电卡材料与制冷器的导热结构设计与仿真

发布时间：2020-11-04 12:02

　　 电卡效应是指在电场作用下极性材料因极化状态改变而产生的可逆温变。基于电卡效应的制冷技术具有环保、高效和易于微型化等优势,因此有望在今后的制冷领域中得到广泛的应用。在常见的电卡材料中,有机铁电聚合物以其强电卡效应、良好的柔性等特点在应用于电卡制冷时具有较大的潜力。然而,低热导率(~0.2 W m~(-1) k~(-1))却限制了聚合物内部的传热过程,进而影响了其制冷性能。针对该问题,本文从材料和器件导热结构的角度提出了相应的解决方案:首先,根据氮化硼纳米片(BNNs)的高导热性及其片状结构的特点,本文提出将BNNs掺入铁电聚合物中,通过其在聚合物内部形成的三维导热网络来加快传热。实验证明,掺入BNNs后聚合物的热导率相比之前提升了5倍。以实验结果为依据,有限元计算表明BNNs的引入使聚合物的传热速率和最大制冷功率密度分别提升了4倍和3.5倍。为进一步提高导热速率,本文采用高热导的多孔阳极氧化铝(AAO)模板来辅助孔内聚合物的传热。AAO纳米级别的孔径可以有效地缩短聚合物的传热时间,从而提升聚合物的传热速率。研究表明,在AAO的协助下,聚合物与衬底之间的热交换时间缩短了94%,最大制冷功率密度提高了5倍。基于前文多孔AAO辅助导热的方法,本文设计了一种新型的电卡制冷器模型,通过插入聚合物的高导热柱来加快热搬运过程。利用有限元分析软件,本文研究了不同孔径与孔间距对其制冷性能的影响。相比于常规的制冷器,多孔结构制冷器在制冷功率密度和效率上最高有约4倍的提升。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB657
【部分图文】：

1 绪论 引言蒸汽压缩制冷作为一种成熟的制冷技术，在过去的几十年里为人类的生产和了巨大的便利，广泛应用于工业制冷、家用冰箱和空调、电子器件冷却等蒸汽压缩制冷技术已经发展得非常成熟，但是该技术依然存在以下几个问题用的氟利昂制冷剂（如 CFC、HCFC、HFC 等）会引起温室效应[1]，据报道年会有几十万吨的温室气体因为制冷而被排放到大气中，如图 1-1 所示[2]。 CFC 和 HCFC 类则会对臭氧层造成严重的危害[3,4]；（2）其制冷效率较低且高（一般只能达到 40~50%的卡诺效率），从而导致大量能源的浪费[5]；（3）型化用于芯片级制冷，而随着集成电路尺寸的不断缩小，如何实现芯片级别为一个亟待解决的问题[6]。

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文电制冷制冷是基于珀尔帖效应（Peltier effect）的一种制冷方法，即当有直的导体构成的闭合回路时，两个接头根据电流方向的不同表现出吸如图 1-2 所示[9]，将 N 型掺杂的半导体与 P 型掺杂的半导体串联，压，使得 N 型半导体和 P 型半导体之间有电流流过，于是热量可以一端放出。制冷装置最显著的优点是结构简单，且该装置不需要运动部件，制较简单。然而，热电制冷的效率比较低，一般小于 10%的卡诺效率

电卡制冷循环原理图
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本文编号：2870072