单级半导体制冷器制冷特性分析与分析

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1、华中科技大学硕士学位论文[12-19]他一些研究侧重发展新的温差电对结构，如“无限级联”电对结构，功能梯度结构，悬臂热接触结构，同轴环形电对结构等。[20][21]冷热端散热方式同样影响半导体制冷系统性能，国内研究方面，李茂德等建立了第三类边界条件下热电臂稳态传热数学模型，在理论上分析了热端散热强度对其制冷性能的影响，结论证明了随着散热强度的增强，半导体制冷系数逐渐提高，但当散热强度到达一定值，其对制冷系数提升的效果趋于缓慢，所以不建议通过无限制提[22]高散热强度来提升系统的制冷性能。李军等应用有限时间热力学分析了两级热电制冷机冷热端换热器传热面积的最佳比

2、，结论对实际换热器的设计与降低成本有一定的[23,24]指导意义。王江和张弈等针对某特种设备和半导体冷藏箱的散热做了实验研究，指出实际应用中必须解决好热电器件的散热问题才能确保系统稳定的工作。张建成，[25,26]白晓亮则针对半导体制冷散热设计了相应的热管式散热器并做了相应的实验。国[27-29]外方面，Vian，Astrain等侧重开发应用于半导体冰箱散热的回路型热管（TPM,TSV），应用两相热虹吸与内部填充的多孔介质材料的毛细作用使热管能够有效的散热并顺利完成热力循环，实验验证制冷器冷端加装TPM取代原有的风扇热沉结[30-32]构能够散热器热阻从0.

3、513降低至0.323，COP值提高32%。Riffat,Omer等提出一种热管结合相变材料的联合热控装置用于半导体制冷器冷热端换热，实验显示该装置不仅能提高系统的COP，还能够使半导体冰箱具有一定的蓄热能力以应对冰箱停机或[33,34]开门带来热负荷的突增。Lee和Zhang等分别提出了两相回路型和平板型热虹吸器[31]用于半导体制冷器的散热并做了实验研究。Nnanna和Chein等做了微通道换热器与[35]半导体制冷器集成化方面的研究。Naphon等则是分析了采用液体循环冷却应用于CPU散热的半导体制冷器，可见除了现有换热技术的改进，国内外学者还致力于将

4、最新型的换热技术应用到半导体制冷的散热方面来，但小型化与集成化仍将是今后半导体制冷用散热器发展的亟待解决的问题。在理论方面，许多研究侧重从传热学与热力学角度通过建立数学模型分析不同工况下的制冷性能和相关影响参数，进而提出一种优化设计方法或给出最佳工况区间。[36]如同济大学李茂德老师及他的学生们首先分析了半导体制冷的热力学机理，然后通过建立数学模型对半导体制冷非稳态特性进行数值模拟并分析了热电臂内部的温度4华中科技大学硕士学位论文[37,38][39]场分布情况，同时还提出了双级半导体制冷器的优化设计思路。王宏杰，陈金[40,41]灿等根据热平衡理论推导出冷

5、热端温度与制冷量Qc的解析解，进而分析各种不可逆因素对系统性能的影响，给出了一种热电器件参数优化选择的方法与系统最佳工[42]作电流范围。唐红民等建立了基于CCD芯片的半导体制冷系统非稳态传热模型，并[43]对其不同换热系数与输入电流工况下的动态特性进行了模拟和实验研究。黎立新等[44,45]则对半导体制冷制热箱在Simulink里进行了建模仿真。杨明伟，Mitrani等应用电学的等效电路理论在SPICE软件里仿真了半导体制冷系统并分析了其动态特性。[46,47]Chakraboty等对电子元器件冷却的半导体制冷器进行热力学建模，对其温度-熵特[48,49]

6、性进行了模拟分析。Cheng等用遗传算法使一双级半导体制冷器的COP值最大化。[50,51]Huang等认为把热电臂当成三维来建模结果更具说服力，文中建立了单个热电臂的三维数学模型并分析了其瞬态传热特性。应用方面，将半导体制冷与太阳能结合一直是半导体制冷技术的重要应用领域，[52,53]半导体制冷与太阳能利用有着很好的季节匹配性。上海交大的罗斌，代彦军等研制了一种太阳能半导体冰箱，实验分析了其制冷温度在5℃-10℃，COP值在0.25-0.3[54,55]左右，适应一般户外的食品保鲜。秦锋和王红晨对太阳能半导体空调的性能进[56]行了数值模拟与实验与并对其内

7、部的蓄冷介质进行了研究。日本的Hara分析了基于[57]太阳能供电的半导体制冷帽的性能。高登山研究了半导体凉席。Rodriguez，Vian[58-60]等相继试制了半导体制冰机，半导体冷藏箱与半导体除湿机，并对其性能进行了理论研究与实验分析。1.3本课题主要研究内容（1）应用热网络与热平衡理论建立了半导体制冷器传热的数学模型并求得其稳态工况下的解析解，对结构和设计参数对半导体制冷器性能影响进行综合分析，给出一定工况下，使得COP最优的各参数的推荐取值区间。（2）提出了一种基于半导体冰箱的仿真模型，应用有限差分法对不同输入电压，热负载及环境温度工况下半导体冰

8、箱的非稳态特性进行了数值模拟。5华中科技大学硕士学位