熱電冷卻的案例
熱電冷卻器TEC的選型設(shè)計(jì)步驟
熱電制冷器的選型是一個(gè)迭代過程。除基本尺寸信息之外，一個(gè)典型的TEC技術(shù)規(guī)格書中還包含如下基本信息：
Qcmax:當(dāng)冷熱面溫差為0℃時(shí)，熱電冷卻器能夠轉(zhuǎn)移的熱量。
Imax:熱電冷卻器允許通過的最大電流；
Vmax:熱電冷卻器通過最大電流時(shí)，熱電冷卻器兩端的電壓；
DTmax:當(dāng)熱電冷卻器通過最大電流，同時(shí)，熱電冷卻器加載的熱量為零時(shí)，熱電冷卻器兩端所達(dá)到的最大溫差。
COP：綜合性能系數(shù)（coefficientof performance），表示冷卻的熱量值與輸入能量的比值Qc/(V*I)；
Th：熱電冷卻器熱端溫度；
RAC：熱電冷卻器的電阻。
下圖為某TEC基本參數(shù)表：
對(duì)于TEC而言，當(dāng)運(yùn)行溫度不同時(shí)，由于電氣性能變化，上文所提及的關(guān)鍵參數(shù)也將有所不同。此例中，取熱端溫度為50℃的性能參數(shù)。假定需求場(chǎng)景為：發(fā)熱芯片功耗為20W，要求溫度控制在26℃，依此計(jì)算此TEC的工作點(diǎn)（工作電流和工作電壓）。
芯片溫度控制在26℃，則溫升要求為24℃。通過規(guī)格書中的制冷量、電流、溫差圖，獲知工作電流應(yīng)為4A：
此處4A的電流，指的是TEC工作穩(wěn)定之后的電流，啟動(dòng)時(shí)，工作電流稍大。在某些TEC規(guī)格書中還提供有電壓、電流和溫差線圖，此時(shí)，可以在此圖中將對(duì)應(yīng)的電壓線找到，并使得溫差為零（初始狀態(tài)，冷熱面溫差為零），回溯獲得初始電流值。如果規(guī)格書中并未提供此圖，則通常按照穩(wěn)態(tài)電流值的~1.2倍設(shè)置。
根據(jù)電流、電壓、溫差圖，查知工作電壓為4.5V。依工作電壓和工作電流，計(jì)算得為實(shí)現(xiàn)當(dāng)前熱傳量并維持所要求的溫差，所需輸入功率為Pin = I * V = 4A * 4.5V = 18 W. 換算知此時(shí)TEC綜合效率系數(shù)為COP = 20W/18W= 1.11.
展開 限時(shí) | 《從零開始學(xué)散熱——熱電冷卻器（TEC）選型設(shè)計(jì)及其Icepak和Flotherm建模仿真
<p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/ce24b3bd667a4f318d2acafd44ac4fc5.png"></p><p><br></p><h2><strong>課程介紹</strong></h2><p>《從零開始學(xué)散熱——熱電冷卻器（TEC）選型設(shè)計(jì)及其Icepak和Flotherm建模仿真方法》</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/upload/202007/2335115b09bd432fa223490d6c028554.png" title="1.png" alt="1.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202007/2335115b09bd432fa223490d6c028554.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202007/2335115b09bd432fa223490d6c028554.png?
