径向散热器可切换热电制冷器(STEC)在LED双模热管理系统中的能效优化研究

为解决高功率LED在移动设备中因热积累导致性能下降的问题，研究人员设计了一种集成径向散热器的可切换热电制冷器(STEC)，通过实验验证其双模(主动/被动)冷却性能。结果表明，STEC在主动模式下COP(性能系数)提升1.81倍，被动模式热阻降低50%，能耗仅为传统主动冷却系统的25.6%，为下一代移动照明提供了高效节能的解决方案。

　　

随着自动驾驶、城市空中交通等未来移动技术的发展，LED照明系统因体积小、能效高的优势成为核心组件。然而，LED仅将30%输入能量转化为光能，其余70%以热能形式耗散，导致结温升高、发光效率衰减和寿命缩短。传统被动冷却方案依赖大体积散热器，而主动冷却系统能耗过高，两者均难以满足移动平台对紧凑性和能源效率的严苛需求。

针对这一矛盾，韩国全南大学智能工厂可靠性中心的研究团队在《Results in Engineering》发表论文，提出了一种创新性的可切换热电制冷器(STEC)。该系统通过径向散热器、Peltier元件、矩形散热器和风扇的级联结构，实现了根据热负荷自动切换被动/主动冷却模式的功能，在保证温度控制精度的同时显著降低能耗。

研究采用电阻加热器模拟LED热源，通过LabVIEW程序控制电源模块，结合K型热电偶和MAX31855转换器实时监测温度变化。关键实验包括：对比STEC与被动/主动冷却器的热阻和COP；通过参数分析确定Peltier元件最佳工作功率(1 W)；评估径向散热器在双模中的热缓冲作用。所有实验在恒温恒湿腔中进行，接口处涂抹导热硅脂(HY-P15)以减少热膨胀失配。

3.1 与被动冷却器的性能对比
STEC在3-7 W加热功率下，结温始终低于传统被动系统。热阻计算显示，即使未激活TEC模块，STEC因增加热传导体积，热阻仍降低50%以上，证实径向散热器的热扩散优势。

3.2 与主动冷却器的性能对比
在1 W Peltier功率下，STEC将LED结温控制在60°C仅需0.32 W，而传统主动系统消耗1.26 W。动态响应测试表明，STEC从83.25°C降至56.14°C的热时间常数为187秒，显示其快速温控能力。

3.3 COP与热阻评估
基于Bi₂Te₃材料的Peltier元件内部参数(塞贝克系数S_p=0.011 V/K，电阻R_p=1.404 Ω，热导K_p=0.047 W/K)，STEC的冷却功率达1.063 W，COP(0.8176)较主动冷却器(0.4521)提升81%。热阻分析进一步显示，STEC在主动模式下的斜率仅为传统系统的1/2，表明径向散热器有效分担了热负荷。

3.5 动态响应与控制策略
研究提出温度阈值触发机制：当结温超过设定值，系统自动切换至主动模式。针对高功率LED阵列(如汽车前照灯)，STEC可节省1.3 Wh/h的冷却能耗，结合热电发电机还可实现废热回收。

该研究首次将径向散热器与TEC模块集成，创造了可动态切换的双模冷却架构。其核心突破在于：径向散热器既是被动冷却主体，又在主动模式下降低Peltier元件负载，形成"热缓冲层"。实验数据验证了STEC在能效(25.6%功耗)、性能(1.81倍COP提升)和紧凑性方面的综合优势，为移动照明、车载电子等空间受限场景提供了革新性解决方案。未来通过集成相变材料或微流道散热器，可进一步拓展其在航空航天等高热流密度领域的应用潜力。