冷/热端散热对半导体冷藏箱性能的影响

研究了水冷式半导体冷藏箱冷端和热端传热对冷藏箱性能的影响.通过试验及计算,分析了冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系.冷端传热强化后,冷藏箱的耗电量几乎不变,制冷量和制冷系数增加,制冷温度及热端、冷端温度差降低,制冷性能上升.热端冷却水温度降低,耗电量、制冷量及制冷系数增加,制冷温度降低,半导体的热端、冷端温度差减小,运行性能提高.研究结果可为通过改善半导体冷端和热端传热提高半导体冷藏箱的性能提供试验和理论依据.     

半导体冷藏箱热端最佳散热方式的实验研究

从提高半导体冷藏箱制冷效率入手,通过对小型半导体蓄冷箱热端散热情况分析,建立了热端散热实验系统.分别对风冷散热、热管散热、热管与风冷组合散热三种散热方式进行了综合实验研究.分析其散热方式的特点及优势,研究在不同散热方式下冷藏箱制冷性能,找出使冷藏箱整体运行效率达到最优的散热方案,对今后半导体冷藏箱热端散热的进一步优化起到了重要的推动作用.     

基于ANSYS Workbench软件的半导体制冷器性能模拟研究

利用ANSYS Workbench数值模拟软件研究了输入电压、热端温度、半导体单元属性、半导体电偶臂及级间绝缘材料属性等因素对二级半导体制冷器冷端温度、冷端冷量及制冷系数等性能的影响.研究表明:在一定范围内,保持半导体制冷器热端温度不变,冷端温度随着输入电压的增大而递减;保持输入电压不变,冷端温度随着热端温度的升高而递增;保持输入电压和热端温度不变,冷端冷量随着冷端温度的升高而递增;在冷端温度、热端温度一定时,制冷系数ε随着输入电压的增大而迅速减小;半导体单元高度的增加和单元间距的减小都可以使冷端达到更低温度;随着半导体电偶臂及级间绝缘材料属性即热导率、高度的增加,冷端温度均呈递增趋势.模拟结果与实验数据对比显示,两者具有较好的吻合性.     

不同热端温度对低温热电制冷试验箱制冷性能的影响

为优化低温热电制冷试验箱的制冷效率及降低其冷热端温差,理论计算了热电制冷片热端温度为56.18℃和27.31℃时电流、电压、冷热端温差对试验箱制冷性能的影响。建立了三维数学传热模型,模拟了3种热电制冷片布置方式对制冷箱温度分布的影响。结果表明：当热端温度由56.18℃降至27.31℃时,低温热电制冷试验箱的制冷量由150.2 W降至139.5 W,制冷系数由4.41降至3.09,冷凝温度由-22.30℃降至-41.90℃。可见,热电制冷片热端温度的降低能够获得更低的冷凝温度,较高的热端温度拥有较好的制冷性能。     

进气温度及冷流率对涡流管制冷性能的影响

采用基于实际生产应用的涡流管模型，以空气为介质，模拟分析了不同进气温度和冷流率对涡流管制冷性能的影响，结果表明：冷流率一定时，涡流管的冷端出口温度、热端出口温度、制冷温度效应及单位制冷量均随进气温度的升高而增大，而制冷效率基本不受温度影响；在相同进气温度下，涡流管的制冷温度效应、单位制冷量及制冷效率都随冷流率的增大呈先增大后减小的趋势；存在一个最佳冷流率范围使得制冷温度效应、单位制冷量、制冷效率最大，但它们各自的最佳冷流率范围不同。     

半导体制冷技术的研究现状及发展方向

半导体制冷技术是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术.通过阅读大量文献,从热电材料、结构设计、冷热端散热方式3个方面对半导体制冷技术近年来的研究热点和成就进行了总结和论述,并指出了半导体制冷技术的发展方向.热电材料决定了优值系数Z,可以从根本上提高材料的制冷性能,但研究难度较大,发展缓慢;优化结构设计可以有效地提高制冷单元的实际性能系数,重点在于优化尺寸因子G和热电阻,缺点是实际加工工艺复杂;减小热电偶冷热端的温差有利于提高制冷量,可以大幅提高制冷系数,有效的散热方式是提高半导体制冷效率的重要因素.     