展開 清華大學(xué)曹炳陽老師——HEG小組2023年成果集錦
題目：Performance investigation and design optimization of a battery thermal management system with thermoelectric coolers and phase change materials
介紹：為了保證電池的溫度工作環(huán)境，該工作開發(fā)了一種新型的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)集成了熱電冷卻器(TEC)和相變材料(PCMs)，其中采用翅片框架來加強(qiáng)傳熱。通過建立一個(gè)瞬態(tài)熱電流體采用多物理場(chǎng)數(shù)值模型，對(duì)兩種情況下BTMS的熱性能進(jìn)行了深入研究。本文的研究進(jìn)展有助于對(duì)電池?zé)峁芾硖峁┑男乱娊夂退悸贰?題目：Numerical investigation of a battery thermal management system integrated with vapor chamber and thermoelectric refrigeration
介紹：高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是保證電池工作溫度環(huán)境的關(guān)鍵。本文提出了一種新型的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為了改善電池的熱性能，提出了蒸汽室和熱電冷卻器。結(jié)果表明，采用熱電冷卻器和熱電冷卻器蒸汽室可以大大降低電池的最高溫度和溫差。本研究介紹了高效電池?zé)峁芾淼男乱暯?，提供了詳?xì)的深入了解熱電冷卻在這方面的應(yīng)用。
題目：Observation of ballistic-diffusive thermal transport in GaN transistors using thermoreflectance thermal imaging
介紹：為了開發(fā)有效的氮化鎵(GaN)晶體管的熱管理策略，必須準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)器件結(jié)溫。
展開 12 種 PCB 熱管理技術(shù)
珀耳帖熱泵/熱電冷卻器 (TEC)
是時(shí)候升級(jí)到先進(jìn)的 PCB 冷卻技術(shù)了。 熱電冷卻或 Peltier 熱泵方法使用 Peltier 效應(yīng)進(jìn)行冷卻。 珀?duì)柼?yīng)與熱蒸汽的產(chǎn)生相反。 這些設(shè)備可以將組件冷卻到低于環(huán)境溫度。
TEC 用于應(yīng)將組件溫度保持在特定水平的情況。 例如 CCD 相機(jī)（電荷耦合器件）、激光二極管、微處理器、夜視系統(tǒng)等。TEC 提供準(zhǔn)確的溫度控制和更快的響應(yīng)。 設(shè)計(jì)人員可以將 TEC 與空氣冷卻或液體冷卻技術(shù)結(jié)合使用，以擴(kuò)展高功率耗散處理器的傳統(tǒng)空氣冷卻限制。 商用 Peltier 泵的陶瓷面尺寸范圍從冷卻側(cè) 3.2 × 3.2mm2 到 62 × 62mm2，底座（加熱側(cè)）從 3.8 × 3.8mm2 到 62 × 62mm2。
PCB熱仿真
詳細(xì)的熱模擬有助于精確找到 PCB 中熱熱點(diǎn)的溫度。 熱模擬是在不同條件下獲得的加熱區(qū)域溫度的色標(biāo)圖。 模擬中的溫度單位始終為攝氏度 (°C)。 色標(biāo)圖是通過計(jì)算 PCB 上數(shù)千個(gè)點(diǎn)的溫度而獲得的。
為什么要進(jìn)行熱模擬？
定位熱熱點(diǎn)以避免設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)
確定具有各種 CTE 值的介電材料的可能可靠性
提高產(chǎn)品可靠性
熱仿真可以通過減少工程延遲、現(xiàn)場(chǎng)故障和產(chǎn)品迭代來降低實(shí)施成本
提高工程和電氣團(tuán)隊(duì)之間的績效和溝通
設(shè)計(jì)人員可以使用上述部分或全部傳熱技術(shù)的組合。 提高組件效率的最簡單方法是首先減少散熱量。 但是，無論在使用冷卻方法方面取得了多大成功，始終可以通過減少電路板的散熱來提高設(shè)計(jì)的可靠性。
