摘 要

散热器是能量传递中的重要设备，其作用于热电制冷冰箱时可以通过与制冷片热端的导热胶接触，起到帮助制冷片热端散热的效果，从而增加热电制冷冰箱的制冷量。

然而不同的散热器其散热性能也有很大差异，现今散热器常用的有热管散热器、铝制散热器、铝波纹散热器等，而本文就是对其中铝波纹散热器作用于热电制冷冰箱时的制冷性能进行实验研究。本课题通过实验将所求得数据做出折线图，得出结论： （1）在风机风压一定的情况下，随电流强度的增加，箱体内温度会先降低再升高，同时制冷系数会减小。（2）在电流强度一定的情况下，随风机的风压增大，箱体内温度会降低。（3）在电流强度一定的情况下，风机的风压对制冷效率有影响，但随风压逐渐增大，其对效率的影响会逐渐减小。（4）箱体制冷片的制冷量有一个最大值，即箱体内温度有一个最低值，此时的电流就是该系统的最佳电流，本文中3组实验的最佳电流都在2.6A附近。本文内容为将来研究散热器作用于热电制冷冰箱时对其制冷性能的影响提供了理论依据。

关键词: 散热器 制冷量 铝波纹 最佳电流 制冷性能

Experiment and simulation study on thermoelectric cooling refrigerator based on aluminium corrugated fin radiator

Abstract

Radiator is an important device in energy transfer, and its effect on the thermoelectric refrigerator can be contact with the refrigerating thermal adhesive on the thermal side, to help increasing the cooling effect of the hot end, so as to increase the cooling capacity of thermoelectric refrigerator.

However different heat sink thermal performance also varies considerably, now there are many kinds of radiator such as heat pipe radiator、corrugated aluminum radiator、aluminum radiators. While this article introduced the Experiment and simulation study on thermoelectric cooling refrigerator based on aluminium corrugated fin radiator. This project have be exchanged by experiment data to a line chart, and concluding that: (1) In case of the fan wind pressure kept constant, with the increasing of current density, the temperature in the bowels of the refrigerator will reduce, and the coefficiency will dcrease.2) In case of the circumstances of current intensity kept constant, with wind pressure increasing，the tank temperature is reduced. (3) In case of the circumstances of current intensity kept constant, wind pressure has little effect on cooling efficiency of the fan, but with the wind pressure increasing，the efficiency will decrease. (4) the refrigeration output of chilling plate is a maximum, the temperature inside the box there has a minimum value，the current at this time is the best current. Three set of best current in this article is all in the near 2.6A. Article content provides a theoretical basis for studying on the heat sink roles on thermoelectric refrigerator in the future.

Keywords:

Radiator；Cooling capacity；Aluminium corrugated；The best current；Refrigeration performance；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1热电制冷技术的原理 1

1.2热电制冷技术的背景 1

1.3热电制冷冰箱的散热方式 2

1.4热电制冷冰箱的散热器研究 3

1.5总结 4

第二章 基于铝波纹翅片散热器的热电制冷冰箱的实验 5

2.1 实验目的 5

2.2 实验装置及实验系统 5

2.2.1实验系统 5

2.2.2实验器件及设备 6

2.3 实验测点布置 9

2.4实验步骤 9

2.5实验结果与分析 11

2.5.1 温度场分析 11

2.5.2制冷性能 20

第三章 结论与展望 22

3.1结论 22

3.2展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第一章 绪论

1.1热电制冷技术的原理

1. 当载流子流过有不同结构的半导体材料时，在接触端吸收或放出能量，把电能转化为热能，保持器件两头存在一定温差，便可以产生温差电动势，把热能转化为电能^[1,2]。

