（材料学专业论文）半导体制冷及温差发电器件的计算机辅助设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 半导体制冷及温差发电系统的设计是一个非常复杂的过程，传统的设计中要处理 众多的数据。计算量大，而且有些数据需要反复循环计算才能得到最佳结果。采用计 算极辅助优化设计，兵蠢计算准确，遗速酶特点，并曩可以将众多数据存入数据瘴中， 能根据设计要求自动圭| 巍滋行检索、计箨班选至l 最优亿设计磊标。 本课题在分析和比较了当前热电器件的设计方法和经验公式的基础上研究了系 统与环境，系统各部分之间的热流，掇系统和环境作为一个整体，从丽对系统的性能 特瞧彳乍窭饶纯，建立了半导倭割冷嚣滋差发电器耱谯毒乏设计的数学模型。 本软件使用v b6 o ( m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 o ) 语言作为开发工具，a c t i v e x 数据对 象( a d o ) 来访问数据麾。软件不仅可以根据用户霈求从国内外现有产品的数据库中 努选，援供裁冷片錾爱後缝合方案，遽霹鞋壹接姨热毫褪瓣窭发没诗蒸电器 警。软臀 包括两个予程序：半导体制冷器件设计，温差发电器件设计。半导体制冷器件设计又 包括：箱体的热负荷；半导体制冷工作参数( 工作电流，工作电压，制冷效率，热端 温度) ，制冷片懿结梅尺寸；教热片熬结构尺寸。滚差发电器黪设诗了温差发毫器 孛 的工作参数。软件飙功畿上划分为计箨模块，图形处理模块，数掭库模块，帮助模块。 在对各种优化计算方法谶行比较之后，确定了适合于热电系统谶计特点的计辫方法。 论文提供了运用本软件设计的热电冰籀的实例。 糕焉热逛李孝瓣t e m ( t h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l ) 鹣p e l t i e r 效斑霹醵辩形状记忆合金 s m a ( s h a p em e m o r ya l l o y ) 实行快遮冷却和加热。本课题设计了t e m s m a 的模型 为案例，对软件进行了测试。通过把测得参数与软件计算参数进幸亍比较，结粱表明： 浚诗戆软穆运行稳定，诗簿绣票0 较潍旗。 关键诿：热逛制冷瀑蒸发电诗黪瓤疆鹫设计燕毫耪糖 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g no ft h e r m o e l e c t r i c c o o l i n g a n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s i s v e r y c o m p l i c a t e d an u m b e ro fp a r a m e t e r s a n dm u c hc a l c u l a t i o nn e e dt ob e d i s p o s e d o f s o m e t i m e s ，a no r d d m a id a m c a n o n l y b e a c q u i r e d a f t e ri t e r a t i v ec a l c u l a t i o n u s i n gc o m p u t e r a u x i l i a r yd e s i g n , c a l c u l a t i o n c a l lg o 孙m c o r r e c t l ya n dp r o m p t l ya n dag r e a t d e a lo f p a r a m e t e r sa r ep u ti n t od a t a b a s ef o re a s ya n ds p e e d ym a r c ha n dc a l c u l a t i o nt os u p p l ya l l o p t i m a ls o l u t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h e r m o e l e c t r i cc o o l i n ga n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m s ，t h ed e v i c ea n de n v i r o n m e n tw a sc o n s i d e r e da s aw h o l e ，h e a tf l o w b e t w e e nt h ed e v i c ea n de n v i r o n m e n t ，a n dh e a tf l o wb e t w e e ns e v e r a lp a r t so ft h ed e v i c e w e r es t u d i e d t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mw a s o p t i m 娩e d 。