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展開 
基于Flotherm的LED TEC散熱研究
為了有效降低 LED 溫度、滿足散熱需求及特定場(chǎng)所的應(yīng)用需求，結(jié)合熱電冷卻器 （TEC），利用Flotherm軟件對(duì)其進(jìn)行散熱分析。
物理模型：
本文采用Flotherm仿真軟件對(duì)LED，TEC，散熱器系統(tǒng)進(jìn)行建模。LED、銅基板如圖1所示，采用4*4陣列的LED布局，LED尺寸為1mm*1mm*1mm，功率為1W。
圖1 LED、銅基板的結(jié)構(gòu)
TEC采用Liard UltraTEC? UTX Series UTX8-12-F2-2525-TA-W6，其模型如圖2所示。
圖2 TEC模型
模型的整體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，采用 TIM 貼合TEC和散熱器以降低接觸熱阻。 模型計(jì)算域如圖4所示，其中重力方向沿Y軸負(fù)向。將環(huán)境溫度設(shè)置為30C。
圖3 模型整體結(jié)構(gòu)
圖 4 模型的計(jì)算域邊界
TEC參數(shù)如圖5所示。
圖 5 TEC參數(shù)設(shè)置
網(wǎng)格劃分：
Flotherm網(wǎng)格劃分包括全局網(wǎng)格設(shè)置、局部網(wǎng)格細(xì)化。建立幾何模型后，對(duì)全局網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸。對(duì)于LED，TIM等溫度梯度大，尺寸較小的部件網(wǎng)格進(jìn)行加密，從而增加計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性。
圖6 模型網(wǎng)格劃分
求解設(shè)置：
如圖7所示，對(duì)求解器進(jìn)行設(shè)置，選擇流動(dòng)與傳熱求解器，打開輻射模型，并設(shè)計(jì)流體屬性與環(huán)境溫度等，進(jìn)行求解。
圖7 求解設(shè)置
分析與討論
該模型為自然散熱，TEC冷端接觸LED，熱端接觸散熱器，TEC工作時(shí)從冷端吸熱，降低LED的溫度，從熱端放熱，將熱量傳遞到散熱器中，并通過熱對(duì)流和熱輻射最終將熱量傳遞到環(huán)境中。其溫度分布如下圖8所示。
展開 基于高導(dǎo)熱銅基復(fù)合水凝膠的電子器件熱管理新策略
典型的散熱方式分為主動(dòng)和被動(dòng)散熱和熱電冷卻。被動(dòng)冷卻被認(rèn)為是一種理想的散熱方法，可以降低噪音，從而降低能耗與上述方法相比。被動(dòng)散熱主要包括自然對(duì)流、氣液或固液相變冷卻。熱管作為一種高效的氣液換熱裝置，因其可靠性高、熱性能優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于高功率密度電子元件的熱管理中。然而，在使用熱管冷卻時(shí)也存在一些問題。例如，熱管內(nèi)外的腐蝕會(huì)影響傳熱性能。此外，污垢和結(jié)構(gòu)布局的問題也對(duì)電子散熱產(chǎn)生重大影響。
水凝膠是一種新型的被動(dòng)散熱材料 親水交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)。由于水凝膠中含有大量的親水基團(tuán)，所以可以保持大約90%是水。水凝膠中的水由于其高潛熱(蒸發(fā)熱)被認(rèn)為是熱管理的一個(gè)有前途的候選材料。然而，由于水凝膠的導(dǎo)熱性不佳，研究人員探究了許多方法來提高水凝膠的導(dǎo)熱性，因此如何提高水凝膠的熱導(dǎo)率是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。
02
成果掠影
