文档介绍：风冷式热电制冷模块的稳态模拟
华中科技大学陈焕新汤魁舒朝晖谢军龙李爱博申利梅
摘要:模拟了一种风冷式热电制冷器,分析出稳态下,两种参数的改变,即电流、热电臂面积长度比对制冷器冷端温度、冷热端温差及制冷系数,单位制冷量的影响,目的是优化热电制冷器的运行和结构参数。
关键词:风冷热电制冷数值模拟
引言
随着半导体制冷材料的性能提高,热电制冷技术得到越来越广泛的应用。例如电子散热、工业技术、真空技术,测量自控、生物医学等。热电材料的迅猛发展,迫切需要提高热电制冷器的应用水平,合理的设计和运行热电制冷器就显得尤为重要。其中,又以提高热电模块的性能最为突出。因此,有必要对热电模块内部结构进行分析,但是,热电制冷器内部结构比较复杂,采用传统的解析方法困难较大,同时也不够直观。另外,热电制冷片的冷热端温度的测定一直是一个复杂的问题,而数值计算为人们研究及设计热电制冷器提供了方便。
美国德克萨斯州阿林顿的Nikhil Lakhkar等[1]利用iecpak模拟了利用热电制冷器用于高热量芯片的散热情况,比较了几种不同的热电制冷方式对芯片散热效果的好坏,并分析了封装的热斑产生的原因和解决办法。
对于一个已经制成的制冷器来说,人们关心的是在功率多大时,温差多大,或者是在某种温差下可以提供的产冷量多大,效率如何等等[2] 。因此,制冷器冷热端温差可以用来描述制冷器的制冷能力。另外,冷端温度的大小,也反映了制冷器所能达到的制冷效果。
本文对风冷式热电制冷器进行数值模拟。改变制冷器的运行参数及结构参数,分析这些参数的改变对热电制冷器制冷效果的影响。研究结论为热电制冷器内部的合理设计提供了理论依据和指导方法。
热电制冷原理
小型的热电制冷器(TEC)通常制作成制冷模块形式,这种形式的热电制冷器易于商品化。通常有两种结构形式,一种是不带陶瓷板的热电堆,另一种是双面带陶瓷板的热电堆[3]。本文模拟的TEC属于带陶瓷板的热电堆。如图1所示,模块式热电制冷片由若干个P-N热电偶对串联后者并联组成,N结和P结之间通过导电金属片连接,通常为导电性能较好的铜片。若干个 P-N点偶对用陶瓷板夹在中间,陶瓷板起导热绝缘作用。如图2,当直流电从P流向N时,就会在一端产生冷的吸热现象,另一端产生放热现象,分别叫冷端和热端。本文主要针对于冷热端的温度进行探讨。
数值方法和模型结构
当热电制冷器通电运行时,经过一段时间后,会在冷热端产生温差
(1)
冷端产生的单位元件制冷量为Qc
(2)
图1 热电模块示意图图2热电制冷单元制冷原理图
热端的放热量为输入的电流做的功加上冷端的产冷量,表达式为
(3)
取N型或者P型热电臂,其热电臂截面面积为S,热电臂长度为L,面积长度比为G,表达式为
(4)
衡量制冷器的制冷能力用制冷系数表示,即为制冷量与电流做功量的比值
(5)
在给定的使用条件下,半导体制冷器所能够达到的最大温差以及制冷效率,均取决于优值系数的数值,Z值综合了有关材料的电学和热学两方面的因素,是一个十分重要的参数[3]
(6)
上述数学表达式中,各参数表达的意义是:
Th ——热端温度(K)
Tc ——冷端温度(K)
——电偶对的温差电动势率(uv/)
K——电偶对总热导率(W/)
R——电偶对的总电阻()
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