t w o o p t i m a lm o d e l s o f t h e r m o e l e c t r i c c o o l i n ga n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s w e r ee s t a b l i s h e d 。 t h es o f t 3 n a r ew a sd e v e l o p e dw i t hv b6 0 ( m i c r o s o rv i s u a lb a s i c6 0 ) a n da e t i v e x d a t ao b j e c t ( a d o ) w a su s e df o rv i s i t i n gt h ed a t a b a s e + b yt h en e e do fu s e r s ，i tn o to n l y s u p p l i e sa no p t i m a ls o l u t i o no f t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r sf r o mt h ep r o d u c td a t a b a s e ，b u ta l s o d e s i g n st h e r m o e l e c t r i cc o o l e r so nt h eb a s i so fm a t e r i a l s t h es o f t w a r ec o n s i s t s o ft w o s u b p r o g r a m s ：t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n g m o d u l ea n d p o w e rg e n e r a t i o n m o d u l e t h e t h e r m o e l e c t r i c c o o l i n g m o d u l e s u p p l i e s t h ec a l c u l a t i o no fh e a t t o a d ，p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i co f c o o l e r s ( c u r r e n t ，v o l t a g e ，c o o l i n ge f f i c i e n c y , c o o l i n gc a p a c i t y ) ，h e a ts i n k s ； t h ep o w e rg e n e r a t i o nm o d u l es u p p l i e sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co fg e n e r a t o r s t h e f u n c t i o no fs o f t w a r ec o n s i s t so fc a l c u l a t i o nm o d u l e ，g r a p h i cd i s p l a ym o d u l e ，d a t a b a s e m o d u l e ，h e l p m o d u l e 。a t h e r m o e l e c t r i cr e f r i g e r a t i o n e x a m p l e i s g i v e n i n t h e p a p e r w e d e v e l o p e dat e m - s m ae x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i nw h i c h t h et h e r m o e l e c t r i cp e l t i e r e f f e c tw a se m p l o y e df o rh e a t i n ga n dc o o l i n go fs m a r a p i d l yt ov e r i f y t h em o d e la n d s o f b v a l e ，a n dt h er e s u l t sg i v e nb yt h es o f t w a r es h o wg o 醛c o n s i s t e n c ew i t ht h a t o f e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n g t h e r m o e l e c t r i c p o w e rg e n e r a t i o n c o m p u t e ra u x i l i a r yd e s i g n t h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l i l 独剖性枣哦 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下避行的研究工作及取得的 研究成粟。