风冷散热半导体制冷系统性能分析及实验研究

摘要

本文首先分析了半导体制冷的基本原理，对半导体制冷装置进行了不同工作状态下的热力分析计算，就装置的冷热端温差、热电材料的优值系数、散热器的散热性能对半导体制冷装置性能的影响进行了理论分析，为半导体制冷产品的开发设计和现有的半导体制冷装置性能测试建立了理论基础。 然后对一台半导体制冷产品建立了二维计算模型，用ANSYS软件对制冷空间内的温度场分布进行了数值模拟，分析了对流传热系数和半导体制冷器冷端放置位置对制冷空间温度场的影响。针对制冷空间内温度分布不均匀以及降温速度慢的问题，对半导体制冷产品的结构提出了改进方法。 在数值模拟结果的基础上设计并建立了一台风冷散热半导体制冷产品样机，研究了样机冷、热端传热状况对样机性能的影响，对样机进行了性能测试与实验研究，结果表明，其影响规律与数值模拟结果吻合，样机在环境温度20℃时仍然可以保持和环境温度近9℃的温差，样机设计基本上达到了预定要求。

目录

文摘

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声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2半导体制冷研究现状

1.2.1半导体制冷材料的研究现状

1.2.2半导体制冷器结构和性能的研究

1.3半导体制冷的应用情况

1.4本文的主要工作

第2章 半导体制冷原理及分析

2.1半导体制冷的物理基础

2.1.1塞贝克效应

2.1.2珀尔贴效应

2.1.3汤姆逊效应

2.1.4焦耳效应

2.1.5傅立叶效应

2.1.6三种热电效应之间的关系

2.2半导体制冷最佳特性分析

2.2.1一般工况

2.2.2最大制冷量工况及最佳工作电流

2.2.3最大制冷系数工况及最佳工作电流

2.2.4最大温差工况

2.2.5半导体制冷工况设计

2.3半导体制冷热端散热方式

2.3.1自然对流散热

2.3.2强迫对流散热

2.3.3液体冷却散热

2.3.4相变散热

2.4本章小结

第3章 半导体制冷空间温度场的数值模拟

3.1引言

3.2有限元软件ANSYS介绍

3.3数学模型的建立

3.3.1物理建模

3.3.2数学建模

3.3.3控制方程

3.3.4定解条件及物性参数

3.4数值模拟结果及分析

3.4.1对流换热系数对半导体制冷产品内部温度场的影响

3.4.2冷端位置对半导体制冷产品内部温度场的影响

3.5本章小结

第4章 风冷散热半导体制冷产品样机的设计

4.1样机的结构设计

4.2样机工作参数的确定

4.3系统热负荷计算及半导体制冷元件的选择

4.3.1系统热负荷Q的计算

4.3.2半导体制冷元件的选择

4.4冷端散热系统的设计

4.5热端散热系统的设计

4.6样机的控制电路设计

4.7样机整机的制作

4.8本章小结

第5章 半导体制冷样机性能测试实验

5.1实验目的

5.2测温仪器的选择

5.3实验方法

5.4实验结果及数据分析

5.4.1半导体制冷样机最佳工作电压及电流

5.4.2改变冷端风冷换热系数工况

5.4.3改变热端风冷换热系数工况

5.4.4数值解的实验验证

5.4.5样机的储藏温度试验

5.4.6样机的冷却速度试验

5.4.7样机的耗电量试验

5.5实验误差分析

5.5.1由计算模型本身引起的误差

5.5.2样机所用电堆片性能参数差异可能引起偏差

5.5.3样机制作工艺所引起的偏差

5.5.4实验方面引起的偏差

5.6本章小结

第6章 风冷散热半导体制冷系统性能的优化分析

6.1引言

6.2制冷系统加工工艺优化研究

6.3系统散热方式的优化研究

6.4合适工作电流的确定对系统的优化研究

6.5本章小结

第7章 结论

7.1工作总结

7.2未来工作的建议与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文