蒸汽室热扩散器热阻对热电模块性能影响的研究

摘要

热电系统由于其低效率而未被广泛使用，其效率受到热侧相关热设计的影响。本文主要关注点是通过使用蒸气腔散热器，提高热电系统性能，通过提供低的总传热热阻，有效的热扩散能力，使得温度均匀地分布，避免形成与热电模块的热侧相关的热点区域，提高了系统热性能。本文进行了以下研究工作： 1)热电模块建模:本研究中,依据帕尔贴效应、焦耳效应和热传递，采用MATLAB对热电堆性能进行模拟计算；以40mm×40mm的热电模块TEC1-12710作为研究对象，其冷端温度为290K,冷热段温差为0K—70K，可变输入电流0.1A—15A;基于热电模块热侧的传导热损失、高温和热阻主要的问题被阐述出来。 2)研究热电堆热端采用蒸气腔的散热效果。基于吸液芯和蒸汽区域的连续性方程，蒸气腔所包含的壁面、多孔吸液芯、蒸汽区三部分的能量守恒方程，推导出蒸汽腔数学模型；采用正交各向异性法获得蒸气腔的有效导热系数和扩散和传导热。 3)模拟分析：采用COMSOL Multiphysics软件作为模拟平台，模拟不同参数的蒸气腔换热器，输入热量80W—400W，对流换热系数100W/m2K—2000W/m2K，不同的厚度和换热面积。分析和比较了传统的铜和铝固态金属导热板。 本文得到的模拟结果如下： 1)结果表明，热电模块的效率与导热和温度差具有很强的相关性。对于传热热阻小于0.1K/W,在输入较小电流时COP会超过2.40。相似的，对于热阻在0.001K/W—0.1K/W之间，热侧温度可以降低到310K—335K。这表明低的热阻和小温差使得COP将显著的增加。 2)在输入任何热量下，蒸汽腔底面和顶面之间的温度上升百分比都小于与之作比较的导热板。对于160W的输入量，铜的温度上升百分比为48.46%，而铝为76.76%，高于蒸汽腔的温度上升。这意味着蒸气腔有着较好的热传导性能，使得蒸气腔底面和顶面具有较小温差。 3)在80W、160W和240W的热输入下，蒸汽腔的总热阻为0.27K/W—0.28K/W。然而，在相同热输入的情况下，导热板热阻相近，例如铜为0.326K/W，铝为0.458K/W，表明蒸气腔总热阻比铜导热板低17%，总热阻比铝导热板低41%。这表明热阻低的蒸汽室对提高热电模块性能有重要意义。 4)增加面积比将降低总热阻；对于150mm×150mm的蒸气室，其总热阻为0.163K/W，而铜和铝分别为0.266K/W和0.427K/W，这意味着蒸汽腔热阻比传统的铜和铝导热板可以减少38.72%和61.82%。这表明增加蒸汽腔的面积比的重要性，它可以通过提供更低的热阻来增加其热扩散能力。 5)模拟得到的横向导热系数在1480—1944W/(mK)的范围内，这表明温度沿顶面均匀分布，与铜（401W/mK）和铝（171W/mK）导热板相比，可以克服热点区域的问题，取决于厚度、输入热流密度和蒸汽腔的面积比。 研究发现，采用热电模块热侧蒸汽腔散热器可获得比传统的铜和铝导热板高26.15～56.15%的COP。本研究还提出了蒸汽腔的有效热扩散能力和有效热传导热阻。该研究将为热电模块用于蒸汽强的设计和应用提供指导。

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