优,冷、热端热电臂导热系数梯度越大,制冷效果越好,且热电臂厚度在不同导热系数梯度下存在最优值。另外,在微型层式热电模块中,接触效应会显著影响其制冷性能,因此在实际设计及应用研究中不可忽略。     

双丝耦合强度对Z箍缩电磁辐射的影响

利用X射线二极管、光电倍增管和B-dot探针测量了峰值220 kA,0~100%上升时间100 ns的脉冲电流驱动平行双丝产生的电磁辐射。实验结果表明,不同波段的电磁辐射具有不同的辐射机制,热辐射是产生X射线的主要机制,可见光辐射来自热辐射和特征线辐射,微波辐射由非热电磁辐射机制产生。调节丝间距可改变双丝的耦合强度,当丝间距大于临界值时双丝解耦合,电磁辐射不依赖于丝间距;当丝间隙减小至低于临界值时,双丝耦合增强。增大双丝耦合强度不利于热辐射(X射线和可见光),而有利于非热电磁辐射(微波)。对于单丝电流约100 kA、上升时间100 ns的驱动条件,双丝解耦合的临界间距约为10 mm,双丝耦合强度对Z箍缩在不同频段的电磁辐射有影响。丝阵由多根金属丝组成,其最小的相互作用单元可分解为双丝相互作用。     

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.     

带有波转子的水蒸气压缩式制冷循环性能分析

将波转子用于水蒸气压缩,建立波转子制冷循环的热力学模型,与单级压缩制冷循环、两级压缩制冷循环进行对比,分析了波转子压比、蒸发温度对循环性能的影响。结果表明:空调工况下,波转子制冷循环的压缩机压比可降低55.56%,压缩机排气温度可降低42.51%,在波转子压比为2.25时制冷系数ε提升8.67%,达到4.95。