東南大學(xué)陳振乾教授團(tuán)隊(duì)在高導(dǎo)熱水凝膠的制備與設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展。在這項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)采用了一種新的設(shè)計(jì)策略，將固液互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)與銅納米顆粒結(jié)合起來，以提高熱管理性能。一方面，聚異丙基丙烯酰胺與海藻酸鹽組成的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，使制備的水凝膠具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且在多次循環(huán)后仍具有較強(qiáng)的吸濕性。另一方面，通過添加銅納米顆粒創(chuàng)建導(dǎo)熱通道優(yōu)化導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)通過MD模擬計(jì)算，散熱性能通過紅外熱像儀和數(shù)值模擬研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銅基復(fù)合水凝膠的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)提高到 0.71 W/(m·K)。同時(shí)，MD模擬結(jié)果表明，水凝膠的熱導(dǎo)率約為 0.84 W/(m·K)，這主要是由于水凝膠組分之間的重疊增加造成的。由于導(dǎo)熱系數(shù)的提高，在恒定熱源溫度65℃下，銅基復(fù)合水凝膠的熱通量增加到 977 W/m2，總散熱增加了104.4%。
展開 晶格素化推動(dòng)了高效的SnSe晶體熱電制冷技術(shù)
研究人員使用 p型 SnCu
0.001Se晶體與n型商業(yè)Bi
2Te
2.7Se
0.3耦合制造了七對(duì)熱電制冷裝置，制備的熱電器件在300 K溫差下實(shí)現(xiàn)了約12.2%單腿發(fā)電效率，環(huán)境溫度下七對(duì)珀耳帖的最大冷卻溫差ΔT
max達(dá)到~61.2 K 。該研究對(duì)于SnSe晶體在發(fā)電和熱電冷卻中的實(shí)際應(yīng)用非常重要。研究成果以“Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics”為題發(fā)表于《Science》。該研究工作是趙立東教授課題組自2015年以來發(fā)表的第 8篇 Science。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1. 通過晶格平整策略在 SnSe 晶體中實(shí)現(xiàn)高性能發(fā)電和Peltier冷卻。
結(jié)果優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的單腿和多對(duì)熱電裝置在相似溫差下的轉(zhuǎn)換效率ΔT（圖1B）。當(dāng)熱端溫度Th固定在~300 K（圖1C）時(shí)，與商用Bi2Te3基器件的冷卻性能相當(dāng)。此外，在更高的Th條件下可以實(shí)現(xiàn)更大的ΔTmax值，在~343 K的Th時(shí)ΔTmax接近~90.6 K（圖1C）。
圖2. SnCuxSe的電傳輸特性。
在300 K時(shí)超過~3000 Scm-1（圖2A）。更高的載流子濃度將費(fèi)米能級(jí)推得更深，并激活更多的價(jià)帶參與電傳輸，有利于維持更大的塞貝克系數(shù)（圖2B）。作為電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)協(xié)同調(diào)節(jié)的結(jié)果，研究人員通過稍微添加0.001 mol Cu在300 K獲得了~100 μW cm-1K-2的最大PF值（圖2C），其性能優(yōu)于大多數(shù)p型熱電材料。
展開 將仿真帶向大眾：COMSOL 發(fā)布最新版本，進(jìn)一步提升開發(fā)仿真 App 的用戶體驗(yàn)
App 案例庫中收錄了涵蓋很多應(yīng)用范圍的 App，包括膜透析、水處理、熱電冷卻、換熱器、觸摸屏設(shè)計(jì)、磁性勘探、超聲換能器、消聲器設(shè)計(jì)、MEMS 傳感器和壓力容器等。
“我們?cè)?5.2 版本中收錄了大約 50 個(gè) App 來演示 App 開發(fā)器和 COMSOL Server 的深度及強(qiáng)大功能?！?COMSOL 公司 CEO Svante Littmarck 介紹說，“我們希望能通過開發(fā)這些 App 為 COMSOL 用戶提供一些易于查看、編輯和使用的示例，以此為起點(diǎn)，他們可以開啟自己的 App開發(fā)之旅。在開發(fā)這些 App 的過程中，我們收獲了許多樂趣，也非常喜歡 App 開發(fā)器中增加的各項(xiàng)新功能！例如隨攪拌器模塊一起發(fā)布的攪拌器 App，用戶不需要具備微分方程或 CFD 方面的專業(yè)知識(shí)，就可模擬幾乎所有類型的攪拌器，這就將建模與仿真提升到了一個(gè)全新的層面?！?用于模擬包含軸向或徑向葉輪的混合器仿真 App，可以計(jì)算給定幾何下的攪拌效率。您可以模擬三種不同形狀的容器，還可以選擇在其中安裝導(dǎo)流板以及 11 種葉輪中的任意一種。
