TEC制冷系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、TEC 制冷系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)艾克思一 XTECH摘要：TECTEC 制冷系統(tǒng)最優(yōu)工作涉及到多個參數(shù)，但是一旦熱端、冷端裝置確定下來，那么最優(yōu)控制參數(shù)就只需要調(diào)節(jié)電流大小了。本文模通過模擬風(fēng)冷式熱電制冷器，分析出穩(wěn)態(tài)下，電流參數(shù)的改變,比對制冷器冷端溫度、冷熱端溫差及制冷系數(shù)，單位制冷量的影響，目的是優(yōu)化熱電制冷器的運(yùn)行和結(jié)構(gòu)參數(shù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)冷熱電制冷數(shù)值模擬1 1引言隨著半導(dǎo)體制冷材料的性能提高，熱電制冷技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如電子散熱、工業(yè)技術(shù)、真空技術(shù)，測量自控、生物醫(yī)學(xué)等。2 2熱電制冷原理小型的熱電制冷器（TEQTEQ 通常制作成制冷模塊形式，這種形式的熱電制冷器易于商品化。通常有

2、兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是不帶陶瓷板的熱電堆，另一種是雙面帶陶瓷板的熱電堆。本文模擬的 TECWTECW 于帶陶瓷板的熱電堆。如圖 1 1 所示，模塊式熱電制冷片由若干個 P-NP-N 熱電偶對串聯(lián)后者并聯(lián)組成，N N 吉和 P P 結(jié)之間通過導(dǎo)電金屬片連接，通常為導(dǎo)電性能較好的銅片。若干個 P-NP-N 點(diǎn)偶對用陶瓷板夾在中間，陶瓷板起導(dǎo)熱絕緣作用。如圖 2,2,當(dāng)直流電從騎向 N N 時，就會在一端產(chǎn)生冷的吸熱現(xiàn)象，另一端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，分別叫冷端和熱端。本文主要針對于冷熱端的溫度進(jìn)行探討。3 3模型結(jié)構(gòu)整個模型由以下幾個部分組成，如圖 3,3,由上到下依次是：（1 1）軸流風(fēng)扇（2 2）翅片（3

3、 3）散熱器基板（4 4）熱電制冷模塊（5 5）導(dǎo)熱鋁塊。如表 1 1 所示。圖 1TEC 模塊示意圖圖 2 熱電制冷單元制冷原理圖圖 3 風(fēng)冷式熱電制冷器模型表 1 模型的相關(guān)參數(shù)名稱參數(shù)軸流風(fēng)扇3體積流量 Q=172.21(m/h),壓頭=75(Pa),定義為內(nèi)部風(fēng)扇，吹風(fēng)散熱器翅片高度 H=15mm,長度 L=140mm,翅片厚度 D=2mm,間距召d=3.2mm,翅片個數(shù) N=25 散熱器基板尺寸：140X130X5mm3 散熱器材料為擠壓成型鋁，導(dǎo)熱系數(shù)九=205w/(m.k),Pcc，c=2.8M03kg/m3 熱電制冷一.模塊外形尺寸：40X40X4mmA3 對數(shù) n=127,塞

4、貝克系數(shù)a=200v/K，電阻率=1/臺=0.001Ccm；熱導(dǎo)率k=15mw/k.cm導(dǎo)熱鋁塊有利于將冷量散發(fā)出去，尺寸：68X50X15mm3,基板材料為擠壓成型鋁，導(dǎo)熱系數(shù)為 205w/(m.k),密度為 2.8X103kg/m344結(jié)果分析4.14.1 運(yùn)行電流對熱電制冷片制冷性能的影響環(huán)境溫度恒定為 26.8526.85 度，由圖 4 4 可以看出，對于特定的熱電制冷器，冷熱端溫差隨著電流的增大而增大，小電流范圍內(nèi)，溫差與電流近似成線性關(guān)系；大電流范圍內(nèi)，成非線性關(guān)系，隨著電流的增大溫差增加速度有所放緩。冷端溫度隨著電流的增大先增大再減小，當(dāng)電流為 6A6A 時，冷端溫度達(dá)到最低。計(jì)

5、算得出制冷系數(shù)和單位元件制冷量隨著電流的變化，如圖 5 5 所示。隨著電流的增大，制冷系數(shù)逐漸減小，反映出制冷器的制冷效率下降。當(dāng)電流大于 7.5A7.5A 時，制冷系數(shù)接近于零且趨向于負(fù)值，此時，制冷器已經(jīng)失去制冷能力。當(dāng)電流增大時，單位元件制冷量先增大再減小，電流為 3.5A3.5A 時，制冷量最大。由變化曲線可知，電流對制冷系數(shù)的影響要大于對制冷量的影響。因此，當(dāng)制冷器用于所需制冷量較小，溫差不大的場合時，效率為主要考慮因素，可選擇小電流范圍內(nèi)運(yùn)行，電流 1414 陌最佳。當(dāng)制冷器用于所需制冷量較大，溫差也大的場合，可選擇大電流范圍內(nèi)運(yùn)行。電流可取 3.53.56A6A 為最佳。綜合考慮

6、，電流值為 4 4 加寸，可以兼顧制冷量和制冷系數(shù)。圖 4 冷熱端溫差和冷端溫度隨電流的變化圖 5 制冷系數(shù)和單位制冷量隨電流的變化5 5 結(jié)論當(dāng)前我們的 TEC!TEC!制器控制模式大都是恒壓的開關(guān)占空比控制，很難達(dá)到 TEMTEM 最佳控制方式，整個控制過程應(yīng)該是變電流的一個控制方式。本文分析也存在局限于穩(wěn)態(tài)分析，實(shí)際中的 TEC!TEC!溫是-個由非穩(wěn)態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過程，因此，控制 TEOtTEOt 流大小需要智能控制器，不是單一的恒壓控制能夠?qū)崿F(xiàn)的， 恒壓控制對應(yīng)的本文模擬了風(fēng)冷式熱電制冷器在穩(wěn)態(tài)下的參數(shù)變化情況， 為人們優(yōu)化制冷器的運(yùn)行及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)制冷器以最大制冷系數(shù)工況設(shè)計(jì)時，宜選擇小電流范圍內(nèi)運(yùn)行，電流值在 1 14 4A A為佳；當(dāng)制冷器以最大制冷量工況設(shè)計(jì)時，電流值在 3.53.56A6A 為佳，選擇類似TEC-10ATEC-10A 的智能控制器，內(nèi)部集成非穩(wěn)態(tài)情況下的最佳工作模式、穩(wěn)態(tài)情況下的工作模式，能夠很好的獲得最