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两级热电制冷器瞬态与稳态性能研究

范文

何杭

摘要：本文对两级热电制冷器瞬态与稳态性能进行了研究。结合三维有限元模型分别对最佳稳态电流与脉冲电流加入时间分析，得到最佳稳态电流为冷结0.38A、热结0.32A，同时在2s时加入脉冲电流能够达到最大制冷溫度。

关键词：热电制冷器;瞬态分析;三维多物理场模型

半导体热电制冷器（TEC）由于它的高可靠性、低噪音、结构紧凑等优点，受到了广泛的关注。然而热电制冷器相对低的能源转换效率是其实际应用的一大制约因素，因此关于改善热电制冷器件性能的研究至关重要。其中，优化热电器件的几何参数设计与工作状况设计是改善热电制冷器性能的重要途径。

因此研究双层热电制冷器件的性能参数有至关重要的意义，可为将来器件的实际使用起到参考价值。为此我们基于三维有限元模型开展了热电制冷器件的稳态及瞬态性能分析，从最佳稳态电流与脉冲电流加入时间做分析与讨论。

1 两级热电制冷器模型

图1 双层热电制冷器示意（左）几何模型（右）网格划分

建立双层热电制冷器件的三维有限元模型，其几何模型与网格划分如图1所示。同时，用于计算有限元模型的能量方程、电势方程与能量控制方程如下：

2 最佳稳态电流分析

稳态最佳电流：对于一个通入分别式脉冲电流的双层TEC，电流在每一个冷、热节都单独控制。为了确定冷节与热节的最佳稳态电流，冷节先输入一个固定电流值Ic，1，然后持续变化通入热节的电流Ih，直至找出冷端温度最低Tc，min1时对应的值;接着冷节再固定另一个电流值Ic，2，同样持续变化热节电流，找出此时冷端温度最低Tc，min2对应的电流值;如此重复，最后在冷节电流Ic一系列的变化后，可以得到Ic-Tc，min的曲线：结果表明冷端最低温度为256.97K，此时冷节电流为IC=0.38[A]，热节电流为IH=0.32[A]。曲线如图2所示：

由上述结果可以找出基本工况冷端瞬态温度变化情况。

3 脉冲电流加入时间分析

固定加入的脉冲电流的脉宽为2s，脉冲振幅为Pc=3，改变加入时间观测其变化，结果如图3所示：

由上可知，当在2s时加入脉冲电流效果最好。

4 结论

通过最佳稳态电流与脉冲电流加入时间分析。得到最优冷节电流为IC=0.38[A]，热节电流为IH=0.32[A]，同时当在2s时加入脉冲电流能够达到最大制冷温度。

参考文献：

[1]姬鹏先，时阳，罗晓玉.热电制冷器特性分析[J].制冷与空调，2005（01）：82-85.

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