兩級(jí)熱電制冷器瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能研究

何杭

摘 要：本文對(duì)兩級(jí)熱電制冷器瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了研究。結(jié)合三維有限元模型分別對(duì)最佳穩(wěn)態(tài)電流與脈沖電流加入時(shí)間分析，得到最佳穩(wěn)態(tài)電流為冷結(jié)0.38A、熱結(jié)0.32A，同時(shí)在2s時(shí)加入脈沖電流能夠達(dá)到最大制冷溫度。

關(guān)鍵詞：熱電制冷器;瞬態(tài)分析;三維多物理場(chǎng)模型

半導(dǎo)體熱電制冷器（TEC）由于它的高可靠性、低噪音、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。然而熱電制冷器相對(duì)低的能源轉(zhuǎn)換效率是其實(shí)際應(yīng)用的一大制約因素，因此關(guān)于改善熱電制冷器件性能的研究至關(guān)重要。其中，優(yōu)化熱電器件的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)與工作狀況設(shè)計(jì)是改善熱電制冷器性能的重要途徑。

因此研究雙層熱電制冷器件的性能參數(shù)有至關(guān)重要的意義，可為將來(lái)器件的實(shí)際使用起到參考價(jià)值。為此我們基于三維有限元模型開展了熱電制冷器件的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)性能分析，從最佳穩(wěn)態(tài)電流與脈沖電流加入時(shí)間做分析與討論。

1 兩級(jí)熱電制冷器模型

圖1 雙層熱電制冷器示意（左）幾何模型 （右）網(wǎng)格劃分

建立雙層熱電制冷器件的三維有限元模型，其幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖1所示。同時(shí)，用于計(jì)算有限元模型的能量方程、電勢(shì)方程與能量控制方程如下：

2 最佳穩(wěn)態(tài)電流分析

穩(wěn)態(tài)最佳電流：對(duì)于一個(gè)通入分別式脈沖電流的雙層TEC，電流在每一個(gè)冷、熱節(jié)都單獨(dú)控制。為了確定冷節(jié)與熱節(jié)的最佳穩(wěn)態(tài)電流，冷節(jié)先輸入一個(gè)固定電流值Ic，1，然后持續(xù)變化通入熱節(jié)的電流Ih，直至找出冷端溫度最低Tc，min1時(shí)對(duì)應(yīng)的值;接著冷節(jié)再固定另一個(gè)電流值Ic，2，同樣持續(xù)變化熱節(jié)電流，找出此時(shí)冷端溫度最低Tc，min2對(duì)應(yīng)的電流值;如此重復(fù)，最后在冷節(jié)電流Ic一系列的變化后，可以得到Ic-Tc，min的曲線：結(jié)果表明冷端最低溫度為256.97K，此時(shí)冷節(jié)電流為IC=0.38[A]，熱節(jié)電流為IH=0.32[A]。曲線如圖2所示：

由上述結(jié)果可以找出基本工況冷端瞬態(tài)溫度變化情況。

3 脈沖電流加入時(shí)間分析

固定加入的脈沖電流的脈寬為2s，脈沖振幅為Pc=3，改變加入時(shí)間觀測(cè)其變化，結(jié)果如圖3所示：

由上可知，當(dāng)在2s時(shí)加入脈沖電流效果最好。

4 結(jié)論

通過(guò)最佳穩(wěn)態(tài)電流與脈沖電流加入時(shí)間分析。得到最優(yōu)冷節(jié)電流為IC=0.38[A]，熱節(jié)電流為IH=0.32[A]，同時(shí)當(dāng)在2s時(shí)加入脈沖電流能夠達(dá)到最大制冷溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]姬鵬先，時(shí)陽(yáng)，羅曉玉.熱電制冷器特性分析[J].制冷與空調(diào)，2005（01）：82-85.