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摘 要

半导体制冷技术利用热电效应进行制冷,它不需要消耗制冷剂,也没有复杂的机械部件和管路系统。作为一种对环境友好的新型制冷技术,有着传统的制冷方式无法相比的优势。本课题主要是对1kW半导体制冷进行设计，半导体制冷片热侧散热器采用板翅式热交换器散热，散热介质为空气；冷侧采用蓄冷板。给定的设计工况条件：热负荷为1kW, 冷流体进口温度为25度，被冷却物体平均温度为5度；本文计算了CP2-12706单级热电堆在任意工况、最佳COP以及最大制冷量这三种工况下的制冷量，COP，冷热端的温度，通过的电流以及冷却1kW所需的半导体制冷片数等。本课题通过计算得到适用于单级热电堆的热端散热器结构尺寸，根据计算结果利用Auto CAD绘制了一个单级热电制冷器结构装配图，并说明了制冷负荷为1kW是所需半导体制冷片的连接方式，以及冷负荷为1kW采用半导体制冷方式的冰箱设计。

关键词：热电制冷、半导体冰箱、最大COP、最大制冷量

Design of 1kW thermoelectric cooler

Abstract

Thermoelectric cooler technology uses thermoelectric effects for refrigeration without the need to consume refrigerant or complex mechanical equipment and piping systems. As an environmentally friendly new refrigeration technology, it has the advantage that traditional refrigeration methods can't match. This topic is mainly for the design of 1kW semiconductor refrigeration. Pate-fin heat exchanger is used as of the semiconductor refrigeration chip to dissipate heat, and the cold storage plate air is cooling fluid. Bused as the cold are given as conditions: heat load is 1 kW, cold fluid inlet temperature is 25℃, and the average temperature of the cooled is 5℃; CP2-12706 single-stage thermopile is used to calculate in all working condition, including the given current condition optimal COP and maximum cooling capacity conditions, COP, the temperature of the hot and cold side, the current passed, and the number of semiconductor cooling sheets for thermoelectric 1 kW under these three condition are calculated. According to the calculation results, a single-stage thermoelectric cooler structure assembly drawing is drawn by Auto CAD, and the connection method for thermoelectric cooler under 1 kW is drawn as well. The thermoelectric refrigerator for 1kW is designed.

Keywords: thermoelectric cooling, Semiconductor refrigerator, maximum COP, maximum cooling capacity,

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 半导体制冷原理^[16] 1

1.3 半导体制冷的优点 2

1.4 发展历史及国内外的研究现状 2

1.4.1 发展历史 2

1.4.2 研究现状 3

1.5 本课题研究内容 4

第二章 半导体制冷设计数学模型 6

2.1 建立数学模型 6

2.2 板翅式热交换器的总传热系数的计算 7

2.3 半导体制冷系统设计计算 8

2.4 计算板翅式热交换器空气出口温度 11

2.5 计算流出板翅式热交换器空气温度 11

第三章 计算结果与分析 12

3.1 给出工况条件： 12

3.2 板翅式热交换器设计计算 12

3.3 半导体制冷设计计算 15

3.3.1选取半导体制冷片 15

3.3.2给定电流时半导体性能计算 16

3.3.3最大COP工况性能计算 17

3.3.4最大制冷量工况性能计算 19

3.4 冷负荷为1kW冰箱设计 21

3.4.2 设计步骤 21

3.4.3 迭代计算 21

3.4.4 冰箱用热交换器结构尺寸 23

3.5 绘图 25

3.5.1板式热交换器结构尺寸 25

3.5.2 冰箱尺寸 26

第四章 总结 27

参考文献 28

致谢 31

第一章 绪论

随着科学技术的发展，化石燃料的大量使用使大气和环境受到严重的污染，全球变暖，酸雨，光化学污染等对人们的健康带来很大的威胁^[1]。随着新型材料不断出现，热电制冷受到人们的关注。热电材料是新兴的一种材料，半导体制冷技术是在热电制冷材料基础上发展起来的一门新技术^[2]。半导体制冷由于其无运动部件从而受到广泛关注。由于半导体的塞贝克系数很大、电气导率良好、热导率差，所以半导体很好适应了热电制冷。实际应用中的半导体制冷设备也是由这种性能优良的材料构成的^[3]。热电制冷在医学、工业和生活中有很多应用。比如在汽车局部空调系统^[4]、小型恒温箱^[5]、新型半导体降温防护服^[6]、基于半导体制冷技术的端子箱智能除湿装置^[7]、CPU散热^[8]、医疗设备^[9]、临床医疗^[10]、维护多年冻土区地基热稳定性^[11]、冰箱^[12]、大功率LED灯^[13]、分析仪表^[14]、快速制冷恒温恒湿运输箱^[15]等广泛应用。尽管半导体熟练掌握半导体制冷设计以便为之后的性能提升做准备，这是十分必要的。

如图1所示将两种不同材料的半导体元件连接起来组成热电偶，通入直流电时，热电偶两接触面就会吸收或放出热量，一端温度下降从外界吸收热量，即为冷端，另一接触面正好相反，温度上升向外界放出热量，即为热端，一对热电偶即为一个热电单元。半导体制冷片是把若干个个热电单元串联在一条电路上，再把上下两端用两片陶瓷片封装，一面为冷端，一 面为热端，陶瓷片必须具有电绝缘性和良好的导热性。半导体制冷器的工作原理就是通过合适的散热方式使热端将制冷过程中产生的热量及时释放到环境中去；把冷端放到工作环境中去吸热降温。

图1 半导体制冷原理图

（1）结构简单，使用寿命长，稳定性好；

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