热电制冷过程中散热强度对制冷参数的影响分析

对热电制冷电偶对进行传热分析，得到了热电制冷性能与热端散热强度之间的微分方程，在第三类边界条件下进行求解可得到热电制冷性能与热端散热强度之间的解析关系式，经过对其进行数值计算和求解，得出了散热强度对热电制冷性能影响的曲线，由此得出：随着散热强度的不断增强，热电制冷的性能逐渐提高，当热端散热强度增加到一定值后，散热强度的增加对制冷性能的影响就趋于缓慢，从经济性考虑，热电制冷中存在最佳热散热强度，不可能无限制地通过提高热端散热强度来改变热电制冷的制冷性能，所以，在实际应用中应合理优化设计和改进热端散热系统。     

强化热端换热对涡流管性能影响

涡流管内部能量分离导致的外层高温流体与内层低温流体的热量交换,影响了制冷效果.为此,基于对流传热原理,设计了一种强制冷却的涡流管结构,在涡流管的热端外加冷却水腔,通入循环水对涡流管外壁进行冷却.通过实验和数值模拟的方式,研究不同结构参数和操作参数下,冷却热端外壁面对涡流管制冷性能的影响.结果表明:与传统涡流管相比,强制冷却能够削弱外层热气对回流冷气的影响,提高涡流管的制冷性能.阿基米德螺线型喷嘴较直线型喷嘴的提升更明显,最大单位制冷量达到12.53 kJ/kg.在压比为2、3和4的条件下,强制冷却涡流管的制冷性能均有提升.强制冷却涡流管的单位制冷量随热端管长径比的增加而升高,等熵效率最高可以达到34.1％.     

新型无溶液泵氨水吸收式制冷空调系统及其性能分析

介绍了一种新型无溶液泵和精馏装置的氨水吸收式制冷空调系统,确定了系统在空调工况运行的基本参数,并针对该系统定义了一个新参数,即发生器溶液存留系数然后对系统热力性能进行了计算分析.分析结果表明:在设定制冷量为1.5 kW时,系统的性能系数可达0.28;当溶液存留系数由0增加到3时,系统性能系数较初始值降低60%,溶液存留系数对系统性能系数影响显著;冷剂含水率增加使系统性能系数和制冷量迅速线性递减,当冷剂含水率增加到0.14时,系统丧失制冷能力;蒸发温度降低或冷凝温度升高都会降低系统的性能系数,二者的影响较为平缓.针对各参数的影响初步探讨了提高系统性能系数的措施.     

小型水冷半导体制冷箱的初步设计

基于半导体制冷原理,在半导体热电堆的最优工况下,选择最佳散热方式水冷散热,对小型半导体制冷箱进行设计.使其在最优工况下工作,即可获得较大的制冷量,又可消耗较小的功率,从而降低其功率及成本,使综合效益达到最优状态,从而提高了半导体制冷箱的制冷性能.     

密闭空间串联式两级热电制冷器瞬态特性分析

综合考虑包括汤姆孙效应在内的热电材料内部效应,建立工作在绝热表面空间内和非绝热表面空间内的串联式两级热电制冷器计算模型,通过分析冷热端温度、级间温差等参数的瞬态变化对两级热电制冷器性能的影响,得到了制冷空间温度、制冷量、制冷系数等性能参数随时间的变化规律. 分别改变输入电流、热电偶数量和热电偶分配比,对比分析了2种模型的最低制冷温度、降至稳定温度耗时、制冷量和制冷系数的变化规律. 结果表明,与相同条件的单级热电制冷器相比,两级热电制冷器降温所需时间较长但可达到更低的制冷温度;适当增大电流可以有效减少制冷耗时,且存在最佳电流、最佳热电偶数量和最佳热电偶分配比,分别使制冷空间温度最低,制冷器制冷系数最大.     

散热方式影响半导体制冷效率的实验研究

通过几种散热方式对半导体制冷元件热端散热效果的比较,证明了可通过改善传热条件来提高半导体的制冷效率。     

空冷式多级热电制冷器性能综合分析

多级热电制冷器可提供更大的制冷温差,但制冷经济性能随级数增大而迅速降低.综合考虑热电材料各种内部效应与外部传热不可逆性,建立了空冷式多级热电制冷器的有限时间热力学模型,给出了制冷量和制冷系数的计算方法.为全面描述和分析多级热电制冷器性能,引入热力学完善度指标,并提出协调性能系数性能评价指标,分析了制冷器工作电流、热电臂横截面积与制冷温差对制冷量、制冷系数、热力学完善度和协调性能系数的影响.结果表明：当制冷温差为87℃时,电流分别为2.55 A和1.30 A时,热电臂横截面积分别为2.2 mm²和3.0 mm²时,制冷量和制冷系数分别达到最大值.综合考虑制冷能力与经济性,当电流为1.75 A时,可获得制冷量、耗功与制冷系数的最佳协调性能.     