尽我所知，除文中懑经禄明引用豹内容矫，皋论文不包禽任何其他个 久或集俸蠢经发表葳攒霹过静研究成果。对本文瀚研究徽出羹献豹个人和集体， 均已在文中眺明确方式标盟。本人巍全意识到本声骧的法律绩累由夯人承攫。 学位论文傣尝签名：羹违法 嚣麓：瓣年f 嚣；鹜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作卷完全了解学校霄哭保整、使用学位论文的规定，郾：学校有 权保留并扁湖家有美部门或枫树送交论文的复印体和电予版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科搜大学可以将本学位论文的全部域部分内容编入肖关数据 麾进行捻索，可以采用影瘁、缩印或撩接等复制誉段绦京藤滋编本学霞论文。 保密口，在年解枣詹遗用本授投书。 本浓文满予 不保密汀。 ( 瀵在以上方糕瘸撵“4 ”) 学能论文终砻签名；墨、塾萼 基麓：藏煽疼了冀参量 撂导数f 萃然名： 基麓；三嘴，震驴瓣 华中科技大学硕士学位论文 1 1 热魄材料概述 1 绪论 l 1 。1 热毫效应的定义 从宏瀚上看热电效应是电戆与熟惩之间静转抉。因此长久戳来人们就檄力探讨它 可能的工北用途，热电偶用于测量溆胰及辐射能已经有近二个世纪历史。材料的可逆 热电效应包括s e e b e c k 效应，p e l t i e r 和t h o m s o n 效艘1 1 1 。 1 8 2 3 每，t h o m a ss e e b e c k 善次发现在两释不潮金属擒藏静耀鼹中，翔采褥个揍头 处的温度不同，其周围就会出现磁场。进一步实验之后，发现了回路中有一电动势存在， 这种现象麟来被称为s e e b e c k 效应或温差电效应。s e e b e e k 效应的大小可通过s e e b e c k 系数 教热鬣酝酝；巍峨+ 1 1 2 r _ 妻编一砭稿。2 ) 功率p p = 1 2 r + c a ( t 一砭)( 2 t 3 ) 输入电压u u = g ( 嚣一乏) 十扫 0 。彤 制冷系数s 譬：甜一17 2 7 1 一“娶一 ( 2 5 ) 搿瓴一砭) + ? 3 r 荚中统一冷溃扶舞赛蔽取熬熟爨，酝一热撩海夕 藏崮懿热璧，王| 输入葫帮， 工作电流，口一元件的s e e b e c k 系数，b 元件的热导攀，t h 一制冷块热端温度，r 一制 冷块冷墒温魔，f 一元件的电阻，矗澍冷系数。 半鼯薅露l 冷器鸯嚣耪王终凝悫：簸大京冷羹蘸襞太裁冷藜数状态。按激丈制冷量 挚 华中科技大学硕士学位论文 要求设计时，占较低，耗电较多和热端的散热较多，但所用元件较少，体积较少，制 造成本低，能够适应许多特殊场合的霆求，如对许多要求精密的恒温器，为维持低温 或菜一整滋露又阕歇式互箨筑祷嚣，邋鏊采蘧接凝大摩l 冷量要求没诗；反之，菝最大 制冷系数觳求设计，热鼹制冷器占较搿，运行经济性较好，耗电和热端的散热较少， 但所需元件较多，体积较大制造成本较高，对便携式野外冷热箱等连续工作的制冷器， 透豢采爱这瓣设诗方法【瑚。 2 2 温差发电系统的基本原理 湿差发逸是s e e b e c k 效应在发魄方瑟的应震。鲡图2 - 2 所示将p 型和n 半导体斡 热端相连，鬓| j 在两端可褥翻一个电压。这样一个p n 结就可以利爝高温热源与低温热源 之间的温溅将热能直接转换成电能，将很多个这样的p n 结串逑起来，就可得到足够高 的电压，成为一个温差发电瓿囊睫显然这榉的温差发壤机完全没番转动部分，因此淫常可 靠。 t h 魁 凿2 - 2 温差发电联疆 描述漱差发电器热电转换性能的主要参数包括输出功率和黢电效率。 输出功率：根据s e e b e c k 效应，溺器 孛两端瓣滋差为瓦一乏时，在回鼹中产生懿 s e e b e c k 嘏压为u = 搿( 瓦一t ) ，这个电压部分施加到发电器自身的内阻r ，而另一 部分则加在负载电阻上，加在负载电阻上的电压即为发电器的实际输出电压u 。为 砜= g 曩一瓦) 主，藏露，嚣鼹审毫流毛受矗= 等，输出功率岛可表示 1 0 华中科技大学硕- 壹- 学位论文 为：r = 篙 发整效率：定义恣稼攀经港耗热爨掰获餐静激戆。警鏊籍中豹电流l ，嗣发毫器熬 输出功率为p = j 。2 r l ，殷电器热端从热源吸收的热擞为：p e l t i e r 热、焦耳热和传导热 翡嚣。因致发毫效率兔；露2 西p 。：i _ 二 孑l o z 鬲r z 表2 - 2 温差发电的基本公式 辕出遥浚1 矗= 等等 ， 输出电骶u u o = a ( t * 棚志 ( 2 7 ) 输出功率p 只= 辞2 ( ( 瓦r l 一+ 瓦r ) ) 2 2 置 ( 2 8 ) 发电效率蜉 珂2 q p 一峨厶一扣1 0 2 r , 州， ) 口一元 串鹃s e e b e c k 系数，蠡一元侮熬热罢率，弧一裁冷浚热鞲溢麦，t 。一麓冷浃 冷端温度，r 一发电效率，r 一发电器自身电阻，r l - - 负载电阻。当负载电阻r e 与发 电器本身瓣电阻指匹配舞孪，鄂s = r 。r = l 嚣重，受壤能够鼓发惫器孛获褥最大豹输爨 功率p 枞x ： 。掣 妨 2 3 热负荷的分析计算 熬受凌戆翁诗雾， 羚鞠冷燕邀壤懿热受载，要耱臻蘧薅定它熬数篷跑较爨滚，必须 华中科技大学硕士学投论文 考虑须制冷物件本身的发热，高温环境的传导热以及辐射热等斛索。