對(duì) COMSOL Multiphysics?、COMSOL Server? 和附加產(chǎn)品的數(shù)百處更新
來自于 COMSOL Multiphysics 不斷壯大用戶群體的反饋啟發(fā)了 5.2 版本中許多新增核心功能的開發(fā)。例如，用戶現(xiàn)在可以向二維及三維繪圖增加標(biāo)注。新增四面體網(wǎng)格剖分算法，將大型 CAD 模型網(wǎng)格剖分時(shí)用戶干預(yù)的需求降到了最低。新增網(wǎng)格零件，將 STL 表面網(wǎng)格與 NASTRAN 體網(wǎng)格集成到了幾何的開發(fā)流程中。選擇的用法也得到了拓展，現(xiàn)在可選出整體結(jié)構(gòu)的部分對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行結(jié)果處理及可視化。
5.2 版本還極大增強(qiáng)了 COMSOL Multiphysics? 及附加產(chǎn)品的現(xiàn)有功能。
展開 熱仿真的原理、分析步驟、改善方案及實(shí)例應(yīng)用等講解分析（含130講視頻教程）
對(duì)于PCB散熱，?可以采用多種解決方法，?例如使用TEC（?熱電冷卻器）?提供準(zhǔn)確的溫度控制和更快的響應(yīng)，?可以將TEC與空氣冷卻或液體冷卻技術(shù)結(jié)合使用，?以擴(kuò)展高功率耗散處理器的傳統(tǒng)空氣冷卻限制。?
在IGBT功率模塊熱管理中，?使用蒸汽室（?vapour chamber, VC）?取代金屬基板集成于DBC與散熱器之間，?消除了模塊與散熱器連接的接觸熱阻，?大大增強(qiáng)了IGBT模塊的散熱效果。?
采用先進(jìn)的散熱技術(shù)：?
通過提高板片表面換熱系數(shù)，?如通過使用具有高表面換熱系數(shù)的波紋換熱板片，?能提高整體換熱效率。?
減少表面熱阻，?通過監(jiān)測(cè)介質(zhì)成分和防止結(jié)垢來降低傳熱系數(shù)，?保持換熱器的高效運(yùn)行。?
通過材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：?
在能夠滿足承壓的前提下，?盡可能選擇較小的板片厚度，?因?yàn)檩^厚的板片會(huì)影響一小部分傳熱。
05熱仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)例應(yīng)用
?電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)：?在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，?熱仿真被廣泛應(yīng)用于評(píng)估產(chǎn)品的散熱性能。?例如，?通過研究散熱片的參數(shù)（?如翅片個(gè)數(shù)和高度）?對(duì)CPU和變壓器溫度的影響，?可以優(yōu)化電子機(jī)箱的風(fēng)冷和自然冷卻設(shè)計(jì)1。?此外，?對(duì)于PCB板的設(shè)計(jì)，?通過仿真分析銅層厚度對(duì)溫度的影響，?可以優(yōu)化PCB板的熱管理，?提高電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。?
汽車制造：?在汽車制造領(lǐng)域，?熱仿真用于評(píng)估引擎在高溫條件下的工作表現(xiàn)，?確保引擎的穩(wěn)定性和耐久性。?例如，?通過模擬汽車引擎在不同工況下的溫度分布，?可以優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，?提高汽車的性能和安全性。?
航空航天：?在航空航天領(lǐng)域，?熱仿真分析航天器在大氣層再入時(shí)的熱耐受能力，?保障航天任務(wù)的安全順利進(jìn)行。?通過模擬航天器在極端條件下的溫度分布和熱傳導(dǎo)過程，?可以優(yōu)化航天器的熱防護(hù)系統(tǒng)。?
建筑設(shè)計(jì)：?在建筑設(shè)計(jì)中，?熱仿真分析為建筑設(shè)計(jì)提供了新的視角。?
