固态风扇耦合半导体制冷性能理论分析

《固态风扇耦合半导体制冷性能理论分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、固态风扇耦合半导体制冷性能理论分析摘要:常规的半导体制冷系统通常需要采用机械风扇作为冷/热端的散热装置以保证其正常运行，机械风扇在运行中会产生振动和噪音，不能充分体现半导体制冷结构简单、紧凑以及无振动噪音的固有优势。为此，本文提出了固态风扇耦合的半导体制冷系统。固态风扇是基于离子风的原理来驱动空气的流动，其体积小、无机械运动部件，风速可以通过电压等参数的调节来实现，将其与半导体制冷进行耦合既能保证冷/热端散热，也可以使半导体制冷系统安静高效的运行。关键词：半导体制冷；固态风扇；制冷性能；理论分析0前言半导体制冷是50年

2、代末发展起来的制冷新技术，由于其不需要使用制冷剂，不会产生环境污染的问题，同时制冷系统没有机械式制冷的泵和压缩机等运动部件，消除了运行的磨损和噪音，在近些年得到广泛的关注[1]。然而半导体制冷的制冷效率很低，为此开展了很多提升效率的研究,其中影响系统性能的一个重要因素是半导体制冷系统的冷/热端温差，系统的COP随着冷热端温差的增大而降低，且冷/热端散热性能还影响着系统的有效工作，温度过高甚至会导致制冷装置损坏，因此采用合理的散热方式和条件十分必要[2]。代彦君等人采用翅片风扇以及热管散热器的不同散热方式对半导体制冷系统

3、性能进行研究，实验结果表明在冷/热端散热条件对系统影响很大，但是同时应考虑提供该散热条件的代价[3]。黄焕文等人对风冷和水冷的半导体制冷系统进行了实验研究，并与常规压缩机系统进行了比较，结果显示虽然半导体制冷效率比常规压缩机系统低，但是对半导体制冷系统水冷散热时系统的制冷效果更好[4]。D.Astrain等对冷/热端的散热条件进行了研究，采用热管来对热端进行散热，相比传统的机械风扇式的散热，系统的COP提高了32%[5]。尽管采用了很多不同的散热方式来提升性能，但是大多结构复杂，且运行中的振动和噪音无法消除，无法充分发

4、挥半导体制冷固有的结构简单，无振动噪音的固有优势。为此，本文提出一种新型的采用固态风扇耦合的半导体制冷系统，该系统通过采用固态风扇来对半导体制冷的冷/热端进行散热。固态风扇在2008年被正式作为一种新型的散热方式被提出并应用与散热领域。该固态风扇可以产生最高1.6m/s的风速，并且已经实现利用固态风扇为25W功耗，小于1立方厘米体积的芯片散热[6].固态风扇是基于离子风（电晕风）现象而提出的，其基本原理是，空气中本身存在的电子和离子。受到曲率半径小的电极周围强电场的作用加速，获得足够的能量，使得电极附近得空气发生电离产

5、生大量的正离子和电子，正离子和电子运动到电离区外部受到电场力作用与中性分子碰撞传递动量带电空气分子运动形成风[7]。固态风扇具有易于小型化，无运动部件，结构简单，风速易于控制等优势。因此用固态风扇耦合半导体制冷系统能更好的发挥出半导体制冷系统的优势，对于半导体制冷系统性能的提升以及应用的推广有很好的前景。本文设计搭建了采用传统机械风扇式冷却的半导体制冷系统，并对其性能进行了测试，并与在相同换热条件下的理论设计的固态风扇来冷却的系统的COP进行比较。1实验原理为了对固态风扇耦合半导体制冷系统的性能进行分析，先设计搭建了常

6、规机械风扇冷却的半导体制冷系统，常规系统装置如图1所示：图1实验装置示意图1.保温箱体；2.热端散热风扇；3.热端翅片；4.冷端翅片；5.冷端散热风扇；6.热电偶；7.电加热丝.保温箱体的尺寸为380mm*420mm*480mm,隔热材料为聚氨酯泡沫塑料。采用2片型号为TECI-12705的半导体致冷片来实现制冷，热电材料的性能参数为：赛贝克系数a=2.0*10-4V/K，电导率s=1*105(W*m)-1，热导率k=2W/(m*K)。冷端风扇额定电压12V，额定电流0.16A，2个热端风扇额定电压18V，额定电流0.

7、14A，半导体致冷片、热端风扇和冷端风扇各与一直流电源相连，输入功率通过电源提供的电压和电流计算得到。冷端散热翅片的尺寸为90mm*140mm*20mm,翅片通道25个。热端散热器的尺寸为100mm*200mm*30mm,通道个数75个。在箱体内我们均匀布置了2个电加热丝，电加热丝额定功功率为100W，用于给保温箱内空气加热，模拟热负荷，加热功率由交流功率表测得。电加热丝与外部的交流电源相连，该系统采用12个热电偶来实现温度的测量，3个均匀置于环境空气中，用于测量室温；6个均匀置于小冰箱箱体内，用于测量保温箱内环境的平

8、均温度；2个均匀置于热端散热器表面，用于测量热端温度，1个置于冷端散热器表面，用于测量冷端温度。实验时，采用热平衡法来测量该保温箱的漏热系数，以便计算制冷系统的制冷量。在环境温度保持一定时，通过调压器来调节其电热丝的输入功率，实现不同的发热量直至箱体内温度达到稳定，通过热电偶测量箱体内的平均温度以及环境温度，由功率表得到电热丝功率