一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，主要包括：基于熱電單元半導(dǎo)體制冷過(guò)程，建立半導(dǎo)體制冷模型；基于建立的半導(dǎo)體制冷模型，按照制取最大制冷量的方式，建立半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)和半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置；對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，對(duì)半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)；將半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)性能分析結(jié)果和半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，基于比較結(jié)果，返回修正建立的半導(dǎo)體制冷模型。本發(fā)明所述半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中評(píng)估準(zhǔn)確性差和適用范圍小等缺陷，以實(shí)現(xiàn)評(píng)估準(zhǔn)確性好和適用范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型制冷方式，尤其是近年來(lái)通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)中半導(dǎo)體材料的研究以及制冷效能的提高，使得半導(dǎo)體制冷應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)的蒸發(fā)式制冷技術(shù)有很大的區(qū)別[1][2]。
[0003]半導(dǎo)體制冷沒(méi)有動(dòng)力部件，也不需要龐大的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器等部件，因此半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)體積相對(duì)較小，而且在工作過(guò)程中也不會(huì)有噪音。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在工作過(guò)程中可以通過(guò)對(duì)其通過(guò)電流大小進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)制冷效能的改變，這使得半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)具有極其靈活的制冷效能調(diào)整及控制，因此非常適合于一些要求對(duì)溫度進(jìn)行精確控制的應(yīng)用場(chǎng)合[3][4]。
[0004]目前對(duì)于制冷系統(tǒng)性能分析的研究很多，比如:陳紅、鄧良才、呂凡等采用數(shù)學(xué)模型的方法，對(duì)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了分析，并提出了制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型主要參數(shù)的獲取方法氣陳林輝、張東彬、王石等對(duì)制冷壓縮機(jī)熱力性能進(jìn)行了建模分析，并利用仿真工具對(duì)所建立的模型進(jìn)行分析，得到了制冷壓縮機(jī)熱力主要性能仿真數(shù)據(jù)[6]。全靜則利用FL0WMASTER2對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作過(guò)程各階段建模，并使用仿真工具分析其工作過(guò)程，得到了空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作過(guò)程性能仿真結(jié)果[7]。
[0005]然而半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的制冷效能及穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的研究還不夠，也缺乏和傳統(tǒng)的蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)工作狀況的對(duì)比性研究，因此針對(duì)一些具體的制冷應(yīng)用系統(tǒng)還不能很好地對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)所構(gòu)成的制冷系統(tǒng)進(jìn)行客觀(guān)準(zhǔn)確的評(píng)估[8][9]。
[0006]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在評(píng)估準(zhǔn)確性差和適用范圍小等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，以實(shí)現(xiàn)評(píng)估準(zhǔn)確性好和適用范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，主要包括:
[0009]a、基于熱電單元半導(dǎo)體制冷過(guò)程，建立半導(dǎo)體制冷模型；
[0010]b、基于建立的半導(dǎo)體制冷模型,按照制取最大制冷量的方式,建立半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)和半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置；
[0011]C、對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，對(duì)半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)；將半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)性能分析結(jié)果和半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，基于比較結(jié)果，返回步驟a修正建立的半導(dǎo)體制冷模型。
[0012]進(jìn)一步地，所述步驟a，具體包括：
[0013]對(duì)熱電單元半導(dǎo)體制冷建模過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化模型分析的計(jì)算復(fù)雜度，對(duì)所建立的半導(dǎo)體制冷模型做如下假設(shè)：
