文物展柜离子风扇耦合半导体恒湿系统理论与实验研究

摘要

离子风扇基于电晕放电原理，没有运动部件、结构简单、体积小，能够产生稳定的流场，近几年来在散热领域得到了越来越多的关注。湿度是文物展柜内最重要的控制参数之一，半导体制冷除湿技术因为具有易于操作等优势，且无需制冷剂，目前已经被应用于文物展柜微环境控制方面。传统的半导体恒湿系统多采用机械风扇和冷却水对冷热端进行散热，系统复杂，无法发挥半导体制冷无噪音的潜在优势。因此本文将离子风扇同半导体除湿结合起来，研究了调节文物展柜内空气湿度的恒湿系统，使得整个除湿模块更加安静和易于调节。针对该离子风扇耦合半导体恒湿系统，主要开展了以下研究： （1）建立了离子风扇二维模型，研究了放电极施加电压和离子风扇几何结构参数（放电极半径、放电极间距、放电极高度、集电极板宽度）对流场的影响。结果显示离子风扇几何结构参数对流场有重要影响，存在放电极间距值使得流场发生绕流和速度减小现象； （2）建立了离子风扇和半导体制冷模块三维仿真模型，分析了放电极施加电压、放电极间距、放电极高度和放电极半径对离子风扇送风效率、离子风扇散热效率、半导体制冷效率和制冷系统效率的影响。结果显示放电极间距和放电极高度等参数会极大地影响热端散热特性，存在放电极间距使得送风效率出现极小值、半导体性能（COP）在一定区间内存在极值； （3）搭建了离子风扇耦合半导体恒湿系统，研究了离子风扇功率和几何参数对耦合系统性能的影响，结果表明，存在最佳的放电极高度使得系统性能（COP）最大。同时，放电极间距在1cm~6cm范围变化时，存在放电极间距使得半导体热端温度最高，系统性能达到极小值； （4）将本文除湿系统应用于文物展柜，结果显示环境湿度为35%~85%，本文系统能够控制柜内空气在40%~55%范围内恒湿，且柜内湿度的日波动量不超过±1%，耦合系统的除湿效果较好。

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