基于热电系统的热驱动自冷应用实验研究外文翻译资料

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基于热电系统的热驱动自冷应用实验研究

Robel Kiflemariam,Cheng-Xian Lin

(佛罗里达国际大学机械和材料工程系，美国 迈阿密33174)

摘要：热电发电可用于在一个自冷却的应用程序中，而设备中的热量被用来驱动一个基于空气的冷却系统。一个支持自冷却的热力学方案需要在能够运行冷却系统的同时确保装置的温度保持在一个最佳值。这个实验详细研究了一级和二级的热路径安排，来引导热流流向热点发生器（TEG）模块和散热器。实验分析了影响热电自冷装置运行的几何参数和系统参数。不同的热负荷随时间变化的自冷过程也进行了研究。实验结果表明，在最高输入温度时，相比自然对流的情况，该装置的温度能下降20%-40%。另外，在自冷的研究中人们发现，对流换热的热阻能占到总热阻的60%。

关键词: 热管理；热电发电机r；自冷却；散热器；散热器；电子冷却

术语

1 引言

能源成本的上升，环境意识的提高，凸显了热电发电机模块关于电力应用中各种余热应用的研究。这些包括航空航天、汽车、太阳能系统、无线传感器等。Shi Y等人实验研究了TEG基于无线温度传感器的自无充能的表现，使传感器不需要电池或其他电源功能。Liu X等实验和数值模拟分析了应用TEG模块的汽车排气管的能量采集系统。热电发电机也被集成在太阳能驱动的混合发电系统中，将薄膜太阳能电池收集到的热量转换成电量。He W表明，TEG模块可以直接与热管真空管太阳能集热器相结合来获得更高的热通量模块。Kim K等研究了通讯网络中功率放大器晶体管的余热回收问题。

TEG模块也可以通过利用热设备余热而被用作自我驱动式的冷却回路。通常使用TEG模块可以将热表面的热量转化为电能。然后，电能可以用来维持自我冷却系统的热体。这有助于节省电力，减少了外部电源的需要，也适用于偏远地区的应用。在那里，自发的且可靠的电源是必不可少的。

自冷却系统可以认为是无需外部电源的强迫对流冷却系统。对于用自然对流无法充分冷却的装置，它可能是一个有用的冷却机制。这是一个取代外部电源的动机。

尽管像微处理器这样的电子器件和部件的冷却的节能措施很有潜力，但是，关于热驱动的自冷却电子设备的概念的研究却非常有限。Solbrekken等人做了一个概念证明研究，探讨热驱动式冷却的便携式电子产品的可行性。他们的研究结果表明，它可能会用对流的方式冷使用的TEG模块供电的低压风机的却电子芯片。马丁内兹等。进行了TEG驱动自冷却结构的实验演示。在他们的实验中，TEG模块阵列被直接放置在顶部的热源板上，这样就能够获得TEG热端的相对均匀且最高的温度。

然而，TEG直接连接到热源，创建一个单一的热路径。因此，TEG模块在热路径中的位置增加了对限制系统应用的热流的热阻。此外，在许多实际应用中，使用具有大于热源的底部面积的散热器来提供用于对流冷却的更多的面积。散热器使得能够将热量从热源分配到较大散热区域的基部。

因此，在本研究中，研究了自冷却布置的新布置，其中TEG模块的阵列被放置在散热器和冷侧散热器之间。由于TEG模块的位置，系统具有主要和辅助热路径，如图1所示。在每个热路径上，连接有翅片的散热器以辅助散热。该布置将打开独立调谐和优化主要和次要热路径的可能性。通过主热路径的热流需要足以将设备的温度保持在规定的温度，而次热路径还应当确保产生足够的功率以通过散热片运行鼓风机（风扇）。根据这种策略，TEG模块放置在主要和次要热通道（情况A）和TEG模块只放置在次要热通道（情况B）的替代设计在本文中进行实验研究。广泛讨论了每个设计的优点，目的是确定自冷却系统设计的合适的热策略。

