热电自冷却系统数值模拟与实验研究

发布时间：2017-05-20 09:19

  本文关键词：热电自冷却系统数值模拟与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子科学技术的快速发展,电子元件越来越趋向于小型化和高度集成化。电子元件体积越来越小的同时,其消耗的功率和释放的热量也越来越大,工作温度越来越高。工作温度过高是电子元件失效的主要原因。因此,对电子元件进行热设计成为了电子产品设计过程中的一项关键技术。热电发电(TEG)是一种清洁的能源转化技术,它可以将废热转化成电能,而对环境没有任何污染。本文研究一种热电技术的新应用,叫做热电自冷却(TSC)技术。它利用热电技术回收设备释放的热量,产生的电能用来驱动设备的冷却系统。这样,既对设备进行了冷却,又不需要消耗额外的电功。本文首先对单个热电(TE)模块进行了模拟和实验研究。通过数值模拟方法研究了TE模块在50℃温差下的温度分布、电势分布。研究了TE模块在不同温差和不同输出电流下的输出电压、输出电功和效率等特性,分析总结出了TE模块的工作规律。模拟结果发现,输出电流对TE模块的输出电功和效率有影响,在匹配载荷附近模块存在一个最大输出功率和最大效率。通过实验结果与模拟结果的对比验证了模拟结果的正确性,证实了所使用的多物理场数值模拟方法的有效性,为后面热电自冷却系统的设计和优化提供了指导。接下来对TSC系统进行了模拟和优化。建立了三种TSC系统结构,研究了三种系统结构在热源发热功率为40W时的温度分布和电势分布。随后,研究了热源功率分别为20、40、60、80和100W时,三种系统的开路电压、输出电功以及热源温度等性能的变化规律,最后总结了三种系统结构相应的适用范围。模拟结果表明,与自然对流冷却相比,TSC系统的热源温度明显降低。层叠型TSC系统输出电功最大,但是冷却效果最差;分流型TSC系统输出电功最小,冷却效果最好;多级TSC系统是对分流型TSC系统的改进,在保证有效降低热源温度的同时可以显著提高系统的发电能力。热源功率为100W时,多级TSC系统产生的最大电功比分流型TSC系统提高了26%。文章最后对层叠型TSC系统和多级TSC系统进行了实验研究。实验结果表明,热源温度、输出电压、输出电功和效率随着热源功率的变化规律与模拟结果相同。层叠型TSC系统输出电功和效率比多级TSC系统高,但是冷却效果不如多级TSC系统。为了将热源温度控制在85℃以下,层叠型TSC系统的热源发热功率不能超过35W,而多级TSC系统可以达到70W。综上所述,本文研究了一种用于对发热设备进行热管理的热电自冷却技术。这种技术不需要外部供电,利用设备所释放的热量转换成的电能来驱动自身的冷却系统,节约设备消耗的电能。TSC对于冷却系统耗电量较高的设备、便携式电子设备、运输设备以及偏远地区等电源获取不方便的场合非常适用,具有广阔的应用前景。本文所得结论可以为TSC系统的设计和优化提供指导。
【关键词】：热电发电 自冷却 数值模拟 实验研究
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 当前冷却技术研究概况12-16
• 1.3 国内外研究现状16-23
• 1.3.1 TSC技术研究现状16-18
• 1.3.2 TEG技术的研究现状18-20
• 1.3.3 热电材料的研究现状20-23
• 1.4 本文研究内容23-25
• 第二章 TSC系统理论基础25-35
• 2.1 热电效应25-27
• 2.1.1 塞贝克效应25-26
• 2.1.2 珀耳贴效应26
• 2.1.3 汤姆逊效应26-27
• 2.1.4 开尔文关系27
• 2.2 热电发电原理27-30
• 2.3 TSC系统热网络模型30-31
• 2.4 传热理论31-33
• 2.4.1 热传导31-32
• 2.4.2 热对流32-33
• 2.4.3 热辐射33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 TE模块数值模拟与实验研究35-49
• 3.1 TE模块的模拟研究35-45
• 3.1.1 建立几何模型35-36
• 3.1.2 控制方程及边界条件36-37
• 3.1.3 TE模块材料属性37-39
• 3.1.4 模拟结果分析39-45
• 3.2 TE模块的实验研究45-48
• 3.2.1 实验平台的搭建45-46
• 3.2.2 实验结果分析与讨论46-48
• 3.3 本章小结48-49
• 第四章 热电自冷却系统的模拟与结构优化49-69
• 4.1 层叠型TSC系统49-57
• 4.1.1 模型描述49-50
• 4.1.2 控制方程及边界条件50-51
• 4.1.3 模拟结果分析51-57
• 4.2 分流型TSC系统57-62
• 4.2.1 模型描述57-59
• 4.2.2 模拟结果分析59-62
• 4.3 多级TSC系统62-66
• 4.3.1 模型描述62-63
• 4.3.2 模拟结果分析63-66
• 4.4 本章小结66-69
• 第五章 热电自冷却系统的实验研究69-81
• 5.1 层叠型TSC系统实验研究69-74
• 5.1.1 层叠型TSC系统样机的制备69
• 5.1.2 实验平台的搭建69-70
• 5.1.3 层叠型TSC系统的实验过程70-71
• 5.1.4 实验结果与分析71-74
• 5.2 多级TSC系统实验研究74-77
• 5.2.1 多级TSC系统样机的制备74
• 5.2.2 多级TSC系统实验平台和实验过程74-75
• 5.2.3 实验结果与分析75-77
• 5.3 实验与模拟结果对比分析77-80
• 5.3.1 热源温度78
• 5.3.2 输出电压78-79
• 5.3.3 输出电功79-80
• 5.4 本章小结80-81
• 第六章 总结与展望81-85
• 6.1 论文总结81-82
• 6.2 研究展望82-85
• 参考文献85-94
• 作者简介及科研成果94-95
• 致谢95

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 田沣;张娅妮;邸兰萍;张丰华;;高密度组装电子设备冷却技术应用研究[J];电子与封装;2014年11期

2 王祜英;徐金凤;井华;张军;李培强;路福绥;;蜂窝状CuO和Fe_2O_3纳米管协同光电还原CO_2[J];化学学报;2013年06期

3 尹辉斌;高学农;;电子器件散热技术现状及进展[J];广东化工;2013年04期

4 程鹏;兰海;罗耀华;;整流器件热分析及其风冷散热器的仿真研究[J];计算机仿真;2011年11期

5 徐静静;杜保立;张文浩;唐新峰;;AgSbTe_2热电化合物的超声化学法合成[J];无机材料学报;2010年06期

6 马兵;程苏丹;赵文俞;张清杰;;In掺杂β-Zn_4Sb_3热电材料的制备与电热输运[J];无机材料学报;2010年06期

7 朱冬生;雷俊禧;王长宏;胡韩莹;;电子元器件热电冷却技术研究进展[J];微电子学;2009年01期

8 雷俊禧;朱冬生;王长宏;胡韩莹;;电子芯片液体冷却技术研究进展[J];科学技术与工程;2008年15期

9 刘一兵;黄新民;刘安宁;肖宏志;;基于电子散热新技术的研究[J];低温与超导;2008年03期

10 宗朝晖;;现代电力电子的冷却技术[J];变流技术与电力牵引;2007年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 魏杰;基于电流体动力学（EHD）漏斗形冷却装置的研究[D];吉林大学;2015年

2 王孝红;隧道LED灯具系统级热管理及强化散热机理研究[D];浙江大学;2012年

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本文编号：381224