天津大学赵力IJR：冷端热流波动条件下热电制冷器的瞬态性能

转自 天大赵力课题组

近日，天津大学赵力课题组硕士研究生姚璇在International Journal of Refrigeration期刊上发表论文：Transient performance of a thermoelectric cooler under fluctuating cold-side heat flux（冷端热流波动条件下热电制冷器的瞬态性能）

论文题目：Transient performance of a thermoelectric cooler under fluctuating cold-side heat flux

论文作者：Xuan Yao^a, Xianhua Nie^a, Hangyu Zhang^a, Xunda Zhang^b,  Li Zhao^a

单位：

^aState Key Laboratory of Engines (Tianjin University), Tianjin University, Tianjin, 300350,  China

^bState Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Scientific Research Institute, Tianjin, 300000, China

文章年份：2026年

期刊名：International Journal of Refrigeration

期刊分区：中科院二区

影响因子：4

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2026.107195

关键词：Thermal management; Thermoelectric cooler; Cooling performance; Fluctuating heat load
论文简介

热电制冷技术因其能够满足可穿戴电子设备和物联网（Internet of Things，IoT）设备对紧凑化、局部温度控制的需求而受到越来越多的关注。在此类应用中，热负荷通常随设备运行状态和环境条件的变化而波动，而非保持恒定。尽管已有大量研究探讨了热电制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）的瞬态行为，但在恒定输入电流条件下，针对不同外部施加热流波形所引起的TEC响应，仍缺乏系统性的表征研究。

本研究建立了三维瞬态数值模型，研究了恒定输入电流条件下，冷端波动热流作用时热电制冷器的瞬态性能。考虑了方波、正弦波和三角波三种热流输入形式，并分析了波动周期、峰值热流密度及占空比对温差和性能系数（Coefficient of Performance，COP）的影响。结果表明，即使在平均热流密度相同的条件下，不同热流波形仍会引起显著不同的瞬态响应和时间平均性能，其中方波热流引起的性能波动最为明显。在所研究的工况范围内，最大时间平均COP较相同平均热流密度下对应的稳态COP提高了24.53%。在此基础上，构建了基于波形因子、无量纲时间参数和热流质心的无量纲表征框架，建立了时间平均温差和COP的关联关系。进一步采用四组随机热流工况下的瞬态数值模拟结果对所建立的关联式进行了验证，时间平均温差和COP的最大相对误差分别为6.30%和8.72%。本研究为所考察运行范围内冷端波动热负荷作用下热电制冷器性能的定量表征提供了依据。

图文导读

图3 波动热流边界条件示意图

图8 不同波动周期和热流波形下的瞬态响应:（a）温差ΔT;（b）COP

图9 不同波动周期t₀和热流波形下的平均性能:（a）平均温差ΔT;（b）平均COP

图10 不同峰值热流密度和热流波形下的平均性能:（a）平均温差ΔT;（b）平均COP

图11 不同占空比和热流波形（方波和三角波）下的平均性能:（a）平均温差ΔT;（b）平均COP

图12 随机热流输入条件下时间平均性能的预测值与模拟值对比:（a）平均温差ΔT;（b）平均COP

结论

针对可穿戴电子设备和物联网（Internet of Things，IoT）智能设备中，由环境扰动及运行状态频繁切换引起的热负荷波动问题，本研究通过数值模拟研究了周期性和随机热流输入条件下热电制冷器（TEC）的性能响应。系统分析了热流波形、波动周期、峰值热流密度及占空比对TEC瞬态性能的影响，并建立了适用于周期性和随机热流输入的无量纲性能预测框架。主要结论如下：

（1）不同热流波形对TEC瞬态性能的影响存在显著差异。 在平均热流密度相同的条件下，不同波形引起的瞬态响应明显不同。时间分布更为集中的方波热流导致更大的温差波动；在部分运行工况下，变化较为平滑的正弦波热流能够获得更高的COP；而三角波热流引起的性能响应相对平缓。因此，仅依据平均热流密度或其对应的稳态计算结果，难以充分表征波动热负荷条件下TEC的实际制冷性能。

（2）波动周期、峰值热流密度和占空比对TEC性能的影响规律各不相同。 与正弦波和三角波相比，方波热流引起的性能变化更加显著。其中，平均COP随波动周期呈现非单调变化规律，最高可比对应稳态值提高24.53%。对于方波热流，随着占空比的增大，平均温差ΔT逐渐减小，而平均COP则逐渐增大。

（3）建立了基于波形因子、无量纲时间参数和热流质心的无量纲性能预测框架，实现了对TEC时间平均性能的估算。 针对四组随机热流工况，平均温差ΔT和COP的最大预测误差分别为6.30%和8.72%。进一步采用两组人工合成波形和三组来源于实际应用的热流波形进行测试，最大预测误差为9.31%。上述结果表明，所提出的预测框架在研究工况范围内具有一定的预测能力，但其在更广泛工况下的适用性仍需进一步验证。