[0014]假設(shè)半導(dǎo)體材料的冷端和熱端兩面的材料完全一致，材料內(nèi)部分布也完全相同，材質(zhì)各處的密度、導(dǎo)電能力、熱電效益都完全一致，即半導(dǎo)體材料的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位水平截面積所傳遞的熱量完全一致；在分析半導(dǎo)體材料的熱力性能時(shí)，對(duì)半導(dǎo)體材料中的電阻率為Y、熱傳導(dǎo)率為δ、賽貝克效應(yīng)的溫差電動(dòng)勢(shì)率為τ ；
[0015]假設(shè)半導(dǎo)體制冷材料在設(shè)計(jì)尺寸上具備幾何對(duì)稱(chēng)性，呈分布均勻的規(guī)則幾何形狀；在對(duì)半導(dǎo)體材料的制冷性能分析時(shí)，能夠取半導(dǎo)體材料中的任意一處的截面積進(jìn)行分析；熱量在半導(dǎo)體內(nèi)部均勻傳遞，半導(dǎo)體冷熱兩端的熱量與外界交換的速率保持恒定數(shù)值；
[0016]假設(shè)半導(dǎo)體制冷材料工作過(guò)程中，除冷熱兩端與外界交換熱量之外，在半導(dǎo)體材料的側(cè)面與外界不存在熱量的交換；
[0017]選取半導(dǎo)體制冷材料中一個(gè)小的截面作為分析對(duì)象，由能量守恒定律可以計(jì)算得到該點(diǎn)的熱量交換關(guān)系式：
[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，其特征在于，主要包括： a、基于熱電單元半導(dǎo)體制冷過(guò)程，建立半導(dǎo)體制冷模型； b、基于建立的半導(dǎo)體制冷模型，按照制取最大制冷量的方式，建立半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)和半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置； C、對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，對(duì)半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)；將半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)性能分析結(jié)果和半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，基于比較結(jié)果，返回步驟a修正建立的半導(dǎo)體制冷模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，其特征在于，所述步驟a，具體包括： 對(duì)熱電單元半導(dǎo)體制冷建模過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化模型分析的計(jì)算復(fù)雜度，對(duì)所建立的半導(dǎo)體制冷模型做如下假設(shè)： 假設(shè)半導(dǎo)體材料的冷端和熱端兩面的材料完全一致，材料內(nèi)部分布也完全相同，材質(zhì)各處的密度、導(dǎo)電能力、熱電效益都完全一致，即半導(dǎo)體材料的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位水平截面積所傳遞的熱量完全一致；在分析半導(dǎo)體材料的熱力性能時(shí)，對(duì)半導(dǎo)體材料中的電阻率為Y、熱傳導(dǎo)率為δ、賽貝克效應(yīng)的溫差電動(dòng)勢(shì)率為τ ； 假設(shè)半導(dǎo)體制冷材料在設(shè)計(jì)尺寸上具備幾何對(duì)稱(chēng)性，呈分布均勻的規(guī)則幾何形狀；在對(duì)半導(dǎo)體材料的制冷性能分析時(shí)，能夠取半導(dǎo)體材料中的任意一處的截面積進(jìn)行分析；熱量在半導(dǎo)體內(nèi)部均勻傳遞，半導(dǎo)體冷熱兩端的熱量與外界交換的速率保持恒定數(shù)值； 假設(shè)半導(dǎo)體制冷材料工作過(guò)程中，除冷熱兩端與外界交換熱量之外，在半導(dǎo)體材料的側(cè)面與外界不存在熱量的交換； 選取半導(dǎo)體制冷材料中一個(gè)小的截面作為分析對(duì)象，由能量守恒定律可以計(jì)算得到該點(diǎn)的熱量交換關(guān)系式： 上式中，A表示半導(dǎo)體制冷材料的截面積，P表示能量方程，I表示半導(dǎo)體制冷材料徑向長(zhǎng)度，Itl表示在半導(dǎo)體制冷材料的冷端和熱端中間點(diǎn)的位置，C表示半導(dǎo)體制冷材料的總長(zhǎng)度，ξ表示半導(dǎo)體材料的湯姆遜系數(shù)，Pl表示分析的上一時(shí)刻在分析對(duì)象上的半導(dǎo)體能量，Ρ2表示分析的當(dāng)前時(shí)刻在分析對(duì)象上的半導(dǎo)體能量； 由于上式給出的是半導(dǎo)體制冷材料中一小段的熱量傳遞關(guān)系，當(dāng)對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體材料進(jìn)行熱量傳遞關(guān)系的積分計(jì)算，可以得到半導(dǎo)體材料冷端和熱端之間的熱量傳遞關(guān)系，如下式所示：
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，其特征在于，在步驟b中，所述半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)裝置包括制冷箱，設(shè)置在所述制冷箱內(nèi)部的箱內(nèi)散熱裝置，設(shè)置在所述制冷箱外部的箱外散熱裝置和電源模塊，以及設(shè)置在所述箱內(nèi)散熱裝置與箱外散熱裝置之間的熱電堆。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，其特征在于，所述制冷箱包括箱體外殼和安裝在所述箱體外殼上的箱門(mén)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，其特征在于，所述箱內(nèi)散熱裝置包括安裝在箱體外殼內(nèi)部的冷端風(fēng)機(jī)、以及設(shè)置在箱體外殼殼壁中的隔熱層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的建立和非穩(wěn)態(tài)性能分析方法，其特征在于，所述箱外散熱裝置包括安裝在箱體外殼外部的熱端散熱片的熱端風(fēng)機(jī)；所述電源模塊安裝在熱端散熱片上，所述電源模塊分別與冷端風(fēng)機(jī)和熱端風(fēng)機(jī)連接。
【文檔編號(hào)】F25B21/02GK103761358SQ201310721944
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】蔣文勝 申請(qǐng)人:柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院