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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1 TEC模块示意图 图2热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
热电制冷模块
外形尺寸：40×40×4 mm^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：68×50×15 mm3，基板材料为挤压成型铝，导热系数为205w/（m.k），密度为2.8×103kg/m3
4 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
5 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）