TEC制冷系统最优化设计

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1、TEC制冷系统最优化设计艾克思—XTECH摘要：TEC制冷系统最优工作涉及到多个参数，但是一旦热端、冷端装置确定下来，那么最优控制参数就只需要调节电流大小了。本文模通过模拟风冷式热电制冷器，分析出稳态下，电流参数的改变，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1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。2热电制冷原理小型的热电制冷器（TEC）通常制

2、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。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。3模型结构图1TEC模块示意图图2热

3、电制冷单元制冷原理图整个模型由以下几个部分组成，如图3，由上到下依次是：（1）轴流风扇（2）翅片（3）散热器基板（4）热电制冷模块（5）导热铝块。如表1所示。图3风冷式热电制冷器模型表1模型的相关参数名称参数轴流风扇体积流量Q=172.21()，压头=75(Pa)，定义为内部风扇，吹风散热器翅片高度H=15mm，长度L=140mm，翅片厚度D=2mm，间距d=3.2mm，翅片个数N=25散热器基板尺寸：140×130×5mm3散热器材料为挤压成型铝，导热系数=205w/（m.k），=2.8×103kg/m3热电制

4、冷模块外形尺寸：40×40×4mm^3对数n=127，塞贝克系数=200,电阻率=1/=0.001,热导率k=15mw/k.cm导热铝块有利于将冷量散发出去，尺寸：68×50×15mm3，基板材料为挤压成型铝，导热系数为205w/（m.k），密度为2.8×103kg/m31结果分析4.1运行电流对热电制冷片制冷性能的影响环境温度恒定为26.85度，由图4可以看出，对于特定的热电制冷器，冷热端温差随着电流的增大而增大，小电流范围内，温差与电流近似成线性关系；大电流范围内，成非线性关系，随着电流的增大温差增加速度有所

5、放缓。冷端温度随着电流的增大先增大再减小，当电流为6A时，冷端温度达到最低。计算得出制冷系数和单位元件制冷量随着电流的变化，如图5所示。随着电流的增大，制冷系数逐渐减小，反映出制冷器的制冷效率下降。当电流大于7.5A时，制冷系数接近于零且趋向于负值，此时，制冷器已经失去制冷能力。当电流增大时，单位元件制冷量先增大再减小，电流为3.5A时，制冷量最大。由变化曲线可知，电流对制冷系数的影响要大于对制冷量的影响。因此，当制冷器用于所需制冷量较小，温差不大的场合时，效率为主要考虑因素，可选择小电流范围内运行,电流1~4A

6、为最佳。当制冷器用于所需制冷量较大，温差也大的场合，可选择大电流范围内运行。电流可取3.5~6A为最佳。综合考虑，电流值为4A时，可以兼顾制冷量和制冷系数。图4冷热端温差和冷端温度随电流的变化图5制冷系数和单位制冷量随电流的变化1结论当前我们的TEC控制器控制模式大都是恒压的开关占空比控制，很难达到TEC的最佳控制方式，整个控制过程应该是变电流的一个控制方式。本文分析也存在局限于稳态分析，实际中的TEC控温是一个由非稳态进入稳态的过程，因此，控制TEC电流大小需要智能控制器，不是单一的恒压控制能够实现的，恒压控制

7、对应的本文模拟了风冷式热电制冷器在稳态下的参数变化情况，为人们优化制冷器的运行及结构优化提供了参考。由模拟结果可知，当制冷器以最大制冷系数工况设计时，宜选择小电流范围内运行，电流值在1~4A为佳；当制冷器以最大制冷量工况设计时，电流值在3.5~6A为佳，选择类似TEC-10A的智能控制器，内部集成非稳态情况下的最佳工作模式、稳态情况下的工作模式，能够很好的获得最佳工作点。（本文感谢华中科技大学的陈焕新，汤魁，舒朝晖，谢军龙，李爱博，申利梅的论文初稿）