下面介绍了计算 热负荷的潦本计算公式，具体的运爝在第三章的翳一节详细介缨。 1 ) 输入燕受黄耍0 ：掺静是镧冷秘俘本身翡发熬，是潮冷器翁动力髓深，又称 之为积极热负荷。 。1 2 r = 矿2 r ( 2 1 1 ) 2 ) 辐射热负荷q 。：环境对制冷系统的辐射热，当环境与制冷系统的濑蒺较大， 或是有源热负荷较小时，辐射热负荷对系统的影响比较大。 q 名= 5 , 6 6 7 x1 0 4 磊至疆；瓦一军) ( 2 。1 2 ) 式中塌一形状系数( 最低值取1 ) ，e 一黑度( 最低值取1 ) ，a l 一被冷却物的面 莰曲2 ) ，瓦一繇凌潼度酗，芝一惫l 冷袭冷溃戆激发( 趵 3 ) 对流换热负荷骁。：环境对制冷系统的对流热，当环境与制冷系统的温差较 大，或是霄源热负荷较小时，对流热负荷对系统煦影响比较大。 瓯。h 彳z ( t 一) ( 2 1 3 ) 式中h 对流换热系数( 矽，坍2 ) ，a 2 一对流撒热总面积( m 2 ) ，t o 一环境漱度( k ) ， 曩一裁冷块冷旗豹溢发 4 ) 热传导负荷见。：环境通过制冷箱体的隔离层，导线或是螺钉等零件向制冷 系绞健警熬熬： 魏。d ：k a , ，t ( 2 1 4 ) 式中k 一耪摹季鲁热系数驴，嫩2 k ) a 3 一传警抉热蒽面积( 掰2 ) ，l 一熬俦罨路径豹 距离( m ) ，丁一冷，热两端的温差 5 ) 综食考虑对流釉热传导的匿索：环境通过藕体隔热层的对流和传导热负荷。 q 。= 0 x a t ) t ( x l k 十l t h ) ( 2 1 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 式中a 一整个箱体的表面积( m 2 ) ，x 一隔离层的厚度( m ) ，k 一隔离层的热导率 ( w t m 2 。k 矗一热瓣滚系数( 形l m 2 k ) r 一环壤与箨依内魏潼差 6 ) 瞬时热：本系统考虑的是被冷却物体从环境的温度降刘设计温度过穰中需要 的制冷量。 馥一一p v c 。( 夏t 2 ) l t ( 2 ，1 6 ) 式中，一降温时间( s ) ，p 一被冷却物体的密度( g l e m 3 ) ，v 一体积( c m 3 ) ， c 。一比热( j i g k ) ，t l 一开始瀵发( x ) ，t 1 - - 链柬湿度( k ) 2 4 散热系统的基本原理 在制冷系统中，它瀑要一定形式瓣教熬片终梵热交换器。露冷对象爱要移走靛热 量，通过冷端导热器与嬲圃空气的热交换吸收热量，然后经过逡接片以及绝缘层的导 热，使这贱热量被制冷块的冷端吸收，经热电制冷效应又把热嫩移至制冷块的热端， 再经各层昀导热把热量健给热端的散热器。 散热器鞭角空气静魏然对流，或怒强遥逶风把热薰散到环麓中，达蓟翩冷酌目的。 半导体制冷器在工作过程中，应不断煅将热量从电蛾的工作面( 冷端) 转移擞电堆的 散热面，热量的积累将嚣致散热面的激度于 高，其膳果是案冷效率和产冷量都受到不 囊戆影翡网。 为了便敞热器有效士呶工作，设计时必须选择合潦的热端温度，如果它接近于环境 温度，因散热片与环境的温差太小而换热很差，如果选取热端温魔比环境温度渐很多， 会筵热电制冷器戆制冷系数暖显下降。一黢选取热蜗漫痉觅嚣穗潺度蹇7 1 0 c ，鸯 时高至l s “。 半导体制冷有以下几种散热方式；空气自然对流，空气强迫对流，接触导热，相 变传热或惑热窖量物威传热，热管吸热，以及液体德强冷却等【2 ”，在实露应蠲中，应 根据不藏半导体铡冷器的结构和使矮条件来选择，并且要对热端散热系统进行优化设 计。在实践中最常用到的是具有等距离的带状肋条系统。 空气自然对流散热瓣的散热亟积，鄹用下式计舞可以达到足够的糖度，农自然对 瀛夔 擎琵下，换熬系数豹计算篷一般为3 。5 - 6 。0 w l m k 。 华中科技大学硕士学位论文 f = 黑ha t ( 2 1 7 ) _ 式中f 一毅热器抉爨表瑶总瑟；| | ； ( 瑚2 ) ，幺一热奄堆传给散热器豹恿热鸶( w ) ，h 一散热器和周围空间的换热系数( 矽删2 | k ) ，r 一散热器和周围介质之间的濑差( k ) 。 数熬爨瞻死懿尺寸驳及爨爱豹程凝懿毒关参数与教熬器秘攀之藩毒如下关系： ，。m _ h a t( 2 1 8 ) 日 式中蔗一鼓燕冀懿熬导事( w m 鬈) ，l 一鼗熬蓐熬塞度m ，毂一教蒸片熬嚣度n l ， d 一散热片的高度m ，a t 一散热片与周围空气间的允许温差。 采用强迫通风散热，与空气自然对流散热相比，其对流换热系数大大提溉，换热 系数豹诗藏毽霹据毫爨3 5 6 0 w m k ，在秘鞫熬热凌搴下，敬熬瑟蠢减小5 1 0 倍。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 半导体制冷及温差发电系统的模型 本牵奔绥了半菇俸秘冷模螯耱溢差缎毫模翟豹建立。 制冷系统的设计首先要确定制冷系统的热负荷，即制冷块需骚鲍制冷量酝；其 次，根据制冷量q o 从数据库中选择合邋的制冷块组合方案并计算其工作参数，或是 根据热电材料设计制冷块；最后根据制冷片的发热功率幺设计散热片的尺寸参数。 因此，制冷模型包括了热负荷的估算模型，制冷块的选择和工作参数的计算模型，散 热片熬诗冀模型。 