单级半导体制冷器制冷特性分析及研究

摘要

随着半导体材料优值系数的提高，半导体制冷技术被广泛应用于军事，航天，医疗，微电子领域进行快速制冷或高精度温度控制，相比于蒸汽压缩式制冷，半导体制冷技术具有无污染，低噪音，可靠性高，易于集成化等优点，但是其制冷效率较低，通常单级半导体制冷器的COP在0.2-0.6 之间，远低于蒸汽压缩式制冷的COP值。在民用领域还无法与传统制冷竞争。因此半导体制冷性能的提高，对进一步拓宽其应用领域与范围有着重要的意义，同时有助于半导体制冷向高效节能的方向迈进。
　　 在提高半导体制冷器性能的研究方面，首先要确定半导体制冷器性能的影响参数。本文以一常规单级半导体制冷器为研究对象，通过建立数学模型求得其制冷量，COP在稳态条件下关于各影响参数的解析解。综合分析了解析式中各参数（电流，热阻，尺寸因子，热电模块对数）对半导体制冷器性能的影响程度，确定了影响半导体制冷器制冷量和COP 值的主要参数，给出了一定设计工况下，COP 值最优的各参数的取值范围。
　　 接着本文研究了半导体制冷过程中的非稳态传热特性，提出一种基于半导体冰箱的仿真模型，对半导体冰箱在不同输入电压，热负载工况下非稳态特性进行了数值模拟，随后作者建立半导体冰箱实验台，对一台20L 半导体冰箱进行了实验研究，与数值模拟结果进行比较，显示两者吻合较好。模拟与实验结果均显示，对一半导体制冷器输入逐渐递增的电压可以在某一瞬态获得相比稳态更低的制冷温度。
　　 本文研究表明，半导体制冷器性能受多个参数的相互影响，实际设计中不同工况下使得COP 最优的各参数的取值不同，但都可以参照本文的方法确定其取值。同时本文提出一种利用递增电压进行瞬态制冷的思路。本文的研究对实际半导体制冷系统和热电模块的设计具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 半导体制冷循环分析

3 半导体制冷器稳态下性能影响因素分析

4 半导体冰箱非稳态特性的数值模拟与实验研究

5 结论及展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文情况