半导体多级制冷性能组合优化设计

摘要

本文系统的阐述了热电效应的基本规律，分析了半导体制冷的基本原理并给出了工程上常用的设计公式，并从非平衡热力学的角度出发，研究了半导体元件内部温度场分布的情况，给出了半导体制冷更一般的简化计算公式。在此基础上，研究了半导体多级制冷内部组合结构对制冷性能的影响，并进行了优化，最后，通过开展半导体多级制冷实验来验证理论分析的正确性。 在理论研究方面，主要做了以下工作： 1.建立了稳态情况下半导体元件的一维传热模型，结果表明n型元件和p型元件内部温度场的分布是相似的，在温度梯度和输入电流较小的情况下，其内部温度场都近似呈线性分布。 2.通过理论分析得到了半导体制冷更一般的实用设计公式，指出了现有部分文献研究的不足指出，说明了汤姆孙效应在半导体制冷中有着重要的作用，而等效汤姆孙热是不能轻易忽略的。 3.在内部组合结构优化方面，结合两级半导体串联和并联制冷，研究了半导体制冷器的结构对制冷性能的影响，得到了不同结构下最佳的工作电流和级间元件个数比。 在有关的实验研究中，工作内容主要包括： 1.设计并搭建了半导体多级制冷的试验台，在该试验台上完成了多工况下最大制冷温差的实验研究，得到了可靠的实验数据。 2.将实验得到的数据和理论计算数据进行了比较分析，验证了理论分析中建立的半导体制冷系统传热模型和得到的理论计算公式的正确性，同时指出：在半导体多级制冷中，汤姆孙效应是必须要考虑的。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第1章绪论

1.1半导体制冷技术发展的历史回顾

1.2国内外半导体制冷技术的研究现状与发展动态

1.3课题来源及研究内容

1.4论文结构安排

第2章热电效应的基本规律

2.1各种热电效应

2.1.1塞贝克效应

2.1.2珀尔帖效应

2.1.3汤姆孙效应

2.2各热电效应间的相互关系

小结

第3章半导体制冷的基本原理及常用设计公式

3.1半导体制冷的基本原理

3.2半导体制冷的基本公式

3.2.1半导体制冷单元的基本公式

3.2.2半导体制冷的最佳特性分析

小结

第4章半导体制冷的传热过程分析

4.1半导体制冷器的基本热传导方程

4.2半导体元件内部温度场分布的研究

4.2.1考虑汤姆孙效应影响时的温度场研究

4.2.2忽略汤姆孙效应影响时的温度场分布

4.3制冷量和制冷系数的计算

小结

第5章半导体多级制冷器结构对制冷性能的影响及优化分析

5.1两级半导体串联制冷

5.2两级半导体并联制冷

5.3串联制冷和并联制冷的比较分析

小结

第6章半导体多级制冷的试验研究

6.1试验台的设计

6.1.1试验目的及设计思路

6.1.2试验台的设计和布置

6.1.3试验装置说明

6.2试验测量系统说明

6.2.1温度采集系统

6.2.2功率采集系统

6.2.3实验中各测量仪表

6.3实验数据分析

6.3.1最大制冷温差的理论计算

6.3.2实验数据处理

6.3.3实验图形分析

小结

第7章结论与展望

7.1工作内容总结

7.2半导体多级制冷优化分析的前景展望

致谢

参考文献

附录

个人简历及攻读硕士期间发表的论文