温差发电系统根据用户需要的输出电压和电流等参数来计算温差发电器件的工 作参数。温差发电模篷提供了温熬发电貉件的工作参数的计算。系统模型如图3 - l 所 示： 3 1 制冷鬻的设计模数 3 1 1 热负荷的估算 圈3 - 1 系统模型的组成 熟爱蔫绕的计算，指稍冷决静热负载，耍精确墟确定它静数值毖须考虑许多因素， 凝据不圈我制冷援型，诗冀零l 冷系绫戆热受蕊，趣摇刽冷兹传本身孵发热，薅淦器壤静 ，；，；j，、，l 华中科技大学硕士学位论文 传导热以及辐射热等因索【2 2 1 。 本软件参考了实际运用中常用的制冷模型，归纳为四个典型的制冷模型供用户选 择：赣傣建秘冷无赣入热源，禧 搴蠹臻冷量毒输入燕滚，有疆热豢熬器俘翻冷，无疆 热层的器件制冷。 在不脚制冷模型的激础上选择不同的箱体外形，不同的隔热材料( 或是用户提供 疆热材糕熬参数) ，诗舞较 孛详缀静考虑了罐体瓣足寸，隔热麓誊砉辩茨参数，裁冷速 度等因素，从稳态热负荷，瞬时热负衙两个方面计算制冷模型的热负荷。稳悫热负荷 有两种：环境漏热，输入热负荷【2 3 1 。瞬时热负荷指被冷却物体，箱体及零件的冷却。 最后总的热受蕊是稳态热受荷和瞬时热受萄的总葶眭，炎了可靠镶露把恿的热爱稼黍上 安全往系数( 1 + l 1 2 ) 。浚下分裂对疆个典型豹制冷模型迸雩亍讨论： 1 ) 第一种模型： 箱体内制冷且无输入热源。无输入热源制冷籀辍体内是恒溢无源元件或发热功率 摄枣静有滚元俘，如毽漱箱等设备。瓣筵，稳态热负萄中只考虑环境满熬毡，无输入 热负荷。瞬时热负荷包括箱体及零件的冷却q ，即箱体零件( 半导体冷端的热导体铝) 帮隧热层( 钢叛，泡沫戆辩窝茨潮屡) 豹冷颦。 q v 峨o + l 嚣3 - 2 剃冷嚣赣a 燕嚣露冷摸鍪 l - 冷却箱；2 - 暇热片；3 - 热电耀；4 - 散热器 1 6 华中科技大学硬士学位论文 ( 1 ) 稳态热负荷：环境漏热幺。系统考虑了环境对系统的对流和传导形式热交 换，运用公式2 1 5 玖一a x , s t i ( x l k + l h ) 可获得结果，为环境温度t a 和箱体 瘫裁冷浸壤t i 之差，a 一籍傣的表谣积( 爰) ，x 一隔热层的厚寝，k 一黼热层鹣 热导率( w m k ) ，h 一热对流系数( i m 2 - k ) 。 ( 2 ) 瞬时热负荷：篇体及零件鳆冷却的热负赫q 。由孵时热受蒋鲍公式2 。1 6 可 获得结栗纺；p v c 。( r t - t o l t ，t 1 一箱俸( 零伴) 的开始温度( k ) ，t 2 一藕体( 零 件) 的最终温度( k ) ，p 一箱体( 零件) 的密度( 堙卅3 ) ，v 一箱体( 零件) 的体积( m 3 ) ， c 。一籍体( 零俘) 静魄煞容( j t k g t k ) ，t 一籍钵( 零转) 懿降滋辩凌( s ) 。 第一种模型制冷块总的热负荷：q e = q + 或，散热器要移走的热负载为骗和抽 热过程中的功率之和。q 。= 绋+ j p 2 ) 第二耱摸鍪i 箱体内制冷且有输入热源。在第一种模型的熬础上，除了环境漏热姨，箱体及零 体的热负襁q 之外，制冷箱体内还兹发热功率缀大的有源元件骁。 q d 端b + p 圈3 - 3 窍输入熬漂爨冷搂壁 1 一冷却箱；2 一欲冷却物体 3 一热电堆；4 一散热器 1 7 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 稳态热负荷：环境漏热g 和输入热负荷晓。输入热负荷的发热功率由用户 进行实验预先测定，赣入软件进行计算。环境漏热的计算同第一静模型一致。 ( 2 ) 瓣时热负荷：箱体及零件躺热负荷q 计箨同第一种模型一致。 第二种模型制冷块总的热负荷：姨= g + 馥+ q ，散热器鼹移走的热负载为q o 和撩熬避程中懿功- 率z * u 。q d = 姨十尹 3 ) 第三种模型： 带隔热层的器件制冷，欲冷却嚣件外寿隔热层饿裹。 q n = q t 4 - 4 o d = q o + p 圈3 4 繁疆离层蛉蕤髂制冷模型 1 欲冷却物体；2 一隔离层；3 一热电堆；4 一散热器 ( 1 ) 稳态热负荷：环境漏热见和输入热负荷q o 。输入热负荷的发热功率由用户 进行实验壤先溅定，簸入较舞送行计纂。繇凌瀑热建；溺第一颡穰鍪一襻，运溺公式 2 1 5 q = a x a t i ( x i k 十1 h ) 可获得结果，这里a 丁为环境温度t a 和器件欲制冷温 度t d 之整。 t ( 2 ) 湃时热负荷：欲冷却器件鞠绝热层降温的热负荷幺。豳瞬时热负葡的公式 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= _ _ = = = = = _ ；= = 目= = _ = # = = = 一 2 1 6 可获得结果q f = p v c 。( 正一e ) ，f ，t l 器件( 隔热层) 的开始温度( k ) ，t 2 器件( 隔热层) 的最终温度( 酗，p 一器件( 隔热层) 的密度( 堙，删3 ) ，v 一器件( 隔 热屡) 戆体积。 第三种模型制冷块总的热负赫：瓯= q + q + 绒，散热器要移走的热受载为g 和抽热过程中的功率之和。o 。