热电制冷芯片热端自然对流散热器的多目标优化设计及性能分析

发布时间：2020-04-16 09:42

【摘要】：热电制冷技术由于无污染,无噪音的特点广受关注,但受散热的影响,热电制冷量及制冷效率仍处于较低水平。热管散热器作为一种高效传热单元,结合热电制冷技术,可解决热电芯片面积小,热流密度大的问题。然而在自然对流条件下散热器总热阻较高,限制了热电制冷性能的进一步提升。为此,本文对热电芯片热端的散热器展开数值研究,以期减小自然对流热阻,同时提升热电芯片的制冷性能。本文首先建立了热管散热器的数值模型,利用计算流体力学的方法得到散热器整体在自然对流条件下的换热特性并作出分析。结果表明,受热管穿插位置的影响,散热器翅片阵列中温度分布不均匀。在翅片与空气之间的热量传递过程中,存在空气流动速度小,沿程阻力高等不足,使得翅片阵列对流换热系数较低,散热效果差。为改善热管散热器传热性能,本文提出了具有连续变化高度的非等高翅片阵列设计,并探究该设计中最大高度差p和间距s对散热器传热特性的影响。与相同条件下的等高翅片阵列相比,非等高翅片阵列在降低流动阻力方面具有优势,且随着最大高度差p的增高,优势越为明显。对非等高翅片作进一步参数研究发现,系统的传热性能和重量受翅片间距s和翅片高度差p的影响显著。在散热面积和散热强度的综合作用下,散热器传热性能呈非单调性变化。借助于多目标遗传算法与神经网络模型的优越性,本文搭建了完善的散热系统优化体系。目的在于能够综合考虑散热器的热阻与质量需求,得出不同权重值下的相对最优设计参数。结果表明,散热器在优化后换热性能提高了7.80%,成本上降低了50.72%,优化参数在设计变量范围内呈带状分布。通过神经网络模型对设计变量进行预测时,预测误差可保持在5%之内。采用优化后的散热器结构为热电制冷芯片热端散热时,热电制冷性能得到提升。以优化结果为基础,本文建立理论模型分别探讨了冷却温度T_c'和冷端热阻R_(cv)对热电制冷系统性能的影响。研究发现,热电制冷系统的最大制冷量Qc_(max)随T_c'和R_(cv)呈线性变化。相较于冷端热阻的影响,冷却温度对TEC性能的影响更大。
【图文】：

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图 1-2 常见热管散热器(图片来自互联网) 性能的影响要散出热量为热电芯片输入功率与其制冷的散热方式。探讨热端散热器对热电芯片阻是研究热电制冷的热点和难点[16-17]。TEC 散热的三种翅片式散热器（百叶窗式，，寻找翅片在不同长度下的最优翅片间距和进行对比。通过分析发现三种散热器中交错阻减小了 3.28%。百叶窗式散热器三者之起平板式散热器，使用交错式散热器对 TE热电制冷 COP 提升 24.4%，制冷量提升

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华中科技大学硕士学位论文2 热电制冷原理与理论模型电制冷芯片原理电制冷片是由两种不同的半导体材料连接在一起的固态能量转换器。如图电制冷片的结构简图，主要由 n 型材料（含负电荷载流子，电子）和 p 型材载流子，空穴）组成。这些单独的 n 型和 p 型材料被称为热电元件。导热瓷）用于将这些热元件连接在一起，金属互连用于传导电流。当施加电压热量从一侧带到另一侧，使得一侧冷却而另一侧升温，从而实现电串联与
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172;TB61

【参考文献】