基于半导体制冷的小型制冷系统研究

基于半导体制冷的小型制冷系统研究作者：佚名时间：2017-05-08 08:03 已阅：371 次　　随着经济的发展、物质文化生活水平的提高，人们对方便、快捷的要求越来越高。采用半导体制冷的小型制冷装置，比如USB制冷杯、带有制冷功能的饮水机等等，以其体积小、方便、操作简单而受到人们的青睐。然而，这些小型制冷装置的发展很大程度上由于其制冷效率低下而受到影响。　　此类小型制冷装置一般都采用半导体制冷元件进行制冷。半导体制冷又称热电制冷，是利用半导体材料的Petoer效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的热电偶时，在热电偶的两端即可分别吸收热量和发出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。　　要发挥半导体制冷元件的最大效率必须减小冷热端温差。热端可选用的散热方式包括风冷、水冷及热管散热等等，同时冷端也需要考虑加强冷量的快速传递。以往的研究都集中在热端的散热，而很少论及加强冷端的冷量传递。而在基于半导体制冷的小型制冷装置当中，加强冷端的冷量传递表现的尤为重要，它可以很明显的提高装置的制冷效率。　　1研究内容及技术方案针对现有采用半导体制冷的小型制冷装置，由于半导体冷端的冷量不能得到有效的传递，导致半导体元件的冷端温度处于偏高状态，进而继续影响冷端的冷量传递，造成小型制冷装置的制冷效率低下。现对原有的半导体冷端进行技术改造，通过设计的冷量传递装置，将半导体冷端的冷量高效的传递到小型制冷装置内部，从而提高小型制冷装置的工作效率。　　原有小型制冷装置的半导体制冷装置图如所示。　　小型制冷装置的半导体制冷装置图给半导体元件通上直流电后，半导体元件的放热端与散热肋片相连，通过冷却风扇加强散热肋片表面的空气流动，加强散热。半导体元件的冷端与铝片相连，冷量经过铝片后，以自然对流的方式传递给制冷装置内部的空气来达到制冷的目的改进后的小型制冷装置的半导体制冷装置图如和所示。　　通直流电后，半导体元件的冷端产生的冷量，经过设计的冷量传递装置传递给制冷装置内部的空间达到制冷的目的。半导体元件的放热端与散热肋片相连，通过冷却风扇强制散热。　　冷量传递装置的构成：肋片铝板，轴流风扇，摘架，铝合金板。　　工作过程：通直流电后，半导体制冷元件冷端与肋片铝板相连，冷端产生的冷量传导至肋片铝板，轴流风扇使制冷装置内部的空气强制对流，空气流体沿着中设计的风道，以箭头方向循环对流，这样就保证了对流空气流体与肋片充分接触，增强对流换热效果。铝合金板既增大对流换热面积，又起到风道壁的作用。　　2冷量传递装置的对流换热计算以及对制冷装置效率的影响分析2.1对半导体制冷元件温度分析经过改进后的小型制冷装置的半导体制冷装置的主视图保温层热端温度-制冷空间温度环境温度冷端温度搁架冷端肋片半导体元件经过改进后的小型制冷装置的半导体制冷装置的左视图化3-.3为半导体元件产生的最大温差，由于半导体元件的冷（热）端与冷（热）端肋片结合，就会在冷（热）端的结合面产生传递温差，即。2-.3和化3-化2，同时冷（热）肋片本身的传递存在传递温差Tb-7与化2-7.上述温差在半导（2）设冷端肋片表面积为A，并假设其表面的初始温度为tc并且恒定，制冷空间温度tci，且tc　　体元件和冷（热）端肋片的材料与结构确定后基本上为定值，此时半导体制冷片的产冷量为：势（Seeback系数）；Te为冷端温度，K；Th为热端温度，K；AT为热冷端温差，K；I为电流强度，A；R为元件内阻；K为材料的导热系数。　　2.2对流换热计算以及改造前后对制冷装置效率的影响分析并假设其表面的初始温度为C制冷空间温度为fa并且恒定，且〖c<〖ci.冷端肋片与制冷空间空气的对流换热系数为及肋片的物性参数保持常数。　　非稳态、有内热源的导热微分方程：由于肋片的内部热阻了，可以忽略，温度Ah与坐标无关，所以对坐标的导数项均为零，于是（3）式简化成为：其中应看做广义热源，这里发生热量交换的边界不是计算边界，因而界面上交换的热量应折算成整个肋片的体积热源：以过余温度表示的初始条件为：下面在初始条件的情况下对（7）式的导热微分方程式求解：将上式对t从0到r积分，有：、d9 rAh经过计算模拟得出改造前后过余温度9/9随时间r的变化曲线如所示。　　的瞬时温度。　　贝丨：：二-座土初始条件为t（0）=tci对（10）式从0到r积分得：经过计算模拟得出改造前后制冷空间温度t随时间r变化曲线如所示。　　3仿真。　　实验证明改造后的装置较改造前，能够很好的提高制冷效率。　　4结论经过理论计算和仿真实验可以得出以下结论：（1）经过改造后的制冷装置，半导体制冷片的冷端带有冷端肋片，能够有效的将冷端的冷量传递到制冷空间，提高半导体制冷片的制冷量。（2）改造后的制冷装置，有效的缩小了半导体元件冷热端的温差，从而有效的提高半导体元件COP.（3）经过改造后的制冷装置，提高了冷端肋片与制冷空间空气的对流换热系数、更快更有效的降低制冷空间的温度。（4）改造后的制冷装置，缩短了降温时间，增加了便利快捷性；提高了制冷系统的COP，能较好的节约电能。 (责任编辑：凯翔)

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