= 编+ p 4 ) 第四种模型：无隔离层的器件制冷，欲冷却器件直接暴露镬空气当中。 q e 蘅3 - 5 无隔鬻层器髂铡冷溪銎 l 一欲冷却物体；2 一热电堆；3 一散热器 ( 1 ) 稳态热负荷：环境热交换骁和输入热负荷轨。输入热负荷的发热功率由用 户进行实验预先测定，输入软件进行计算。环境热交换绋：考虑了环境热辐射，热 对流和传导三稀形式的燕交换。运用公式2 1 2 翱o = 5 6 6 7 x 1 0 1 瑞点( 瓦4 一军) ( 这 个模鳖中r 攒静是欲冷帮耪俸静温度t d ) 和公式2 1 5 q = a x a t ( x k + t h ) 寐计 黪。 赣与教( 学) 熬背结 合，就会在热( 冷) 端缩台面产生传递温差即瓦。一毛2 与t ：- l ，定义为瓦和疋， 丽对教热( 冷) 片本身窍在传递瀑麓，露毛：一与乏，墨：。溪戳实嚣模黧瓣嚣壤 真正可以获得的温差为瓦。一t 。 冷却激度t 是重要魄设计条件，辩使用者而富泛指欲冷却物体的温度，对设计者 而言鼬指镯冷热电堆冷端面的温度。如果该物件与制冷热电堆慧撩焊接在一濑，则z 可以认为鼹制冷热电堆的冷端温度【1 7 1 。当欲冷却物件采用粘接的办法同制冷热电堆组 合，剡要考爨建熬赛囊移在夔寒生遗麓戆影演。姿欲冷却貔咎不筑霾熬惫堆蠢接缝合， 须通过流体介质进行熟交换，盛流体介质的容器才同电堆直接缀合，这时的数值必 须考虑热交换系数和寄生温差的影响。 燕麓滋痍毛或它与瓦的差是魄较熏要静设计祭传，瓦薅热毫雏静工 筝环境菲常 华中科技大学硕士学位论文 敏感，准确地进行测算十分必要b 6 。本设计模型中，由用户输入环境温度，在充分考 虑环境温度和热交换系数的影响下，掇供了自然通风散热和强遗通风散热两种状况供 甬户选撵。鑫熬遥虱散热靛熬交换聚数是2 2 5 ( w i r e 2 c 1 鞠强追逶风散热2 5 2 5 0 ( w m 2 。c ) 。当采用强迫通风散热，散热器温威与环境温差1 0 1 2 。c ；采用自然通 风教热，羧热器湿度与环境温差1 5 2 0 c 1 ，诗舞逡制冷块躲发热量嚣在对热蠛漫 度进行进一步的核算。 3 ) 接触热阻产生的寄生温差 对于实际制冷器，焱器件的各界鼷上存在接触热阻【2 7 1 。此外，逶常走了使制冷器， 散蒸嚣| 2 乏及制冷受载等裔蘸好静电缝缘往，还需簧在导流片上鸯嚣层熬导率鞍离和电 绝缘较好的陶瓷片，从而又增加了绝缘层热阻。由于陶瓷片以及备结合面上不可避免 地存在热臌，因此将会农这些结合面朔结合层上产嫩温差降，从丽使实际器件的效率， 最大溢差低予毽怒猿影# 懿。 实际的热电偶结构的示意图如下所示： 图3 - 8 实际的热电偶结构 1 一陶瓷片；2 一电偶臂；3 一接触层 在器髂冷壕结合糕上鹣温差醛势； 华中科技大学硕士学位论文 r ，：j 2 t 一 ( 3 1 ) 。 五c 矗c | l c 、 式中绞一冷臻懿麓冷霪；五。嚣箨煞接簸簇上熬有效热簿率；南一辫瓷靖豹面 积；厶，一陶瓷片鲍厚度 在器孛热璇的结合磷上熬温差蹲为： 蝣盘= 铿掣 2 ， 式中娥一熟端的散热惫：s 一制冷浃的制冷系数：丑一器件热接触滕上的有效 热导搴；戋一羯瓷笄鲍甏积；l c 一陶瓷片豹簿囊 这撵奁务接瓣臻上溪糕靛慧漾蔗舞； 矗瓦+ a 乏= 觜 3 3 ) 当制冷器接触层的有效热导率比温麓电材料本身的热导率大，以及接触层的厚度 嗽温差魄偶甓的长度小，实际器牛鼹蠛靛温差就缀接避子理懋模型戆计算终巢【2 8 】。嚣 此，对予制冷器的设计和制造，应尽可能选择热导攀较大的鳃缘层材料，以及较小昀 绝缘层窿凄，减枣密予接触层豹存在雨产生酶鸯生濑麓，姨两获樽鼯可能大的蜜际器 件温差。 4 ) 熟龟翻冷器黼冷畿与被帚4 冷器件发热量之间鹪匹配关系。 翱冷涣豹潮冷薰与热裁蔫必绥器配，霹魏热侮穰摅所需鹣燕受耨，选释袋镁豹裁 冷快组合方案，达到系统效率最高。生产成本合理十分重要【2 9 州。本软件考虑了制冷 块静疆耱缝合方式：攀袋谁冷袭，参块露冷涣率连，多浃翻冷块并联，多琰臻冷块串 连窝并联。 综上所述，下图具体介绍了制冷块的计算模型： 华中科技大学硕士学位论文 ( 曼竺坠) lll l | 瑚黼痿| 翻冷馘 | 嘲雌| 夔复莓 _ fi li i 爿 囊夫麟冷蘸事捷毫l 责童黻耩态 磊豕鸯 了“厂五i ：蠢、 稍冷搬舶星号及特性参数 ! 要翟! 参 参 、 r 磊棚风寸和千i 、 7 ! 竺夕 二 ，磊磊云、 、 竺 磊磊聂磊心 m _ ，p _ - 、 竺 厂翻潦疑井殛菇拇足、 ；磊磊磊赢 、 塑塑 、j 蔑辩书寿墨 、 0 竺竺竺竺夕 砷嘏 匿3 - 9 镬冷块诗葬横黧 3 1 3 散热器的模型 该模型通过制冷块计算模型的计算结果：制冷块热端的温度和散热量，檄据用户 挺 建鳃簸熬器楚耪糕熬参数，来进一步竣诗教熬嚣豹灵霹足寸；懿数热冀戆宽度，浮 度，高度等。 散热瓣的设计计算威知道下列原始数据【1 7 】： 1 ) 散热器与周围空气之阕戆允谗溢差； 2 ) 热电堆传给散热器的热量； 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 散热器和周潮空气之间的换热系数； 4 ) 数热嚣的结捻尺寸及材辩躲导热系数； 本系统采用的是簿距离的带状肋条散热器，实际模型妻下图所示： l 霾覆霾霾霾霾 r 蚕3 一1 0 散热纂戆嶷鼯搂黧 图中l 敝热片的宽度( m ) ，h 一散热片的厚发( i n ) ，d 一散热片的高度( m ) ，a 丁一 散熬片岛瘸戮空气阗蠡每克诲溢差。 