基于热电制冷技术的热管理与低温冷却技术.pptx

一、研究背景

二、基于热电制冷技术的密闭空间热管理

三、基于热电制冷技术的微型低温冷却技术

一、研究背景

一个P型半导体臂和一个N型半导体臂通过铜片连接而成一个热电单元。

多个热电单元在吸放热上并联，在电路上串联组成实际应用中的热电模块。

基本结构

A.

B.

C.

D.

可将电能直接转换为温差。

无制冷剂、无往复运动件，振动小、噪音低、可靠性高。

通过改变电流，实现高精度的温度控制。

通过模块化配置满足不同的制冷需求。

热电制冷研究

热电材料

热力学

理论

单元配置

散热方式

有限时间热力学空冷

水冷

热管

…

单级两级及多级

数值计算建模仿真实验研究

添加掺杂物寻找新晶体结构

改用纳米复合材料

非平衡热力学

串联式并联式分离式

Hong等基于热电制冷和加热技术，设计了一种可根据背景温度变化的可穿戴、自适应红外伪装装置。在低于环境温度7℃和高于环境温度15℃的背景温度范围内有效屏蔽皮肤的代谢热。

军事领域

Rincón-Casado等研究了一种符合理想睡眠条件的基于热电制冷系统的床垫，旨在控制人与床垫的界面温度提高睡眠舒适度，床垫温度比室温低3.4℃。

家用领域

Saleh等用热电制冷器冷却CPU，以研究其在不同热流量下冷却芯片热点的能力。测试结果表明，在10.8W的热流率、5.5A电流时温度降低了54.0℃。

电子设备

二、基于热电制冷技术的密闭空间热管理

含功率器件制冷空间示意图

模块结构

单级

两级

热端冷却方式

空冷

水冷

分析目标

制冷空间温度

制冷量

制冷系数

影响因素

电流

模块数量

模块填充系数

冷却水流速

热电单元分配比

热电单元面积比

热电臂长度比

非绝热模型制冷空间温度与时间关系

绝热模型制冷空间温度与时间关系

含功率器件模型制冷空间温度与时间关系

非绝热模型制冷量与时间关系

绝热模型制冷量与时间关系

含功率器件模型制冷量与时间关系

绝热模型和非绝热模型制冷系数与时间关系

含功率器件模型制冷系数与时间关系

最低制冷温度与工作电流关系

不同模块数最低制冷温度与时间关系

水冷和空冷两级制冷器端面温差与时间关系

水冷和空冷两级制冷器空间温度与时间关系

水冷和空冷两级制冷器制冷系数与时间关系

最低制冷温度与热电偶数量关系

最低制冷温度与热电偶分配比关系

非绝热模型制冷系数与热电偶分配比关系

串联式两级制冷器结构示意图

分离式两级制冷器结构示意图

分离式和串联式两级制冷器空间温度与时间关系

分离式和串联式两级制冷器制冷系数与时间关系

分离式和串联式两级制冷器制冷量与时间关系

绝热空间温度与电流关系

绝热空间制冷量与电流关系

非绝热空间温度与电流关系

非绝热空间温度与热电臂长度关系

非绝热空间制冷量与热电臂长度关系

实验装置主要组成

制冷空间

制冷空间箱体

可调功率功率器件

热电装置

单级热电制冷模块

水冷板

潜水泵、循环水箱

数据采集

测温热电偶

无纸记录仪

直流电源

I=0.375A

I=1.5A

I=0.75A

I=1.125A

I=1.875A

I=2.25A

三、基于热电制冷技术的微型低温冷却技术

红外传感器可划分为非制冷型、制冷型两种。制冷型红外探测器响应速度快、探测率高、适用于宽波段特点，极其适合军事领域。

非制冷型红外探测器

制冷型红外探测器

红外探测器封装结构示意图

冷端热阻网络图

热端热阻网络图

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制冷量、制冷系数和耗功随蒸发段长度和管芯厚度的变化

热力学完善度、模块利用系数和协调性能系数随蒸发段长度和管芯厚度的变化

图5.15热力学完善度、模块利用系数和协调性能系数随热电臂横截面积的变化

31

制冷量、制冷系数和耗功随热电臂横截面积的变化

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不同工作电流下多目标优化的帕累托边界和最优解

不同热电臂横截面积的多目标优化的帕累托边界和最优解

3.2 增加杜瓦结构

3.3 增加芯片密封舱

制冷器样机

热电制冷组件

杜瓦封装组件

热管散热组件

箱装体参数显示模块

四级热电制冷芯片

功率器件

芯片密封舱

热交换平台

热管

热沉

轴流风扇

铝合金内胆

石英玻璃顶

尼龙外壳

抽气管路

显示界面

温度探头

内置电源

外接电源

根据右侧样机与计算模型的稳态特性对比图，可得：

冷端温度最低达-70℃，比增加之前下降2℃，与计算模型误差为3.7%；

制冷温差最大达107℃，比增加之前增大7℃，与计算模型误差为1.6%；

制冷量最大2.13W，与计算模型误差为4.9%；

最低空间温度从14℃降至-49℃。

根据右侧样机与计算模型的稳态特性对比图，可得：

冷端温度最低达-70℃，比增加之前下降2℃，与计算模型误差为3.7%；

制冷温差最大达107℃，比增加之前增