本文關(guān)鍵詞：熱電自冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,電子元件越來越趨向于小型化和高度集成化。電子元件體積越來越小的同時(shí),其消耗的功率和釋放的熱量也越來越大,工作溫度越來越高。工作溫度過高是電子元件失效的主要原因。因此,對電子元件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)成為了電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。熱電發(fā)電(TEG)是一種清潔的能源轉(zhuǎn)化技術(shù),它可以將廢熱轉(zhuǎn)化成電能,而對環(huán)境沒有任何污染。本文研究一種熱電技術(shù)的新應(yīng)用,叫做熱電自冷卻(TSC)技術(shù)。它利用熱電技術(shù)回收設(shè)備釋放的熱量,產(chǎn)生的電能用來驅(qū)動設(shè)備的冷卻系統(tǒng)。這樣,既對設(shè)備進(jìn)行了冷卻,又不需要消耗額外的電功。本文首先對單個熱電(TE)模塊進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究。通過數(shù)值模擬方法研究了TE模塊在50℃溫差下的溫度分布、電勢分布。研究了TE模塊在不同溫差和不同輸出電流下的輸出電壓、輸出電功和效率等特性,分析總結(jié)出了TE模塊的工作規(guī)律。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),輸出電流對TE模塊的輸出電功和效率有影響,在匹配載荷附近模塊存在一個最大輸出功率和最大效率。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性,證實(shí)了所使用的多物理場數(shù)值模擬方法的有效性,為后面熱電自冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了指導(dǎo)。接下來對TSC系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。建立了三種TSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu),研究了三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在熱源發(fā)熱功率為40W時(shí)的溫度分布和電勢分布。隨后,研究了熱源功率分別為20、40、60、80和100W時(shí),三種系統(tǒng)的開路電壓、輸出電功以及熱源溫度等性能的變化規(guī)律,最后總結(jié)了三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的適用范圍。模擬結(jié)果表明,與自然對流冷卻相比,TSC系統(tǒng)的熱源溫度明顯降低。層疊型TSC系統(tǒng)輸出電功最大,但是冷卻效果最差;分流型TSC系統(tǒng)輸出電功最小,冷卻效果最好;多級TSC系統(tǒng)是對分流型TSC系統(tǒng)的改進(jìn),在保證有效降低熱源溫度的同時(shí)可以顯著提高系統(tǒng)的發(fā)電能力。熱源功率為100W時(shí),多級TSC系統(tǒng)產(chǎn)生的最大電功比分流型TSC系統(tǒng)提高了26%。文章最后對層疊型TSC系統(tǒng)和多級TSC系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,熱源溫度、輸出電壓、輸出電功和效率隨著熱源功率的變化規(guī)律與模擬結(jié)果相同。層疊型TSC系統(tǒng)輸出電功和效率比多級TSC系統(tǒng)高,但是冷卻效果不如多級TSC系統(tǒng)。為了將熱源溫度控制在85℃以下,層疊型TSC系統(tǒng)的熱源發(fā)熱功率不能超過35W,而多級TSC系統(tǒng)可以達(dá)到70W。綜上所述,本文研究了一種用于對發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行熱管理的熱電自冷卻技術(shù)。這種技術(shù)不需要外部供電,利用設(shè)備所釋放的熱量轉(zhuǎn)換成的電能來驅(qū)動自身的冷卻系統(tǒng),節(jié)約設(shè)備消耗的電能。TSC對于冷卻系統(tǒng)耗電量較高的設(shè)備、便攜式電子設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備以及偏遠(yuǎn)地區(qū)等電源獲取不方便的場合非常適用,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文所得結(jié)論可以為TSC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：熱電發(fā)電 自冷卻 數(shù)值模擬 實(shí)驗(yàn)研究
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 當(dāng)前冷卻技術(shù)研究概況12-16
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-23
• 1.3.1 TSC技術(shù)研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3.2 TEG技術(shù)的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3.3 熱電材料的研究現(xiàn)狀20-23
• 1.4 本文研究內(nèi)容23-25
• 第二章 TSC系統(tǒng)理論基礎(chǔ)25-35
• 2.1 熱電效應(yīng)25-27
• 2.1.1 塞貝克效應(yīng)25-26
• 2.1.2 珀耳貼效應(yīng)26
• 2.1.3 湯姆遜效應(yīng)26-27
• 2.1.4 開爾文關(guān)系27
• 2.2 熱電發(fā)電原理27-30
• 2.3 TSC系統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型30-31
• 2.4 傳熱理論31-33
• 2.4.1 熱傳導(dǎo)31-32
• 2.4.2 熱對流32-33
• 2.4.3 熱輻射33
• 2.5 本章小結(jié)33-35
• 第三章 TE模塊數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究35-49
• 3.1 TE模塊的模擬研究35-45
• 3.1.1 建立幾何模型35-36
• 3.1.2 控制方程及邊界條件36-37
• 3.1.3 TE模塊材料屬性37-39
• 3.1.4 模擬結(jié)果分析39-45
• 3.2 TE模塊的實(shí)驗(yàn)研究45-48
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建45-46
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論46-48
• 3.3 本章小結(jié)48-49
• 第四章 熱電自冷卻系統(tǒng)的模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化49-69
• 4.1 層疊型TSC系統(tǒng)49-57
• 4.1.1 模型描述49-50
• 4.1.2 控制方程及邊界條件50-51
• 4.1.3 模擬結(jié)果分析51-57
• 4.2 分流型TSC系統(tǒng)57-62
• 4.2.1 模型描述57-59
• 4.2.2 模擬結(jié)果分析59-62
• 4.3 多級TSC系統(tǒng)62-66
• 4.3.1 模型描述62-63
• 4.3.2 模擬結(jié)果分析63-66
• 4.4 本章小結(jié)66-69
• 第五章 熱電自冷卻系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究69-81
• 5.1 層疊型TSC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究69-74
• 5.1.1 層疊型TSC系統(tǒng)樣機(jī)的制備69
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建69-70
• 5.1.3 層疊型TSC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程70-71
• 5.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析71-74
• 5.2 多級TSC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究74-77
• 5.2.1 多級TSC系統(tǒng)樣機(jī)的制備74
• 5.2.2 多級TSC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺和實(shí)驗(yàn)過程74-75
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析75-77
• 5.3 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對比分析77-80
• 5.3.1 熱源溫度78
• 5.3.2 輸出電壓78-79
• 5.3.3 輸出電功79-80
• 5.4 本章小結(jié)80-81
• 第六章 總結(jié)與展望81-85
• 6.1 論文總結(jié)81-82
• 6.2 研究展望82-85
• 參考文獻(xiàn)85-94
• 作者簡介及科研成果94-95
• 致謝95

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本文編號：381224