圆孔翅片管积霜工况下的制冷性能实验

实验研究证实,圆孔翅片管在无霜工况下的传热性能远优于平翅片管,但积霜工况下的传热与制冷性能是否优越没有得到实验验证.利用冰箱制冷系统,分别采用圆孔-半圆孔交叉翅片、圆孔翅片以及平翅片管式换热器,进行积霜工况下的传热和制冷性能对比性实验研究.考察了积霜过程对圆孔孔径大小的影响;分析比较了3种不同片型的有效制冷量、传热系数和实际制冷系数;比较了强化翅片的节能效果;采用有限元法求解出翅片效率,并分离求出实际对流换热系数,从而揭示了翅片表面的实际换热情况.结果表明:与平翅片相比,当最窄截面风速为0.5 m/s时,积霜工况下,圆孔翅片的传热系数平均提高了11.53%;对流换热系数平均提高了18.84%;实际制冷系数平均提高了6.83%;有效制冷量平均提高了6.02%;节省电能6.39%.圆孔翅片是3种片型中的最优片型.     

热电热泵在非设计工况条件下的性能分析

采用直流电源模拟太阳能电池板输出不稳定电压驱动热电热泵工作,通过实验测试研究了在连续长时间工作、电压跳跃变化和极限电压工况下,热电热泵冷端温度T c、热端温度T h、冷热端温差T d的变化对其制冷/制热的性能系数(COP)的影响。结果表明,在适宜的电压范围内,热电热泵的制冷速度快、工作性能稳定且能够长时间连续工作,而制热效果明显优于制冷效果,制热效率(E h)平均高于制冷效率(E c)约0.8;热电热泵的最佳工作电压区间为2~4 V,此时的冷端温度低、制冷量大、COP值在理想范围(E c=0.87~1.89,E h=1.75~2.75);随着工作电压增高,热电热泵的冷热端温差增大,COP值减小,当电压大于8V后,冷热端温差大于45℃,COP值降至最小,工作性能较差。     

复杂传热规律下热声制冷机最优性能

建立了复杂传热规律下广义不可逆热声制冷机的循环模型,运用有限时间热力学方法导出了存在热阻、热漏和其他内不可逆性时,传热指数为复数的热声制冷机制冷率与制冷系数的解析式,分析了传热指数中实部和虚部对热声制冷机最优性能的影响,通过数值计算对不同损失和不同传热规律情况下的热声制冷机最佳制冷系数和制冷率的变化规律进行了比较分析.     

不可逆回热式磁Brayton循环制冷性能的理论及数值研究

基于统计理论推导的铁磁材料的磁热参数,建立了不可逆回热式磁Brayton循环数学模型.对于顺磁材料作工质的情形,获得了循环放热量QH、制冷量QC、回热量及性能系数δCOP的表达式的解析解.以铁磁材料钆作工质为例,数值研究了循环室温区的制冷性能,考察了归一化温度α、回热不平衡量QR及磁化过程不可逆度η对循环有效制冷量Qeff,C及δCOP的影响,并获得了不同外部磁场H1条件下循环最大温跨δT,max.数值结果显示:Qeff,C随α的增加而增加;当α≥0.6或QR≥0时,循环均能获得良好的制冷性能;磁化过程的不可逆因素会使得δCOP迅速下降.     

半导体制冷保温容器制冷性能的实验研究

研制一种主要用于血液保存的半导体制冷保温容器的制冷系统.通过对其不同工作电压、环境温度及外部散热等条件制冷性能的研究,找出了影响半导体制冷性能的主要因素.确定了该制冷保温容器在不同环境温度下的最佳工作电压为12 V、最佳工作电流为4.5~4.8 A.并认定存在最佳热端散热强度等.另外,通过实验得出了在不同环境温度下,工作在最佳工作参数条件时制冷器内部所能达到的最低温度.     

半导体制冷效率及空间冷量传递特性试验研究

半导体制冷效率的大小取决于热电堆冷热端的温差,而强化热端的散热与强化冷端的冷量散发有利于降低热电堆冷热端的温差,从而提高半导体的制冷效率。本文探讨了由半导体冷端提供准量进行制冷的空间温度在自然对流和强制对流状态下随时间变化的规律。结果表明强制对流有助于冷量的传递和制冷效率的提高。     

自复叠制冷循环双温冰箱设计的理论研究

为了给冰箱提供不同的闻室温度来满足储存要求,将采用非共沸混合制冷剂的自复叠制冷循环应用于双温冰箱系统,研究了两间室蒸发器出口温度、冷凝器出口温度、冷藏室与冷冻室制冷量比例及冷凝蒸发器高压侧出口过冷度的变化对冰箱系统优化设计的影响.结果表明:系统性能系数随着冷藏室和冷冻室蒸发器出口温度的降低、冷凝器出口温度的升高而减小;提高两间室制冷量的比例可增大性能系数,但压缩机耗功和压力比也同时增大;增大冷凝蒸发器高压端出口侧制冷剂的过冷度可以减小压缩机耗功,提高系统性能系数.研究结果对于自复叠双温冰箱的实际推广提供了参考.