展開 從零開始學(xué)散熱 書籍目錄-前言-后記
、換熱器和機(jī)柜空調(diào) ········································································117
1 熱電制冷原理····························································································117
2 熱電制冷器在電子散熱中的優(yōu)缺點(diǎn)·································································117
3 熱電制冷器的選型步驟················································································119
3.1 確定工作電流····················································································120
3.2 確定工作電壓····················································································120
3.3 確定 COP 值和選擇高效 TEC 的迭代方式 ················································120
3.4 TEC 與系統(tǒng)的匹配 ··············································································121
4 換熱器工作原理 ··············································
展開 研究人員使用熱成像儀觀察到各向異性磁-珀耳帖效應(yīng)
該效應(yīng)是一種熱電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，其主要通過磁性材料中充電電流的簡單重定向來引起加熱和冷卻現(xiàn)象。
用于測(cè)量各向異性磁致珀耳帖效應(yīng)和鎖定U形鐵磁體熱圖像的實(shí)驗(yàn)配置；
圖片來源：日本國家材料科學(xué)研究所。
傳統(tǒng)意義上，熱電加熱和冷卻是通過向兩個(gè)不同的電導(dǎo)體之間的接點(diǎn)施加充電電流來實(shí)現(xiàn)的。在這項(xiàng)研究中，研究人員在沒有使用接合結(jié)構(gòu)的情況下，僅僅借助單一磁性材料就展示了這一創(chuàng)新的熱控制功能。盡管這只是基本的熱電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象之一，但各向異性的磁-珀耳帖效應(yīng)長期以來并未被人們發(fā)現(xiàn)。該研究小組認(rèn)為，這項(xiàng)研究將促進(jìn)熱電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的進(jìn)一步發(fā)展。
熱電效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體和金屬材料中電荷和熱流之間的轉(zhuǎn)換。一個(gè)非常熟悉的轉(zhuǎn)換實(shí)例就是珀耳帖效應(yīng)，該效應(yīng)是指當(dāng)有電流通過不同的導(dǎo)體組成的回路時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會(huì)分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這是J.C.A.珀耳帖在1834年發(fā)現(xiàn)的。如果電流通過導(dǎo)線由導(dǎo)體1流向?qū)w2，則在單位時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體1處單位面積吸收的熱量與通過導(dǎo)體1處的電流密度成正比。盡管該效應(yīng)在近兩個(gè)世紀(jì)前就被發(fā)現(xiàn)，但迄今為止全球范圍內(nèi)的許多研究人員仍在進(jìn)行關(guān)于該效應(yīng)的科學(xué)研究，以試圖優(yōu)化電子器件中的熱電轉(zhuǎn)換效率，并在更廣泛的技術(shù)中使用這種現(xiàn)象，例如開發(fā)更加節(jié)能的技術(shù)以及運(yùn)行更加高效的電腦等。
