半导体电子制冷系统的设计业设计开题报告.doc

毕业设计开题报告 题 目： 半导体电子制冷系统的设计 学生姓名： 学 号： 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 2010 年 3月 日 1.文献综述 1.1 课题研究背景和意义 半导体制冷也称热电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P—N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方式。与传统的制冷技术相比，它的优点在于：(1)结构简单，无噪音、无磨损、无污染、可靠性高；(2)制冷速度快，控制灵活；(3)热电堆可以任意排布、大小形状可变。由于上述优点，现在国内外都在大力推广这项技术[1][2]。 传统的温度控制较多地使用纯模拟电路并采用继电器——接触器或者双向晶闸管[3]进行模拟部分驱动制冷器件。纯模拟电路温度控制有很多不足之处[4]，如模拟电路设计复杂、控制精度不高、控制参数的调整主要依靠经验数据，很难做到动态调节、系统操作复杂，不利于远程控制、实时控制以及数据的实时采集等等。 1.1.1 半导体制冷的优点和不足 结构简单，尺寸小，整个制冷器由热电堆和导线组成，无任何机械运动部件，噪音低，无磨损，寿命长；具有高度的可靠性和良好的可维修性；不用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保；冷却速度和制冷温度可以通过改变工作电流和工作电压的大小任意调节，启动快，控制灵活，控制精度高；热电堆可以做成各种形状，在任何方向下，甚至在失重和超重状态下都可工作；操作具有可逆性，既可制冷，又可供热，而这只需改变工作电流的方向；制冷量可在mW级一kW级变化，制冷温差可达2℃ ～150℃范围。虽然其用于制热时效率很高，但用于制冷时效率较低，损耗大。1.1.2 半导体制冷的 电热对是由半导体材料制造的，如图1所示。热电对有两条电偶臂，分别用P型半导体和N型半导体制造。电偶臂的两端均有金属片，又称汇流条。当电流流经热电对时，在两端产生了帕尔帖效应，上面形成冷端，从外界吸热；下面形成热端，向外界放热。如果将若干个这样的热电偶对在电路上串联起来，在传热上并联起来，就构成了一个常见的热电制冷电堆，接上电源，借助于热交换器等各种传热器件，使热电制冷组件的热端不断散热，并保持一定的温度。把热电堆的冷端放到需要的工作环境中吸热降温，这样就达到了制冷的目的。1.1.3 半导体制冷工作状态特性 理论分析认为热电制冷器的工作是一个动态过程。由于热电制冷器的工作电压和工作电流可以调节，在变工况工作时，随着Th、Tc的变化，其制冷量、输入功率、制冷系数、工作电压和工作电流都可能发生变化。因此它可有制冷量最大、制冷系数最大、恒工作电压、恒工作电流及随工况调整5种运行方式[5]。在半导体致冷中，可按最大制冷量和工况进行设计，该设计要求制冷量小，精度高，选用最佳制冷系数。热电堆在不同工况下对应不同的最大或最佳工作电流。偏离最佳工况点，其制冷系数或制冷量会降低。制冷器的设计应该根据实际需要按最大制冷量、最大制冷系数或最大制冷温差对制冷电堆进行优化设计，并要求能控制和调节制冷电堆的工作电流，以确保制冷电堆在最佳工况下运行。在设计和选择应用时，无论采用恒工作电压运行方式，还是恒工作电流运行方式，其工作电压和工作电流均应在限定的范围内选择。[6] 1.2 国内外发展状况 多级半导体制冷技术成为提高制冷量的又一方向[7]。文献[8] 用传统的非平衡热力学理论对多级串接热电制冷机进行了研究。文献[9]用有限时间热力学理论讨论了单级多热电单元制冷机的最优面积分配，得到了在两侧换热器总传热面积、上下两层总热电单元数一定的情况下，最优的面积分配和最优的热电单元数分配。文献[10]对多级半导体制冷器作了阐述，认为分离的电流不仅能提供大的制冷能力，而且有更高的COP系数。文献[11]对耦合半导体制冷系统性能特性进行了优化分析，导出了多级制冷最大制冷系数和制冷率的公式，最大工作电流的范围和两级半导体元件的最佳比的取值范围。文献[12]对非稳态热电制冷过程理论及应用进行了深入研究和分析。 从国内外对半导体制冷研究的现状看，半导体制冷技术远没有成熟，目前尚有一些制约因素受到关切:[13][14] (1)制冷还需要大幅度提高其制冷系数，半导体热电偶优值系数的提高，目前还有待于新材料的发明或发现，l998年秋季在美国波士顿召开的材料研究学会(MRS)学术会议上，热电材料研究再一次成为讨论的热点。美国科学家Tritt则乐观地认为在未来几年内热电材料的研究将会有惊人的突破。 (2)热电材料的制取、焊接工艺还要努力提高，采用无限级联温差电偶对结构、场致电发射结构、