半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析.pdf

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1、FLUIDMACHINERYVo1．38，No．7，2010文章编号：1005--0329(2010)07—0068—05半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析毛佳妮，申丽梅，李爱博，汤魁(华中科技大学，湖北武汉430074)摘要：对于半导体制冷器优化研究的目的在于使其制冷性能最优化。本文通过对半导体制冷器的结构尺寸及热电材料相关物性参数进行了较系统的研究，推荐出了最佳理论设计值。同时，采用数值分析与解析求解相结合的方法，综合讨论了在稳态条件下，优值系数、最优结构尺寸、冷热媒温度、电流、介质端面对流换热强

2、度等参数变化对热电制冷器制冷性能的改善影响，以及各性能参数之间的相互制约关系。结论对于实际热电制冷系统的优化设计以及系统性能的提高提供了理论依据。关键词：半导体制冷器；优化设计；G因子；对流换热强度中图分类号：TB66文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005—0329．2010．07．016CombinedInfluenceofThermoelectricRefrigeratingPerformanceandOptimizationofThermoelectricCoolerMAOJia—ni，SHE

3、NLi—mei，LIAi—bo，TANGKui(HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)Abstract：Theobjectivefortheoptimizationresearchistooptimizethetotalrefrigeratingperformanceofthesemiconductor—coolingdevice．Thispapersystemicallyexpoundstheinternalstructureofthecool

4、ingdeviceandinterrelatedp~ametersofther-moelectricmaterial，andobtainstheoptimaltheoreticalvaluesforthedesign．Combinednumericalsimulationwithanalyticalmethod，thecomplexinfluenceforrefrigeratingperformanceimprovementwasdiscussed，involvingthemeritfigure、optimalphysi

5、-caldimension、temperatureofcold／heatmedium、electriccurrent、intensityofinterfacialconvectionheattransfer，aswellasthecomplementaryefects．Theresultssuggestthatitisofgreatimportancetoofferthetheoreticalbasistopracticaloptimaldesignandperformanceimprovementoncoolingde

6、vice．．Keywords：thermoelectriccooler；optimaldesign；G—factor；intensityofconvectionheattransfer1引言影响因素包括：热电臂几何尺寸；接触效应(器件焊接面上的接触热阻以及P—n结电臂导流条上热电制冷也被称作半导体制冷或温差电制导流电阻)；实际热电模块冷端与制冷空腔之间冷，是一项建立在帕尔贴效应基础上的人工制冷以及热电模块热端与散热器之间热耦合层上的寄技术。近年来，在车载冰箱、酒柜冰箱、饮水机、恒生温差等等J。此外，针对热电制冷器制冷性能

7、温冷藏箱中得到广泛应用，尤其在某些特殊场合参数的计算公式，均在冷端和热端温度已知的条(航空航天设备、医疗精密器械、微电子散热)，发件下推导得到。就实际情况而言，热端或冷端的挥着其它制冷方式无法替代的作用。介质温度容易测得，但是制冷器冷端和热端的温目前，国内外研究重点主要针对制冷器本身度还取决于与环境介质的换热情况和工作电流，热电材料特性的优化，然而针对热电制冷器内部即常在变工况下工作，随之制冷性能参数的计算结构的综合影响因素分析鲜有研究。主要的结构变得十分复杂。所以按设计计算得到的制冷性能收稿日期：2oo9—1O—28修

8、稿日期：201O—O6一l82010年第38卷第7期流体机械69评价值，可能与实际制冷系统出入较大。n为127对，外型尺寸为(40mm×40mm×3．9mm)，最大允许制冷量为38W。初始条件设置：2几何尺寸对制冷性能的影响拟定工作电流I为3．5A，冷、热端温度均为环境温度300K。考虑到便于模型内部网格的细化，同2