脉冲式热电制冷系统动态特性及其优化研究

In this project, we will carry out the study with simulating and experimental methods on dynamic characteristics, optimization and control of the thermoelectric cooling system using the current pulse. We will investigate the dynamic behavior and the variation of characteristic parameters of the pulsed thermoelectric cooling system and clarify the transient supercooling effect, the temperature overshoot of cold-junction during the pulse-off time and their influence on cooling electric devices. We will also study the high-efficiency coupling of pulse mode and thermoelectric cooling system, discuss the effects of pulse parameters on the cooling performances of the thermoelectric cooling system, and then obtain the optimal pulse mode and corresponding optimized control policy for process adjustment. In particular, we will investigate the configuration of heat sink in relation to the pulsed thermoelectric cooling system under varied operating conditions, and propose a high-efficiency and economical heat sink device including the optimization framework and heat sink fabrication techniques for configuring the pulsed thermoelectric cooling system. Furthermore, we will carry out the thermodynamic analysis and optimization of the pulsed thermoelectric cooling system coupled to the electric devices, and obtain the optimization theory and methods for designing the pulsed thermoelectric cooling system. These studies will reveal the physical essence of the non-steady refrigeration process and basic law in the pulsed thermoelectric cooling system, enrich the theory related to thermoelectric cooling, and thus could provide useful guidance in developing the pulsed thermoelectric cooling system for electronic cooling applications.

本项目采用计算模拟和实验方法对脉冲电流驱动模式下热电制冷的系统动态特性及其优化与控制进行深入的理论分析与实验研究。探索脉冲式热电制冷的动态物理过程特性及其特征参数变化规律，阐明脉冲式热电制冷过程中的瞬态过冷效应与脉冲间隙冷端温度过冲特性以及对被冷却电子器件温度的影响规律；研究脉冲驱动模式与热电制冷的高效耦合机制，探讨脉冲驱动模式及其参量变化对制冷性能的影响关系，获得最佳脉冲驱动模式与优化调控方法；研究变工况及动态工作条件下热沉与脉冲式热电制冷的匹配关系，提出适合脉冲式热电制冷的高效经济的热沉方式及其优化匹配方法；探寻脉冲式热电制冷的非稳态建模新方法及构建系统优化模型，对脉冲式热电制冷系统进行热力学优化分析，获得系统优化设计方法。本研究将从更深的层次上揭示非稳态热电制冷过程的物理本质和基本规律，丰富热电制冷的理论体系，同时将为脉冲式热电制冷技术应用于电子器件冷却领域奠定基础并提供开发思路。

本项目采用计算模拟和实验方法对脉冲电流驱动模式下热电制冷的系统动态特性及其优化与控制进行了深入的理论分析与实验研究。通过对热电制冷系统建立非稳态模型，探索了脉冲式热电制冷的动态物理过程特性及其特征参数变化规律，同时也研究了脉冲驱动模式与热电制冷的高效耦合机制，并获得了最佳脉冲驱动模式与优化调控方法，为后续实验提供了理论指导；与此同时，亦研究了变工况及动态工作条件下热沉与脉冲式热电制冷的匹配关系，并提出了适合脉冲式热电制冷的高效经济的热沉方式及其优化匹配方法，且对脉冲式热电制冷系统进行了热力学优化分析，获得了其系统的优化设计方法。此外，搭建及调试了脉冲热电制冷实验台并进行了相关变工况实验，而实验结果与理论模拟结果的高度接近表明了前期理论模拟数学模型的正确性。实验探索了脉冲参量变化对热电制冷工作特性和可靠性的影响关系，研究了非稳态热电制冷过程中热电模块与散热端热沉之间的耦合传热特性。课题组在热电制冷方向发表的已标注基金国际期刊论文有14篇，已为SCI、EI等检索并引用，取得了一定的研究成果，且基于该课题研究已申请两项发明专利，其中一项已授权。本课题从更深的层次上揭示了非稳态热电制冷过程的物理本质和基本规律，进一步丰富了热电制冷的理论体系，同时为在电子器件主动冷却方面应用脉冲式热电制冷技术打下了良好基础。