兩級熱電制冷器瞬態與穩態性能研究

何杭

摘 要：本文對兩級熱電制冷器瞬態與穩態性能進行了研究。結合三維有限元模型分別對最佳穩態電流與脈沖電流加入時間分析，得到最佳穩態電流為冷結0.38A、熱結0.32A，同時在2s時加入脈沖電流能夠達到最大制冷溫度。

關鍵詞：熱電制冷器;瞬態分析;三維多物理場模型

半導體熱電制冷器（TEC）由于它的高可靠性、低噪音、結構緊湊等優點，受到了廣泛的關注。然而熱電制冷器相對低的能源轉換效率是其實際應用的一大制約因素，因此關于改善熱電制冷器件性能的研究至關重要。其中，優化熱電器件的幾何參數設計與工作狀況設計是改善熱電制冷器性能的重要途徑。

因此研究雙層熱電制冷器件的性能參數有至關重要的意義，可為將來器件的實際使用起到參考價值。為此我們基于三維有限元模型開展了熱電制冷器件的穩態及瞬態性能分析，從最佳穩態電流與脈沖電流加入時間做分析與討論。

1 兩級熱電制冷器模型

圖1 雙層熱電制冷器示意（左）幾何模型 （右）網格劃分

建立雙層熱電制冷器件的三維有限元模型，其幾何模型與網格劃分如圖1所示。同時，用于計算有限元模型的能量方程、電勢方程與能量控制方程如下：

2 最佳穩態電流分析

穩態最佳電流：對于一個通入分別式脈沖電流的雙層TEC，電流在每一個冷、熱節都單獨控制。為了確定冷節與熱節的最佳穩態電流，冷節先輸入一個固定電流值Ic，1，然后持續變化通入熱節的電流Ih，直至找出冷端溫度最低Tc，min1時對應的值;接著冷節再固定另一個電流值Ic，2，同樣持續變化熱節電流，找出此時冷端溫度最低Tc，min2對應的電流值;如此重復，最后在冷節電流Ic一系列的變化后，可以得到Ic-Tc，min的曲線：結果表明冷端最低溫度為256.97K，此時冷節電流為IC=0.38[A]，熱節電流為IH=0.32[A]。曲線如圖2所示：

由上述結果可以找出基本工況冷端瞬態溫度變化情況。

3 脈沖電流加入時間分析

固定加入的脈沖電流的脈寬為2s，脈沖振幅為Pc=3，改變加入時間觀測其變化，結果如圖3所示：

由上可知，當在2s時加入脈沖電流效果最好。

4 結論

通過最佳穩態電流與脈沖電流加入時間分析。得到最優冷節電流為IC=0.38[A]，熱節電流為IH=0.32[A]，同時當在2s時加入脈沖電流能夠達到最大制冷溫度。

參考文獻：

[1]姬鵬先，時陽，羅曉玉.熱電制冷器特性分析[J].制冷與空調，2005（01）：82-85.