面向航电动态热管理的热电阵列强化散热技术研究：基于超临界甲烷的温控均一性优化

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Large-scale pumped thermal energy storage systems: Climate sensitivity and scale-dependent economics

本文提出热电阵列强化散热器（TEAEHS）创新方案，通过热电制冷器（TEC）阵列与超临界甲烷（S-CH4）冷却通道的协同调控，实现航空航天功率电子器件在动态热点（hotspot）条件下的精准温控。研究建立了分布式参数热模型（DPTM）与热电耦合算法（TECA），证实该系统可通过TEC电流独立调节局部散热性能，在冷却剂参数恒定时达成全局温度均匀分布（≤2.5?K温差），为高超声速飞行器机电作动器（EMA）的热管理难题提供突破性解决方案。

　　

重点亮点

热电阵列强化散热器方案

如图1所示，TEAEHS采用三层架构：功率模块热源层、TEC阵列温控层和冷却通道散热层。方形TEC阵列为功率模块提供网格化热调节能力，蛇形通道内的超临界甲烷（S-CH₄）作为最终冷却介质。TEC边长与冷却通道宽度一致，确保热流路径最优化。

结果与讨论

为分析TEAEHS在不同热流分布下的温控性能，本研究设计六组对照工况。针对三种热点分布模式，分别对比有无TEC调控的效果，并横向分析TEAEHS对不同热点位置的适应性。具体方案见表4。

以S-CH₄为冷却剂时，操作压力（P）设定为8?MPa，入口温度（T_in）分别为140?K、160?K和180?K。热点区域热通量达1000?kW·m^?2，背景热通量为100?kW·m^?2。模拟结果显示，通过调节对应TEC电流（0–3?A），热点区域温差可降低62%，且温度均匀性随S-CH₄温度降低而提升。在比热容突变区附近，TEC的局部调控范围显著扩大。

结论

本研究针对高超声速飞行器功率电子冷却需求，设计出集成TEC阵列与S-CH₄冷却通道的TEAEHS复合温控装置。基于传热与能量转换过程建立的分布式参数热模型，结合热电耦合算法（TECA），成功实现动态热点下的精准温控。结果表明，在冷却剂参数恒定条件下，该系统可通过TEC阵列的时变调控实现全局温度均匀性（温差≤2.5?K），为移动热点问题提供创新解决方案。