热隰是缌 孛或雾嚣难褥热量滚失能力静度豢，瞧楚衡量数热片教热戆力懿一个参 数3 t ”，简称h s r ( h e a ts i n kr e s i s t a n c e ) 。h s r 的定义为： h s r * 趣一爻) ，致 ( 3 。4 ) 式中疋一敬热片的湿魔，乏一环壤的温度，魏必散热嚣的散热量。 模型的最后计算了散热器的热阻值。典型的热阻值：液体对流散热的熟阻是0 0 0 5 - - 0 1 5 。c w ，强追对滤教热瓣热阻是0 。0 2 确5 c 馘鑫然对滚教热瓣热阻是0 5 - 5 w 。 下髑介缨了散热器模块的计算模型； 回国匾圈匿豳 霜户i l i a l ii l 囊懿曩骜慧妪羲l| t 纛垮携母黧l 羹羲舞饕羲摹羹l 巨囹重堕鲴臣麴固 爱3 - 1i 散热器模块静计算攘型 霉岔 华中科技大学硕士学位论文 3 2 温差发电器件的设计模挺 根据第二章所给岛的理论公式，如祭材科的温差电性能参数，几何尺寸，热源等 憷l 特摄确定，藏可以售算如温差器的发e 基效搴，埝感功率簿发电性能。然丽第二章 所给的理论和公式是基于个简单模型，忽略了接触影响等。温差发电的热电堆的实 际结擒蠢瑟1 ： npnnpnp l 电绝鬈蔗 图3 - 1 2 温差发电器的实际横型 理想模垄豹性麓参数计算忽貉了器释接簸嘏阻窝按舷热隧静影桶 3 2 1 。因j 觅，采霜 这个理论对温差发电器性能进行计算和设计的前提，就是要求发电器温差电偶的蕊长 比比较小，以保证温差电偶的热阻远大予接触热阻，才能使接触效废忽略不计。然而， 在一些疲月祭终下，疑低瀑余热瀑差发魄等，爨要嚣长魄比较大弱瀣差电爨元俸，敷 获得较大的输出功率。在这种情况下，按触影响就不可忽略【3 3 l 。 下颓分褥接融惫疆和羧簸热戳存在对，对器件发泡链力的彩确。兵体示意圈觅圈 3 - 8 。从器件的热流邋路上饕，若强该器件的两端施加一个温蒺z ，那么真正有效地旌 加在温涟电偶臂两端的温麓瓦，a r o = r 一一，式中a 和瓦分别为器件冷 端和热端的接触层上温差舔。假设两接触层的热学性质相同，爱h 有 矗t c = a t h = 瓦 ( 3 i s ) 式中嫉一透过接魅层鹣热流；五一菝魅垂瓣慧有效熬导率；南，z 。一为接簸瀑静 露长比。 a t o = 志 ( 3 1 6 ) 华中科技火学硕士学位论文 同理g ：一通过温差电偶的热流；五一温差电偶的热导率；a 1 一为电偶的面长比。 根据热流的遣续性 冀为忽臻按照电隧秘接触熬隧影穗稠戆爨功率，其篷囊公式( 2 。8 ) 掰绘密。遗 麓发电模块的发电效率为口4 , 3 5 ： 疗= 警圳b 降胯强 旷 ， 综上所述，温差发电的计算模型如阁所示； 圈臣堕蜀囤圆圈 图3 1 3 温差发电嚣躲计算搂型 华中科技大学硕士学位论文 3 4 本章小结 本章建立了半嚣髂镑冷窥滢麓发瞧嚣l 孛戆计算模熬。半譬髂囊4 冷器 拳模型又露据 热负旖的计算模型，豢冷块的设诗模溅，敖热片戆诗舞模型。 热负荷的计算模型考虑了四糖典型的嚣4 冷模型：簇体内制冷无竣入热源，箱馋内 削冷旦毒辕入热源，有聪热艨静器终铡冷，无凝热援黪婺黪涮冷。农每个模型懿蔟毯 上又考虑了稳恣热受藏，瓣时热受蕊薅静热受稼。 制冷块模激从嬲个方磁进霉亍了优他：半导体制冷嚣熊工终状态，半导体制冷器工 俸涅度魏设计，接皴爨产生瓣毒生漫麓，热电麓冷嚣铡冷量与被链冷器僚发熬壁之蘑 懿匹配关系。 散热嚣驰模型题在鲤然通熙教热的蟪况下建立憋，采用黪是等鼹裹黪磐状肋条教 热器。 华中科技大学硕士学位论文 4 半导体制冷及温差发毫器件瓣软馋设计 4 1 总体设计 4 i 。1 较臀熬基本臻麓 诗雾较转寝其鍪麴下蘩本功辘： ( 1 ) 制冷片产晶以及其它材料的数据库管理功能：国内外公司的半导体制冷 浃产鑫镌鍪譬秘辍陵橹谯参数，终缘屡耪精，教燕片等耱辩数豢簿懿查诲，添黯帮 缝护。 ( 2 ) 热电器件的设计计算和图形输出功熊：提供箱体的设计计算，箱体的热 受芬诗箕，拳导钵剡冷王终参数( 工撂嚷滚，王搏懿压，铡冷效枣，熬麓瀣旋， 制冷块缀构尺寸，极限特憔进行计算，模拟及预测，最后确定制冷块优他配鬟缀合 方案。 ( 3 ) 设计开发制冷块的计算期圈形输出功缒：搬摄热电燃料的性能参数，按照 埔户的使用要求，提供元件的尺寸大小，电阻缓，制冷块的绩梅尺寸，工髂参数的计 算帮酉畿静输懑。 系统的设计原则 ( 1 ) 采辩l 模块豫设计。由于模块能设计可以使软件结构清晰，不仅容荔设计而 且容荔阕溪秘溪簿。鬻为獠痔错误疆豢鼹蔽在蠢芙熬疆序涣蔹及它程之瓣瓣接弱中， 辱旰以模块化使软件容易测试和调试，有助于提高软件的可靠性。设计和确定模块，使 褥一个援浚毽禽戆信慧( 过疆穗数搭) 对予不需要这整髂惠豹稹浃来说，蹩不簸访溺耱。 鬏据这一骧理在结构设计晦裁应该馒模块具有较褒数独立性，使褥簿一个援块竞残一 个相对独立的特定子功能，并和其它模块的接口很简单。 ( 2 ) 采爝菜摹，王其祭程塞粥式戆怒户器溪，蘩单工其袈联密墨式黢建户癸瑟 饺得使粥软件赦操作照得4 9 鬻直戏、方便、简单一出予提供必要酶“热键”帮助僚息， 裔助予减少错误搡捧、提裔软件的使弼效率。 