日本國家材料科學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)采用的是一種被稱為鎖定熱成像的熱測(cè)量方法，該方法能夠在施加充電電流時(shí)對(duì)磁性材料中的溫度變化進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量。因此，根據(jù)電荷電流的方向與磁性材料中的磁化方向之間的角度，就可以觀察到珀耳帖系數(shù)的變化。早些時(shí)候，人們觀察到“塞貝克效應(yīng)”——一種由于導(dǎo)體之間的溫差而產(chǎn)生電荷電流的現(xiàn)象——會(huì)隨著磁化方向的變化而變化。這就是所謂的各向異性磁-塞貝克效應(yīng)。
展開 
可穿戴熱管理應(yīng)用的功能材料和創(chuàng)新策略
(a)用高潛熱或高熱容的材料來儲(chǔ)存來自外界環(huán)境的熱量; (b) 隔熱層，最大限度地減少熱量傳遞到人體皮膚; (c)與空氣交換熱量的導(dǎo)熱材料; (d) 吸收太陽能并加熱人體皮膚的光熱材料; (e) 輻射冷卻材料，通過反射可見光并向太空發(fā)射紅外光來冷卻人體皮膚; (f) 有利于液體到蒸汽轉(zhuǎn)變的蒸發(fā)冷卻材料。
圖2.主動(dòng)熱管理方法。(a)焦耳加熱; (b)主動(dòng)微流控冷卻; (c)電、磁、熱制冷和加熱; (d) 熱電裝置的冷卻和加熱。
圖3.基于儲(chǔ)熱的個(gè)人熱管理。(a) 用于個(gè)人醫(yī)療保健的具有熱能儲(chǔ)存的相變水凝膠。(b) 個(gè)人熱管理的自修復(fù)式熱能儲(chǔ)存。(c) 高儲(chǔ)熱和基于熱擴(kuò)散的熱調(diào)節(jié)。
圖4.用于被動(dòng)熱管理的高導(dǎo)熱材料。(a) 在垂直方向上取向排列的導(dǎo)熱氮化硼復(fù)合材料; (b)具有沿平面取向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱液態(tài)金屬-彈性體復(fù)合材料; (c)導(dǎo)熱氮化硼納米片復(fù)合材料，可以根據(jù)制造方法在垂直方向和面內(nèi)方向取向排列。
圖5.用于被動(dòng)熱管理的隔熱材料。(a)用于高溫(>500°C)隔熱的芳綸納米纖維氣凝膠; (b)仿駝峰織物面料，用于消防熱防護(hù); (c)陶瓷納米纖維氣凝膠具有優(yōu)異的可彎曲性和可壓縮性。
圖6.基于光熱效應(yīng)的被動(dòng)熱管理。(a) AM 1.5 G太陽光譜。插圖是光熱效應(yīng)加熱材料的示意圖; (b)可穿戴透明MXene & AgNP涂層，具有光驅(qū)動(dòng)可愈合性能; (c)光熱治療用生物基材料微針貼片。
圖7.用于被動(dòng)溫度調(diào)節(jié)的汗液蒸發(fā)。
展開 電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾盹L(fēng)冷與液冷
BTMS傳熱冷卻方式
BTMS中按照能量提供的來源分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻,其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動(dòng)式冷卻,組裝在系統(tǒng)內(nèi)部的、能夠在低溫情況下提供熱源或者在高溫條件下提供冷源,主動(dòng)元件包括蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動(dòng)式冷卻。按照傳質(zhì)的不同可以分為空氣強(qiáng)制對(duì)流、液體冷卻、相變材料(PCM,Phase Change Material)、空調(diào)制冷、熱管冷卻、熱電制冷和冷板冷卻等。根據(jù)不同的放電電流倍率、周圍溫度等應(yīng)用要求選擇不同的冷卻方式。
空氣強(qiáng)制對(duì)流
空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接讓空氣穿過模塊以達(dá)到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無效的,強(qiáng)制空氣冷卻是通過運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)將電池的熱量經(jīng)過排風(fēng)風(fēng)扇帶走,需盡可能增加電池間的散熱片、散熱槽及距離,成本低,但電池的封裝、安裝位置及散熱面積需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)。可以采用串聯(lián)式和并聯(lián)式通道(如圖1所示)。
仿真結(jié)果研究得出了電池的散熱特性:在自然冷卻下熱輻射占整個(gè)散熱的43%~63%強(qiáng)化傳熱是降低最高溫度的有效措施,但擴(kuò)大強(qiáng)化傳熱的范圍并不會(huì)無限地提高溫度一致性。