2 实验装置

实验模型的布置如图1所示。第一种情况是指定为情况A的基线模型。它由位于热源装置和散热器之间的六个TEG模块组成。在器件和以矩形阵列布置的多个TEG模块之间使用散热器。TEG模块从TEG＃1到TEG＃6标记。所有TEG模块都放置在散热器的顶部。对于情况A（图2a），两个TEG模块（TEG＃3和TEG＃4）居中（在主热路径中），而四个TEG模块（TEG＃1，TEG＃2，TEG＃5和TEG＃ 6）放置在侧面（在次要热路径中）。TEG＃1，TEG＃3和TEG＃5相对于来自风扇的气流位于前侧，而其余的位于后侧。对于情况B（图2b），TEG＃3和TEG＃4由与TEG相同尺寸的铝块代替。TEG模块的其余部分具有与情况A相同的布置。其中所有TEG模块被置于次级热路径上的这种布置使得能够通过减少热阻来控制在较高热输入处的温度。情况C表示没有TEG模块的热源的使用自然对流来冷却装置，它用作控制模型，用于比较自冷却的情况A和情况B的性能。

图1 具有主要和次要热路径的自冷却系统。

图2 案例A-C的几何配置

已经建立了实验装置（图3）以研究在A，B和C的情况下自冷却应用的性能。热源装置在实验中由具有筒式加热器的铝板表示。板的尺寸为80times;40times;20mm。在铝板上钻了一个孔，相当于具有12.7mm直径和大约76mm长度的型号为Omega CSH-303535的筒式加热器的尺寸。加热器紧紧地安装在板内，为板提供均匀的体积加热，并且分别具有535W（21W / cm ²）和760℃的最大加热能力和护套温度。

绝热材料缠绕在加热板的所有暴露表面上以防止热损失到环境中。MASTECH型的可调直流电源具有从0 V至250 V的可变直流输出电压和高达5 A的电流，用于为加热器提供加热电源。来自GW Instek的GPM-8212型数字表提供了电压/电流/功率的数字显示，用于精确控制输入加热元件的加热功率。

使用3.8mm厚度且面积为120times;80的铝散热器将热量从所述装置传导到TEG模块阵列。热电模块被夹在散热器和冷端散热器之间。使用了EVERREDTRONICS TEG241-1.0-1.2模型的六个TEG模块的阵列。每个模块具有40times;40的相等的冷侧和热侧面积，在每个模块内具有241个碲化铋热电偶。来自制造商数据的详细说明在表1中给出。TEG模块具有210℃的最大工作温度。

三个独立的平行板翅式散热器放置在TEG模块的冷侧。每个耗散器具有150times;40的底部面积，并且由4个翅片组成，翅片高度为20mm，翅片厚度为1.5mm。翅片底部约2mm厚。

使用OMEGATHERM高温高导热膏作为所有接触表面之间的界面以降低接触电阻。使用由有机玻璃制成并且横截面积为100times;120和500mm深度的风洞来引导空气流过散热器。尺寸为92times;92times;25 mm的SUNON EE92251S1型号的冷却风扇放置在风洞内部，位于散热器上游40mm处。

图3 实验系统a）实验装置图b）调查系统的原理图

表1热电发电机模块规格（型号TEG241-1.0-1.2，中国EVERREDTRONICS）

表 2直流无刷风扇规格（型号SUNON EE92251S1-0000-A99）

风扇的详细规格见表2。

来自OMEGA的K型玻璃编织绝缘热电偶工程用于测量实验装置的不同部分的温度。热电偶的位置如图2所示。

来自MC Computing的数据采集模块USB 1008G用于记录来自热电偶的温度数据，并连接到计算机用于数据存储和分析。来自JEECO的JE25型的电路面包板为TEG模块提供了以串联方式电连接的平台，并且同时允许更容易地访问来自每个模块的电压和电流的测量。使用WAVETEK的数字万用表（30XL型号）测量来自TEG模块的电压和电流。通过热线风速计/温度计（Control Company 4330型号）测量风洞出口处的空气速度和温度。数字压力计（OMEGA）测量散热器中的压降。所有测试重复三次以测试测试数据的准确性。设备的精度和测量值的不确定性的样本分别在表3和4中给出。

对于所有测量数据，平均值()可以给出为：

： （1）

实验数据的标准偏差（）和不确定度（）可以表示为（17）：

； （2）

； （3）

表 3所用仪器的精度

表4实验测量中的不确定性