热电制冷器瞬态超冷性能强化研究

摘要

随着半导体热电材料的出现，热电制冷器在医疗、航空、军事、工业等领域得到实际应用。与传统制冷技术相比，热电制冷器具有体积小、反应迅速、无运动部件、对环境友好等优点。单层热电制冷器能达到的最大温差大约为70K，为进一步强化制冷性能，其瞬态超冷效应引起学者广泛关注。本文建立了三维瞬态多场耦合模型，考虑制冷过程中发生的所有热电效应以及材料变物性，从脉冲波形、半导体形状、双层结构三个方面强化热电制冷器的瞬态制冷性能。
　　以幂指函数波形电流脉冲(t0、t1/2、t1、t2、t3、t4、t5)为研究对象，探讨在这类电流脉冲驱动下热电制冷器的瞬态超冷效应，综合分析脉冲振幅、脉宽、边界条件等因素对制冷性能的影响。对于相同条件下的幂指函数波形，当冷端最低温度出现在脉冲结束前时，指数越大，冷端温度越低;当冷端最低温度出现在脉冲结束时，指数越小，冷端温度越低。
　　提出新型变截面结构设计。与传统的热电制冷器相比，变截面设计多了两个额外的效应。首先，变化的横截面积使得热阻不对称，焦耳热优先传向横截面积较大的一端，称为热传导效应。其次，在横截面积较小的一端产生更多的焦耳热，称为焦耳热效应。在脉冲期间焦耳热效应总是强于热传导效应，更多的焦耳热传向横截面积小的一端。然而脉冲结束后热量更多地传向横截面积较大的一端。当需要更低的冷端温度、更小的过冲温度或更长的维持时间时，应采用冷端横截面积较大的设计;当优先考虑更短的恢复时间时，应采用冷端横截面积较小的设计。
　　首次提出将瞬态超冷效应和堆叠结构相结合的设计概念。与单层热电制冷器相比，双层热电制冷器的瞬态超冷效应能获得更低的冷端温度和更长的维持时间。对于分别式双层热电制冷器，热节脉冲振幅和脉冲宽度适当小于冷节脉冲振幅和脉宽时能获得更佳的瞬态制冷性能。热节脉冲较早施加可获得较低的冷端温度，热节脉冲较晚施加可获得较长的维持时间。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作

1．4 本章小结

第2章 热电制冷器多物理场耦合模型

2．1 热电制冷基本原理

2．1．1 热电效应

2．1．2 热电制冷原理

2．1．3 瞬态超冷效应

2．2 多物理场耦合模型

2．2．1 温度场控制方程

2．2．2 电势场控制方程

2．2．3 边界条件

2．2．4 初始条件

2．3 模型验证

2．3．1 网格独立性检验

2．3．2 模型验证

2．4 本章小结

第3章 脉冲波形对瞬态超冷性能的强化作用

3．1 脉冲宽度

3．2 脉冲振幅

3．3 冷端负载

3．4 热端对流换热系数

3．5 本章小结

第4章 半导体形状对瞬态超冷性能的强化作用

4．1 基本形状设计

4．2 稳态最佳电流

4．3 变截面TEC的瞬态超冷性能

4．4 不同横截面积比的TEC瞬态超冷性能

4．5 本章小结

第5章 双层热电制冷器瞬态超冷性能分析

5．1 串联式双层TEC的瞬态超冷性能

5．1．1 单层和双层TEC的比较

5．1．2 电流脉冲

5．1．3 边界条件

5．1．4 几何结构

5．2 分别式双层TEC的瞬态超冷性能

5．2．1 稳态最佳性能

5．2．2 单层和双层TEC的比较

5．2．3 不同的脉冲施加方式

5．2．4 振幅组合

5．2．5 脉宽组合

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