半导体制冷的散热与热管散热器的设计_白晓亮

《半导体制冷的散热与热管散热器的设计_白晓亮》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、No.41998(Vol.65)46制冷Refrigeration1998年第4期(总65期)半导体制冷的散热与热管散热器的设计HeatOutputofSemiconductor-RefrigerationandtheDesignofHeat-Pipe-Exchanger白晓亮(秦皇岛外贸冷冻厂河北066002)〔摘要〕本文从提高半导体制冷效率入手,通过对半导体制冷器散热特性的分析,阐述了利用热管散热的优越性及热管散热器设计的原则。〔关键词〕半导体制冷散热效率热管散热器技术设计1引言近年来,随着半导体制冷器件制造技术的不断

2、提高,单级制冷器已经可以实现高达68℃的温差,而且由于产量的增加,成本已经大幅度下降。加之其具有体积小、重量轻、无机械运动、制冷迅速、冷量调节范围宽、组装灵活方便、可靠性高、便于维修等突出优点,其应用领域已不再局限于军事、化工、航天、医疗等较特定的领域,在民用领域亦显示出相当广阔的应用前景。但是,不可否认,半导体制冷与常规的压缩机制冷相比,仍然存在制冷效率相对较低的问题。半导体制冷效率的提高,除了其本身制造材料和制造工艺的因素外,主要取决于其散热和传冷方式、良好的结构设计。由于半导体制冷器件的散热量等于其制冷量与输入功率之

3、和,所以,重点解决好其散热问题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用。2半导体制冷器件是一种高热流密度器件(可达4～8W/cm),如何在这么高的热流密度上把散热面积展开,并把热量充分地散发出去,这方面尚有许多问题值得进一步研究和解决。但是通过以下对半导体制冷散热特性的分析和研究不难发现,采用等温传递效率高超的热管散热技术,不失为比较好的散热方法之一。2半导体制冷器的散热特性分析与散热效率的提高1.1散热特性分析:半导体制冷器工作时从冷端散冷器吸收热量,通过电偶转移到热端,最后从安装在热面上的散热器散掉。整个过程如图1所示,共

4、涉及六个热传递过程。图中△T1是电偶所能产生的最大温差,但不能直接被利用,需要通过导流片和电绝缘层才能传递出来,这就产生了器件本身的传递温差△T5,因此△T5也是器件应用过程中不能消除的。△T6这里定义为由于制冷器件与散热器联接而产生的温差。这个温差是有害的,应该尽可能地被减小。△T7实际上是一个复合温差,其中包含了散热器本身的热传递温差△TC和散热器对散热环境的热对白晓亮:半导体制冷的散热与热管散热器的设计47流温差△Td,这两个温差对提高散热效率和制冷效率而言也是越小越好。△T2、△T3分别与△T5、△T6过程相同,△

5、T4与△T7过程相似,这里不再进行分析。1.2散热效率的提高半导体制冷器件具有热面温度越高、冷热端温差越大、制冷量越小、效率越低的特点。因此若想提高半导体制冷器的效率,就必须控制器件的热面温度,使之不能太高。从上面的分析可以看出,控制制冷器件的热面温度需尽可能地减小图1△T6和△T7值。1.2.1△T6值的减小△T6值的产生来源于两个方面,一是冷热端散热器的紧固联接和对应面的热辐射,二是散热器与制冷器件的热联接。由于半导体制冷器件是一种固体器件,冷热端散热器与器件之间通常采用螺栓紧固方式联接,所以在联接中必须注意防止出现冷

6、桥,同时要尽可能避免出现短距离对应面的热辐射。减小散热器与制冷器件因联接而产生的温差,则要求制冷器件与散热器对应接触面都要有很好的平整度和光洁度,同时在安装时填充导热填料。1.2.2△T7值的减小△T7值是△TC与△Td值之和,△TC主要取决于由散热器的构造形式而产生的传递效率。传递效率越高,△TC愈小,反之愈大。△Td则主要与散热方式的选用有关。就散热方式而言,水冷的散热效率最高,但水冷必须有水源,而且不方便移动,这就限制了该种散热方式的使用。利用物质溶化潜热散热,也只适用于间歇工作的场合。以自然对流或强迫风冷的方式散热

7、,由于安装方便,安全可靠,适用面广,所以应用也最为广泛,目前,绝大多数半导体制冷设备都采用这种方式,在此种散热方式确定之后,选取适当的散热器结构形式便成为减小△T7值、提高效率的关键。目前在半导体制冷设计中,应用最为广泛的是铝挤压成型的肋片式散热器。但是其通常受到肋效率的影响,传热路径不能太长,所以其传热温差不可能很小,传递效率也就不会很高。如果将散热器作成热管形式,利用其高效率的等温传递性能,只要空间允许,就可以将半导体制冷器件的热流密度沿传热路径充分展开。采用自然对流或强迫风冷散热都可以达到非常理想的效果。这对于半导体

8、制冷的广泛应用和效率提高都是非常有意义的。3半导体制冷用热管散热器的设计原则和性能测试3.1设计原则半导体制冷用热管散热器的设计,除了需要考虑普通热管散热器的设计要求外,还有一No.41998(Vol.65)48制冷Refrigeration1998年第4期(总65期)些自已的特点。下面分别从蒸发段设计