風(fēng)冷方式的主要優(yōu)點(diǎn)有:結(jié)構(gòu)簡單,重量相對(duì)較小沒有發(fā)生漏液的可能有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)成本較低。缺點(diǎn)在于其與電池壁面之間換熱系數(shù)低,冷卻、加熱速度慢。
在串并聯(lián)風(fēng)道中,放置6塊發(fā)熱電池,假設(shè)電池密度均勻(2700kg/m3),熱生成率相同(50000w/m3)?？諝庖?m/s的速度流入,進(jìn)口溫度為25℃(298K),出口自由敞開,電池模型使用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格,數(shù)量為25萬個(gè)。
通過仿真分析得到電池溫度表格如表1所示。串聯(lián)式流道整體溫差為5.6℃,并聯(lián)式流道整體溫差為3.0℃;串聯(lián)流道中間電池?zé)崂塾?jì)較多,整體溫度較高,一致性較差;并聯(lián)流道整體溫度較低,一致性較好;但因本例入口風(fēng)道為水平直角,故靠近入口電池溫度較高。
展開 2025大賽優(yōu)秀作品 | 基于熱電制冷器和電阻加熱片的偏轉(zhuǎn)鏡熱管理方案研究
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</figure><p><br></p><p>本文提出的新方案，一方面用熱電制冷器冷卻光斑附近的區(qū)域以減少反射鏡的溫度和變形，另一方面用電阻加熱片補(bǔ)償表面面形，并為偏轉(zhuǎn)鏡變形提出了改進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，從而解決了高重復(fù)頻率FEL光束線中的高熱負(fù)載反射鏡使用REAL方案進(jìn)行面形補(bǔ)償導(dǎo)致高功耗和過高溫升的問題。
展開 基于Simdroid電子散熱模塊的電子設(shè)備機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化
目前電子設(shè)備的散熱方式可分為自然散熱、風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱電制冷和熱管冷卻等。
風(fēng)冷散熱一般指采用風(fēng)扇、空調(diào)等設(shè)備對(duì)機(jī)箱機(jī)柜進(jìn)行散熱，其主要特點(diǎn)：
（1）風(fēng)冷系統(tǒng)簡單可靠、安裝方便、故障率低，在北方部分城市的冬季還可以利用自然冷源對(duì)機(jī)柜進(jìn)行散熱；
（2）風(fēng)冷散熱的本質(zhì)是將設(shè)備產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，成本遠(yuǎn)低于其他散熱方式；
（3）散熱效率相對(duì)較低。風(fēng)冷散熱通過機(jī)箱內(nèi)散熱器及外表面對(duì)機(jī)箱內(nèi)電子設(shè)備散熱，散熱效率較低；
（4）散熱風(fēng)扇噪聲較大，影響使用者體驗(yàn)。
圖2 典型風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
液冷冷卻通常是指利用液體冷卻介質(zhì)對(duì)機(jī)柜進(jìn)行冷卻，液冷冷卻系統(tǒng)通常包括直接水冷系統(tǒng)、水冷背板系統(tǒng)和環(huán)路熱管系統(tǒng)等，其主要特點(diǎn)：
（1）散熱效率高。液冷散熱功率可達(dá)200 W/cm2，是風(fēng)冷散熱的20 倍；
（2）噪音低。液冷系統(tǒng)一般通過液冷器中循環(huán)流動(dòng)的冷卻液帶走熱量，在熱源端不會(huì)引入額外噪聲；液冷系統(tǒng)的主要噪聲源為水泵，通過選取低噪音水泵配合集中隔音處理，可很好地降低整體系統(tǒng)的噪聲；
（3）液冷冷卻主要存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、易污染、安裝復(fù)雜且成本高等問題，采用水冷柜冷卻方式時(shí)，要注意防水漏水，一旦漏水會(huì)對(duì)機(jī)箱設(shè)備造成嚴(yán)重影響。
圖3 典型液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
散熱方式多種多樣，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，選擇合適的方式。另外，現(xiàn)代數(shù)值仿真模擬技術(shù)為復(fù)雜電子機(jī)箱設(shè)備的散熱性能評(píng)估提供了全新的手段，可有效降低傳統(tǒng)的從樣品試驗(yàn)到設(shè)備優(yōu)化方法帶來的時(shí)間周期和經(jīng)濟(jì)成本。
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