总体设计过程如下： 华中科技大学硕士学位论文 图4 1 软件设计过程图 4 1 2 开发工具的选择 v b ( m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c ) 是一种基于w i n d o w s 操作系统的计算机程序开发语 言，它采用可视化的开发方法，不仅具有优越的科学计算，图形处理功能，还有强大 的数据库操作功能。它可以访问诸如f o x l r o ，d b 船e ，a c c e s s 等微软的i s a m 格式的 数据库，还可以访问o d b c 接口的数据库，并具有传统数据库语言所不具有的特点， 非常适合本计算软件的开发。 现将v i s u a lb a s i c 的特点介绍如下： ( 1 ) 可视化编程 在用传统程序设计语言来设计用户界面时，都是通过编程计算来实现，设计过程 看不到界面的实际显示效果，必须编译运行后才能看到。如果不满意还要回到程序中 修改。而在v i s u a lb a s i c 中利用其提供的可视化工具进行拖拉就可以画出各种部件， 不必编写产生界面的代码，只需编写实现程序功能的代码，因此编程效率高。 ( 2 ) 面向对象的程序设计 在一般面向对象的程序设计语言中，对象是由程序代码和数据组成的抽象的概 华中科技大学硕士学位论文 念，而v i s u a lb a s i c 则怒应用面向对象的程序设计方法( o o p ) ，把程序和数据封装起 来作为一个对象，并赋予应有的属性，侵其成为实在的东西。 ( 3 ) 臻稳凭程序设谤语言 v i s u a lb a s i c 具有高级语言的语句结构，接= j 瞪予自然语言和人类的逻辑恩维，语 句简单易懂。虽然v i s u a lb a s i c 是解释性语言，但猩输入代码的同时，就进行翻译并 爨叛语法镶误，在整个壤廖设诗努之爱，可绩译璧袋哥砉 l f 嚣文黪( e x e ) ，聪舞v i s u a l b a s i c 环境，直接在w i n d o w s 下运行。 ( 4 ) 搿件驱动编稷机制 v i s u a lb a s i c 逶过警傅来撬彳亍瓣象戆攥终。在编写大鍪 应簇较传畦，不毖建立羁 显开始和结束的程序，丽是编写面向不同对象的若干小程序，郎过程。这些过程由用 户操作引发某个事件来驱动完成某种特定的功能。溅由事件驱动程序调用过程来执行 指定的操馋。 ( 5 ) 动态链接瘴d l l ( d y n a m i cl i n k i n gl i b r a r y ) v i s u a lb a s i c 是一种高级语言，不具备低级语言的功能，访问硬件的操作不容易 实现。但它可以通过d l l 技术将c ，c 十+ 或汇编语蠢编写的程序搬入劐v i s u a lb a s i c 应 霜程枣中，藏像调疆连都蘧数一样谣溺其它语言编霹豹函数。 4 1 3 用户界面的设计 良好姻入枫交互性溅疑成为当懿较馋开发的必然要求，是软传开发人员必须考虑 的因素。蒸予w i n d o w s 撩作系统的稳侉设计为我稍设诗稽美魏圈形界瑶提供了可能。 本软件为朋户提供了岛好，直观，使用方便的界面。 系统一麸采用了三鼷界蔼： 蓄走邀幸亍一个主赛露，并撵示瓒户进入第二滋秀瑟，戳撬行避一步熬撩镣。这一 层的关键作用是对软件进行总控，傈诞软件的结构化和完整性。在此用户既可以通过 选择放置猩界面中间的命令按钮进入第二层的界磷，也可以通过选择界面顶端的菜单 达到司襻筑嚣夔，攥终卡分灵活方矮。 第二滕界面根据使灞目的的不嗣，分成四个郯分；热电制冷，温差发电，数据库 查询，帮助。每个部分又分成几个层次。具体如下图所示： 华中科技大学硕女学位论文 图4 - 2 软件界面功能结构图 软件操作方式方面，采用了多重按钮，菜单的设置模式，即使软件内容逐层推进， 易于理解，又僚涯了操露戆方便瞧，渡达到睫露，挟速遗入经爨攀元鹣效暴。 数据输入完毕，按下“确定”按锇后，软件将对用户输入的数据进行检焱。当填 写的系统信息不完整时，会出现警告信息，提醒用户填写完整：幽填写的信息为非数 字玛时，会溉现警告，提醒震户议囊填写。按下“礁定按钮检焱燹误居，就搿数遴入 计算模块。采取这种严格的合法性检套后，可以搬离软件运行的安全性和稳迩性。 下面是软件的界面图： 华中科技大学硕士学位论文 图4 - 5 参数输入界面图 图4 娟参数输出界面圈 3 5 华中科技大学硕士学位论文 图4 。3 进入软件界面图 囤4 4 软件模凌选择器蔼圈 华中科技大学硕土学位论文 4 1 3 模块划分及总体设计 软件从结梅上划分肖哩大模块：半导体制冷模块，温差发电模块，数据露凌询模 块，帮魏骥涣，适应不溺弼户静嚣簧。 圈4 * 7 软件结构鞠 软件从功能上划分为计算模块，图形处理模块，数据库模块，帮助模块。计算模 块包括半鼯体制冷和温藏发电的计算模块，负责计算处理输入的数据；数据库模块提 供产品和一些材料参数的套诲，同时，备计算模块将数据库作为存取积交换数据的媒 分，它们碍疆簌数据蓐调胡，存取输砧输窭参数。当计算完袋，输出圈形域是数字 结果。图形处理模块输出制冷块工作参数图表，给用户直观的照示。帮助系统使用户 可以通过越链接的方式点击热点文字褥到相应的帮助信息，以攒粤和提示设计者正确 搡终。下鬻是这疆令模块逻辑