Icepak高级建模13_热电冷却

icepak 2011-10-10

热电冷却器的选择
TEC可以由以下参数估价:
–最大电流(Imax)
–最大功率(Qmax)
–最大电压(Vmax)
–冷面和热面之间的最大温度差, ΔTmax
这些参数只能说明设备的最大工作能力,并不是实际的工作能力
释放到热面的热量Qh, 计算如下:
Qh= Qc+ Qin
Qc= 冷面吸收的热量
Qin= TEC输入的电功率
= 驱动TEC的功率
= V*I (电压X 电流)
选择TEC包括选择可以在比Imax和Vmax,小的下工作电流(I)和工作电压(V) 下工作
多级TEC 用于温度差大于COP所要的ΔT时
每一级都由单独的一个TEC建模
–如果相邻级大小相同,则可以在一个级的热面和下一级的冷面外联合在一起
–如果相邻级大小不同,则必须使用陶瓷层把这两个级分开

例:需要冷却的系统:
Qh= 22 W
Tamb= 25 C
Tcold= 5 C,
θhs= 散热器热阻= 0.15 C/W
使用TEC的参数:
Imax= 6 amp.
Qmax= 51.4 W
Vmax= 15.4 V
ΔTmax= 67 C
决定工作电流:
–估计热面的温度, Th
热电冷却器的选择
例(续上页)
–Th= 10 C 高于环境温度(i.e., Th = 35 C)
–所以ΔT = 35 -5 = 30 C
–从生产商提供的Q vsΔT 表中,读出比Imax小的电流(I),使其总载荷能够大于22 W
–I为3.6 A
–从V vsΔT 曲线上读出对应I=3.6 A 和ΔT = 30 C的电压值,
–电压为10V
–输入的功率为Qin= VI = 10X3.6 = 36 W
–热面的功率为, Qh= 22 + 36 = 58 W
–热面的温度为:
Th = Tamb+ θhsxQh= 25 + 0.15X58 = 33.7 C

计算得出的热面温度(Th=33.7 C)和假设的热面温度几乎相同(Th= 35 C)
–所以,工作电流的选择合理
–否则,基于新的Th,必须重复以上决定工作电流大小的操作,以获得合理的电流
一些TEC 厂商提供可以针对应用的问题通过反复迭代的方法决定工作条件的程序(TEC 大小, 设备功率, 冷面温度, 环境温度,和散热器类型)
–在这一章的后面部分有一个练习专门介绍使用由Melcor提供的选择工具包来选择TEC的工作条件
热电冷却器的选择ΔT, C
TEC性能曲线举例(ΔT vs. V)

TEC性能曲线举例(ΔT vs. Qh)ΔT, C
热电冷却器建模 Icepak中TEC的编辑菜单

热电冷却器建模固定温度边界(元件面)热输入边界(散热器面)Hollow blockIcepak简化TEC模块
TEC参考资料
Analysis of a Thermoelectric Cooler with Non-uniform Heating, M. J. Ellsworth and R. E. Simons, IBM, Proceedings of

IMECE: International Mechanical Engineering Exposition and Congress, Nov. 5-10, 2000, Orlando, FL.
An Introduction to Thermoelectric Coolers, Sara Godfrey, MelcorCorp., Electronics Cooling (www.electronics-cooling.com)

练习: TEC建模
1. 目的
这个练习的目的是使用电热冷却器来冷却一个电子封装:
-封装大小= 2.5”x 0.25”x 2.5”
-封装功率= 22 W
-环境温度= 25 C
-冷面温度= 5 C
2. 选择TEC:
要选择适合这个问题的TEC,可以使用TEC生产商提供的免费的软件, 例如, Melcor提供的AZTECTM软件.软件的界面可见下页.
-假定散热器的热阻低于0.5 C/W
-选择名为One UT8-12-40-F1的TEC
-TEC 大小= 1.565”x 0.131”x 1.565”
3. 建模
TEC 模型包括:
-给定了特性曲线的风扇
-开孔率为70% 通风口
-一个名为device的block,功耗为22 W
-设备大小: 2.5”x 0.25”x 2.5”
-一个heat spreader
-TEC 主体(使用hollow block建模: 1.565”x 0.131”x 1.565”)
-绝热层(由4 个block组成)
-常温壁边界(固定在5 C)
-热源功率58.55 W (22 W + 36.55 W)
-一个散热器