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半导体多级制冷器的设计与性能优化的中期报告
一、设计方案
半导体多级制冷器的设计方案采用三级负电压外差型结构，其中第一级为标准的硅基P型和N型电极构成的Peltier效应片，第二级和第三级则采用HB的Ge型和SiGe型材料组成。三级制冷器的总制冷量在001-010W范围内，且制冷出口最低温度可以达到-60°C。设计的制冷器电源为12V直流电源，因此需要设计电源电路，提供稳定的电源电压。使用PID控制器对温度进行反馈控制，当制冷器加热预设温度时电流加大，反之则减小，以实现制冷器的稳定控制。
二、材料优化
为提升制冷器的性能，我们需要对材料进行优化。首先，调整第一级制冷器的电流，使其达到最大制冷功率。其次，对第二级和第三级的材料选择进行优化，选用具有良好导电性能和热电性能的材料。我们选择使用高载流能力的SiGeHB材料，以提高制冷器的电流密度和工作温度。同时，优化材料的化学组成比例，使其达到最优比例，提高元素掺杂浓度和载流子浓度。最后，在热管理方面，尽可能控制制冷器周围的热量影响，以提高制冷器的运行效率。
三、性能优化
在制冷器的性能优化方面，主要采取以下几种措施：首先，采用模拟和数值计算的方法对控制电路和温度反馈控制系统进行优化。其次，分析制冷器的热响应特性，确定合适的温度控制策略和制冷器的运行参数。最后，利用热模拟软件，对制冷器周围的热效应进行优化，以提高制冷器的运行效率和制冷量。
四、中期成果
目前，我们已完成制冷器的三级结构和电源电路的设计。在热力学和电学性能方面，已经进行了长时间的测试和分析，并做好了数据记录和分析。初步数据表明，我们设计的制冷器的性能比已知的同类制冷器都具有较大的优势，制冷出口温度和制冷量都达到了设计要求。接下来，我们将继续进行性能测试和优化，并进一步完善制冷器的控制系统和周围的热管理系统。