1.2热电制冷技术的背景

1. 上世纪50到60年代, 在热能和电能之间相互转化,尤其是在热电制冷方面的要求,得以让热电材料快速发展。自从70年代之后, 因为氟里昂制冷技术的发展, 使得热电制冷技术与热电材料的发展被冷落, 并且基本陷入了停顿状态。90年代之后,氟里昂对于环境的破坏已经开始被人们所认识, 发明出没有污染、没有噪声的制冷剂已经成为制冷技术追求的新目标。于此同时, 伴随着计算机技术、航天技术、超导技术和微电子技术的发展, 这些技术迫切得需要小型、静态制冷的而且可以固定安装的较长寿命的制冷装置。因此, 适用于这种装置的热电材料也重新开始引起人们的浓厚兴趣。热电制冷材料的研究也因此重新成为了国际材料研究领域最热门课题之一,而且取得了十分重要的进展, 美国、日本以及欧洲等国家也都投入了大量的资金与人力来发展基础和应用研究。
2. 尤其是这几年, 国际有关热电材料的研究十分火热。美国主要在军事、航天和高科技领域等进行了应用,日本则是在废热利用方面等的研究居于世界领先地位, 而欧盟着重于在小功率的电源、传感器和运用纳米技术方面等进行产品开发^[3]。
3. 当然，热电制冷技术在这50年以来的发展很是迅速，但是仍然存在制冷系数(COP)较低、单位制冷量成本很高等缺点，尤其是在大功率应用中无法和传统的压缩制冷在经济方面竞争^[4,5]。
4. 现有的热电器件的研制和使用都是在上个世纪50年代开始的，而我国开始稍晚，在60年代末出产了性能较好的半导体制冷器件。大多用于军事方面，大到核潜艇里的空调，小到夜视系统中的红外探测器的冷却。这类器件的制冷功率密度一般来说不会超过15w/c㎡，工作电压不会超过20V，是低电压的大电流器件。一般的制作方法是把P型和N型半导体制冷元件通过焊接和连接片串联起来，按热流流向并联排列，就构成了热电器件^[6]。

1.3热电制冷冰箱的散热方式

1. 热电制冷冰箱散热的方法一般有天然风冷、强制风冷、水冷、相变换热等。其中根据Shatikian等^[7]的分类，相变材料一般来说主要包括有机物、无机物和含水盐三类。常见石蜡基本都属于有机相变材料，大都具有高潜热、价格低、温度及化学性质稳定、无毒等优点，是电子器件的被动冷却系统中较为理想的相变材料。而将石蜡应用在体积和功率都较小的电子器件中的冷却系统已取得了很好的温控效果^[7~9]。许多学者已在相关方面进行了研究，其主要的思想是在相变材料中添加上高导热系数的添加物，现在所采用的方法主要包括在石蜡中添加石墨、翅片等^[7,10~13]材料。
2. 1）它们中的铝制散热器的型材加工相对容易,可通过挤压成型为各种式样的管形,这种散热器的重量很,金属的耗量也(这种金属热强度可达2. 0～3. 0W /kg·℃),具有节能节材等特点。但铝制散热器的致命的弱点是它的碱腐蚀很是严重。有关的研究表明,无内防腐处理的铝合金散热器的适用水质的pH值为5. 0～8. 5,然普通的钢制锅炉水质却要求pH值为10～12。
3. 铝制散热器最可靠的做法是要解决它的防腐问题,一般可以采用铜铝复合材质。铝制的散热器不管是否其采用内防腐处理,都该解决接管口与钢管的连接问题,这个问题可使用塑料接头或使用其他办法解决。现在铝制散热器防腐蚀技术已取得了突破性的进展,防腐材料及涂装工艺技术在短期工程实用中,体现出良好的抗腐蚀能力。相信伴随着科研水平的提高及实践经验的积累,我国能够在散热器的内防腐技术方面得到很大的进展^[14]。如果铝散热器的腐蚀问题可以被解决，必然可以得到较大的发展，现在腐蚀的问题正是制约钢制散热器发展的关键问题^[15]。
4. 2）液体冷却散热器是一种新型的散热器，它把热源的热量通过冷头传递给循环工质，在泵驱动下，其中的工质可以在管路中流动，并且将携带热量由散热器和热电制冷器散出之后，流回到冷头从而完成散热循环^[16]。
5. 3）热管散热器可以利用热管取代老式的散热器中的金属传热介质，与其他散热器相比，它在散热方面有很大的优势，很多学者已对此展开了研究^[17]。Naumann设计出了一个优化圆锥翅片热管散热器的翅片形状的算法并且已经用测试模型进行了测试。何恒飞^[18]设计了一个基于高性能微热管传热技术的平行翅片换热结构，制作出了样品并进行了实验研究。与传统的制冷方式相比，半导体制冷具有以下优点^[19,20]：（1）无机械运动部件，结构简单，无磨损、寿命长，无噪声，可用在需要噤声或对噪音要求比较高的场合。（2）不需要制冷剂，没有有害物质排放，环保无污染。（3）半导体制冷片热惯性小，制冷迅速,是其它的制冷方式没法比的。（4）体积小、重量轻，德国Micropelt公司的半导体制冷器表面积可制成只有1个平方毫米大小，在使用布置时不受体积重量的影响，可冷却特定的电子元件。（5）单个的半导体元件功率较小，但是可以几个叠加来使用，组成不同的功率制冷系统。（6）可通过控制电流的大小，控制半导体功率的输入，可满足不同的制冷要求，操作简单方便。（7）通过改变电流方向的方法，可以实现制冷与制热的相互转换。（8）在超重或失重，水平、垂直或与地面成任何角度，都能正常工作。半导体制冷的诸多优点，符合绿色环保和节能要求，具有良好的发展前景。

