热电制冷器瞬态性能强化的多参数优化设计

摘要

热电制冷器(TEC)由于其体积小、工作响应迅速、无运动部件以及无环境污染等诸多优点，自问世便备受关注，且被广泛应用。近年来，随着电子器件呈现高度集成、小型化因而高热流密度特点，虽然传统的TEC稳态制冷技术应用受限，然而，TEC瞬态超冷效应表现出的高效制冷优势则尤为适应该环境。本课题以建立的三维热电多物理场耦合瞬态模型为基础，通过数值模拟，提出了能够有效增强TEC瞬态超冷性能的三种优化设计方法。
　　提出利用分别式脉冲电流组合双层TEC强化其瞬态超冷性能的方法。以双层TEC的冷、热节脉冲电流振幅、脉宽、脉冲输入方式以及脉冲启动时间等参数为优化研究对象，通过数值模拟发现，当给双层TEC的冷节和热节都施加脉冲电流时，冷端的瞬态超冷温度最低;一旦冷节的脉冲电流振幅Pc和脉宽τc确定，热节施加振幅与之相同的Ph和更小脉宽τh（＜τc）的脉冲电流时，冷端温度可以得到最有效地降低;当热节的脉冲电流较之冷节脉冲电流提前施加时，热电制冷器的冷端温度可以进一步得到降低。
　　提出利用半导体变截面设计提升双层热电制冷器瞬态超冷性能的方法，探讨了双层TEC冷节与热节的不同截面积比γc以及γh对瞬态超冷性能的影响。当双层TEC的冷节采用变截面结构设计，冷节截面积比γc＞1时，热电制冷器瞬态超冷温度越低;当双层TEC的冷节截面积比固定时，热节截面积比γh＜1或者γh＞1，均对冷端温度的降低有利，但热节截面积比γh＜1时，会加剧热端温度的升高。
　　提出有效制冷线的新概念，并基于此着重研究了通过给TEC施加脉冲波提升热电制冷器瞬态制冷维持时间teff-hold。当施加单脉冲电流时，脉冲振幅不变，teff-hold随脉宽增大而增大;脉宽不变时，teff-hold随振幅的增大先增后减。在一个工作周期内施加双脉冲波，通过提升后脉冲起始电流值I'ini，可以有效地提升有效制冷维持时间，并且当固定起始电流I'ini时，通过变化前后脉冲的振幅脉宽能进一步提升瞬态超冷制冷维持时间。

目录

声明

摘要

1．1 背景及意义

1．2 热电制冷研究现状

1．3 瞬态超冷研究现状

1．4 本文工作

1．5 本草小结

第2章 热电制冷器瞬态超冷原理与建模

2．1 热电瞬态超冷

2．1．1 半导体热电效应

2．1．2 热电瞬态超冷原理

2．2 物理模型

2．3 模型验证

2．4 本章小结

第3章 脉冲设计强化双层TEC瞬态超冷性能

3．1 引言

3．2 模拟系统

3．3 稳态最佳电流

3．4 结果分析与讨论

3．4．1 单双层TEC性能比较

3．4．2 脉冲施加方式的影响

3．4．3 脉冲电流振幅的影响

3．4．4 脉宽与启动时间影响

3．5 本章小结

第4章 变截面设计强化双层TEC瞬态超冷性能

4．1 引言

4．2 模拟系统

4．3 稳态最佳电流

4．4 结果分析与讨论

4．4．1 振幅与脉宽的影响

4．4．2 不同截面积的影响

4．5 本草小结

第5章 新有效制冷线下TEC瞬态超冷性能研究

5．1 引言

5．2 模拟系统

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 单脉冲电流

5．3．2 双脉冲电流

5．3．3 振幅以及脉宽对有效制冷维持时间的影响

5．3．4 脉冲初始电流对有效制冷维持时间的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要成果和结论

6．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