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半导体制冷最优工况及散热强度的理论分析与实验研究

作　者: 庞云凤
导　师: 王莹
学　校: 哈尔滨商业大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 半导体制冷制冷性能最优工况热端散热强度水冷散热
分类号: TB66
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 210次
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内容摘要

半导体制冷原理发现至今已有150多年的历史,但直至上世纪50年代,半导体制冷才因发现制冷性能较好的半导体材料而得到进一步的发展。半导体制冷具有许多独特的优越性：系统简单、易于调控、冷却速度快,同时因其无制冷剂和机械转动部件,还具有无毒害、无污染和运行无噪音、无振动、无磨损等优点,随着目前人们环保意识的增强,半导体制冷愈加受到重视。论文首先根据半导体制冷原理,选择半导体制冷系统元件,建立半导体制冷实验系统。通过理论与实验研究分析了影响半导体制冷性能的两个主要因素,即半导体制冷的最优工况及热端散热强度。半导体制冷存在着两种极限工况：最大制冷量工况和最大制冷系数工况。在最大制冷量工况中,虽然得到最大的制冷量,但消耗了较大的功率,得到较小的制冷系数；在最大制冷系数工况中,虽然经济性好,耗电少,但获得的制冷量却很小。在这两种传统工况间,必定存在一个最优工况,使制冷系统既具有较大的制冷量,又消耗较小的功率,从而使综合效益达到最优,文中称之为最优工况。针对这一问题论文首先从理论上对半导体制冷的最优工况进行了分析,推导出最优工况下的最优电流计算公式；其次在两种极限工况之间选取了8组工况进行实验,经对比研究确定半导体制冷的最优工况。影响半导体制冷性能的又一重要因素为半导体热端散热强度。针对这一问题论文首先选取了风冷散热、热管散热以及水冷散热三种散热方式进行了实验研究,得出水冷散热方式下制冷效果最佳的结论。其次,在最佳散热方式即水冷散热方式下,通过改变热端散热水流量从而改变散热强度的方法,选取6组热端散热水流量,进行半导体热端散热强度的实验研究,得出热端散热强度对半导体制冷性能的影响规律。最后根据论文的实验成果,在最优工况下选取水冷散热方式对小型半导体制冷箱进行了初步设计。本文对半导体制冷系统进行了大量理论与实验研究,提出了半导体制冷的最优工况的概念,使半导体制冷系统在最优工况下工作,降低了功率及成本,提高了半导体制冷性能；同时分析了热端散热强度对半导体制冷性能的影响规律,优化了半导体制冷热端散热系统,对今后半导体制冷系统的设计研究工作具有很好的指导意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-16
  1.1 半导体制冷的发展现状  11-13
    1.1.1 半导体材料的研究  11-12
    1.1.2 半导体制冷性能的研究  12-13
  1.2 本课题的背景意义  13-14
  1.3 本课题的来源  14
  1.4 主要研究内容  14-16
2 半导体制冷的基本物理效应及其实验系统的建立  16-29
  2.1 半导体制冷的基本物理效应  16-21
    2.1.1 塞贝克效应  16-17
    2.1.2 帕耳帖效应  17-19
    2.1.3 汤姆逊效应  19
    2.1.4 焦耳效应  19-20
    2.1.5 傅立叶效应  20
    2.1.6 金属的开耳芬关系式  20-21
  2.2 实验目的  21-22
  2.3 实验系统的建立  22-24
    2.3.1 试验系统介绍  23-24
    2.3.2 实验过程中需要注意的问题  24
  2.4 制冷系统元件的选择  24-28
    2.4.1 半导体热电堆或制冷片的选择  24-27
    2.4.2 半导体制冷测温方法的选择  27-28
  2.5 本章小结  28-29
3 半导体制冷最优工况的理论与实验研究  29-47
  3.1 半导体制冷最优工况的理论研究  29-32
    3.1.1 一般制冷工况  29-30
    3.1.2 最大制冷量工况  30
    3.1.3 最大制冷系数工况  30-31
    3.1.4 最优工况  31-32
  3.2 半导体制冷最优工况的实验研究  32-33
  3.3 不同工况下的实验结果与分析  33-42
    3.3.1 工况1实验结果与分析  33-34
    3.3.2 工况2实验结果与分析  34-35
    3.3.3 工况3实验结果与分析  35-36
    3.3.4 工况4实验结果与分析  36-38
    3.3.5 工况5实验结果与分析  38-39
    3.3.6 工况6实验结果与分析  39-40
    3.3.7 工况7实验结果与分析  40-41
    3.3.8 工况8实验结果与分析  41-42
  3.4 八种工况的综合实验结果研究  42-45
    3.4.1 八种工况下各性能参数变化规律  42-43
    3.4.2 最优工况的实验确定  43-45
  3.5 本章小结  45-47
4 散热方式的理论与实验研究  47-57
  4.1 半导体制冷的几种散热方式  47-49
    4.1.1 空气自然对流散热  47
    4.1.2 空气强迫对流散热  47-48
    4.1.3 水冷散热  48
    4.1.4 热管换热  48
    4.1.5 相变沸腾换热  48-49
  4.2 三种不同散热方式的实验研究  49-54
    4.2.1 风冷散热的实验研究  49-50
    4.2.2 热管散热的实验研究  50-51
    4.2.3 水冷散热的实验研究  51-52
    4.2.4 不同热端散热方式对制冷性能影响的综合研究  52-54
  4.3 散热强度对制冷性能的影响  54-56
    4.3.1 散热强度实验方案的确定  54
    4.3.2 散热强度实验结果的研究  54-56
  4.4 本章小结  56-57
5 小型水冷半导体制冷箱的初步设计  57-64
  5.1 设计背景  57
  5.2 工作原理  57-58
  5.3 小型水冷半导体制冷箱的结构设计  58-61
    5.3.1 制冷箱体的设计  58-59
    5.3.2 半导体热电堆的选型  59-60
    5.3.3 水冷板的确定  60-61
    5.3.4 直流循环水泵的选择  61
    5.3.5 冷却水箱的制作  61
  5.4 小型半导体制冷箱的组装  61-62
  5.5 小型半导体制冷箱最低制冷温度的实验测定  62
  5.6 本章小结  62-64
结论  64-65
参考文献  65-69
攻读学位期间发表的学术论文  69-70
致谢  70

半导体制冷最优工况及散热强度的理论分析与实验研究

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