1.4热电制冷冰箱的散热器研究

1. 结构尺寸研究:因为热电制冷堆在物理结构上确定后，它的实际制冷量和制冷效率都是取决于制冷堆冷热两端的温度差，温差越小，那么制冷效率就越高^[21]，因此散热器的设计目标为：在材料的用量相等的情况下，从制冷效率角度考虑，使得散热端的温度最低或在不超过原热端的最高温度的情况下，从节约的角度考虑，使得散热器用材尽量最少。^[22]
2. 另外徐昌贵等人利用Ansys软件建立了半导体制冷箱的三维模型，对半导体制冷片的个数及在箱体中的位置进行了仿真和优化，结果表明:当半导体制冷箱的体积为 10L时，3 个型号为TEC1-12706的半导体制冷片，布置在箱体顶端，箱内温度可达到0-5℃满足冷藏要求^[23]。毛佳妮等人采用了数值分析与解析求解结合的方法，综合得讨论了在稳态条件下制冷端端传冷和散热端散热对于制冷性能的影响^[24]。代伟则是通过对半导体制冷元件的传热分析，建立出了半导体制冷性能与散热端散热强度的微分方程，并且还通过计算求出了半导体制冷性能与散热端散热强度的关系曲线，通过曲线得出散热端散热强度增加，半导体制冷的性能会提高，但是半导体制冷片的性能并不是无限地增加，最终会稳定在某个值^[25]。张晓芳、张奕等人通过实验及计算，分析了水冷式散热方式对半导体冷藏箱的影响，结果表明水冷式散热效果要明显优于传统风冷，并且研究出了制冷性能和散热端冷却水之间的关系，结果表明：冷却水温度降低，而制冷量在增加，冷藏箱内得温度下降^[26,27]。水冷散热则是在半导体制冷片的热端加上一个冷却水箱，通过水循环，利用自然风冷把半导体制冷片所产生的热量尽量散发到周围环境中，水冷散热的效果是自然对流散热效果的近 100 倍^[28]。蒋新强、杜群贵等人则是利用流体力学软件Fluent,在强制风冷的条件下对于半导体制冷片的散热器进行了数值模拟，根据它的温度场和流场，分析出了散热器的尺寸和风扇的风速对传热性能的影响，结果显示合理的选择散热器结构尺寸，其热阻可以减少 3.6%^[29]。王衍金、罗清海等人则利用 Ansys 软件，采用了仿真分析方法，分析出了冷热端传热对半导体制冷片性能的影响，分析得出能够合理地选择制冷散热两端的散热方式和散热强度可有效地提高半导体制冷片的制冷性能，然而提高热端的散热效果要比提高制冷端的散热量，效果更加明显^[30]。王莹等人是针对的水冷散热、强制风冷散热、热管散热、热管加强制风冷散热四种散热方式进行了实验研究，得出水冷散热效果在这四种散热方式中最好，但是使用时要加额外的水循环系统，热管的散热效率高，则在同样散热量下的散热面积小。

1.5总结

1. 本文开始介绍了热电制冷技术的原理和背景，之后介绍了翅片散热器对制冷冰箱的作用，并且介绍了各种半导体制冷的散热方式。最后通过一些文献的实验研究以及数字的仿真模拟计算从几个方面讲了散热器的研究现状。本文课题是基于铝波纹翅片散热器的热电制冷冰箱的实验研究，可以通过该课题与热管散热器实验数据、铝翅片散热器实验数据进行对比，从而验证哪种散热器在其他条件相同下器制冷量较高，同时也能从试验中看出影响制冷冰箱制冷量的几个因素，从而多方面考虑其在制冷冰箱行业的应用前景。

第二章 基于铝波纹翅片散热器的热电制冷冰箱的实验

2.1 实验目的

1. 通过固定输入制冷片的的电流强度并改变风机电压的方式，来分析同种散热器的情况下不同风扇功率对于热电制冷冰箱制冷性能的影响。
2. 通过固定风扇的工作电压并改变制冷片输入端电流强度的方式，来分析不同电流强度对于热电制冷冰箱制冷性能的影响。

2.2 实验装置及实验系统

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