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时间:2019-09-19
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1、半导体制冷的最佳特性及热端散热方式研讨【摘要】半导体制冷应用热电偶对元件,可通过电流方向的改变,控制元件的冷端与热端,即在电流增加后,制冷量也会随着增加。因此,为进一步提高半导体制冷的效果,我们需要通过对半导体制冷最佳特性的分析,并研讨热端散热方式的合理选择。【关键词】半导体制冷;最佳特性;热端散热1.半导体制冷最佳特性分析半导体制冷技术,融合了多种热电效应,譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等,基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性,可分别从一般工况、最大制冷量工况、最大制冷系数工况等方面进行分析。(1)一般工况最佳特性。热电
2、制冷是通过冷端、铜连接片、热端等,发挥吸热和放热的功能效应,在直流电源接通后,热端和冷端的温差会逐渐增大,前者温度上升而放热,后者温度下降而吸热,当两者趋于平衡状态,半导体制冷就会表现出最佳特性。在分析最佳特性时,经常需要考量包括电偶臂温差电动势率、接头绝对温度、热导率、电导率等参数,以确定微元体的热平衡与边界条件。(2)最人制冷量工况最佳特性。在最大制冷量工况条件下,电流与冷端的温度,共同形成制冷量的函数,可藉此求解出电流偏导,当导数趋近于零,半导体制冷就会达到最大制冷量,期间所涉及的参数包括最佳工作电流、最佳工作电压、输入电功率
3、、制冷系数等。(3)最大制冷系数工况最佳特性。在电流变化之后,半导体制冷的制冷量,以及输入电功率等也会随着变化,当制冷量与输入电功率的比值达到最大状态后,就可以利用制冷系数求出电流导数,当导数趋近于零,制冷系数最会达到最人状态,期间涉及的参数与最人制冷量工况最佳特性分析时的参数一致。(4)最大温差工况最佳特性。在保持半导体制冷热端与冷端等尺寸恒定的情况下,增加冷端与热端之间的温度差异,判断最大温差情况下,对电流的影响系数,以此保证出现温差时,半导体制冷最佳特性不受影响。1.半导体制冷热端散热方式研讨基于半导体制冷最佳特性的分析结果,
4、我们在研讨半导体制冷热端散热方式的时候,应该在综合考虑材料和工艺等因素的情况下,重点解决半导体制冷的散热问题,以此提高制冷的系数,使得半导体制冷的功能处于最佳状态。2.1自然对流散热这种散热方式,适用于小型半导体制冷器,利用空气自然对流的原理,以散热片作为热交换器进行对流散热,利用冷端吸热器和空气热交换吸收热量,再经各导热层,将热量传递给热端散热器,以保证制冷的效果。在设计散热器时,我们需要确定散热器与周围空气之间的允许温差、换热系数,以及散热器等的导热系数等,然后根据散热器散热总面积、制冷器传递给散热器总热量等参数,计算出空气自然
5、对流时,对散热器散热面积的利用程度,以此规避受到其他外界因索的干扰。除此之外,散热片的水平放置、垂直向上放置和垂直向下放置等,均可能影响散热的效果,因此我们还可以通过散热器的放置方式调整,提高散热效果控制的自由度。2.2强迫对流散热在构建自然对流散热系统之后,在散热片的端部,安装轴流风机,以强迫通风的方式,提高对流换热的系数。强迫对流散热在同样的散热功率条件下,需考虑到散热片的结构尺寸、空气流速和表现粗糙度等,以及缩小散热的相对面积,并利用流体动力学模拟分析的方法,减少对流散热器的电阻,较为适用于小型空调器。关于强迫通风散热系统所构
6、成的半导体制冷模块,包括轴流风机、被致冷件、散热器、热电制冷器等构件,均是提高対流换热系数等的关键。2.3液体冷却散热相比于自然风冷散热,水冷换热系数更大,止常情况下,环境温度低于25°C时,制冷系统的COP为0.6,相当于强制冷风COP的2倍。一般情况下,半导体制冷模块的水冷散热器热阻,与水流动速度具冇直接关系,后者速度越快,则热阻越低。液体冷却散热,主耍依靠循环回路,并将水箱分隔开,形成多个流道,当冷却水经过半导体芯片热端,吸收热量后再流经散热器进行散热。其中关于热端散热器的设置,配置有一定容积的水箱,在散热器的热阻降低到0.5
7、k?kw-l,并且电流为2.5A时,水箱达到最低温度-20°C,此时的散热效果最好。值得注意的是,液体冷却散热对水质的要求比较高,如果发现水冷却面存在结垢,则要及时清理干净,否则会影响散热器的传热性能。2.4相变散热相变散热主要依靠相变材料的相态变化吸收热量,适用于配置热管的散热器,同样具有较好的散热效果。相变散热可在气流速度不变的情况下,在冷端利用热虹吸管换热器,为冷端提供储冷能力了,以避免在高峰负荷状态下冷量损失太大,以及在断电时,热端的热量原路传回冷端。关于相变散热的设计,需耍通过数值模拟方法,根据不同的制冷工况,掌控散热器表
8、面的温度场分布情况,以保证传热面的均匀性,将散热效果保持在最佳状态。3.结束语综上所述,半导体制冷技术,融合了多种热电效应,譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等,基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性,在研讨半导体制冷热端散热方式
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