有限散热强度下半导体制冷器性能的实验研究

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20 0 3年

半导体制冷中热端散热和工作电流的选取是最重要的两个环节，一方面，热端换热系数越大越好，较大的换热系数导致较低的热端温度和冷端温度，可以同时减少热端散热时的可用能

损失和提高冷端的制冷效果；另一方面，当热端换热系数一定时，电流的选取存在一最佳值，高于此值导致焦耳热过大，低于此值又导致冷能力过小。本文将从实验和计算两个方面，找出在一定的热端换热系数下半导体制冷器的最佳工作电流值。 2实验装置及测量2 1实验装置 . 实验中采用的装置如图轴流风机肋片半导体制冷片绝热材料发热片绝热面

1示，主要由发热片、半所

导体制冷片和散热片组成。 由于多级半导体制冷热电堆不适用于制冷量较大的场 2 2

合l,这里采用单级半导体 制冷片。用纯电阻片作为发热片发热，通过调节输入电

压改变发热功率 (一5 0w 0W),即改变半导体制冷片图 1实验装置简图

的制冷量。半导体制冷片的冷端对发热片进行冷却，热端采用风扇和肋片进行散热 (散热其能力将在实验中测量 )。半导体制冷片采用 1的直流电源，通过调节串联电阻的阻值改变 2V半导体制冷片的工作电压。在几个片子的接触面之间均涂有导热脂，并用夹子夹紧，以减小接触热阻。半导体片和发热片四周绝热。 温度测量采用标定过的 T型热电偶，用两个热电偶分别测量半导体片冷端和热端的温度。另外还需要测量半导体制冷片的直流电压和电流，以及发热片的交流电压和电流 (于用

计算发热片的电功率 )。2 2实验结果与分析 .

实验中采用型号分别为 17 4和 176的两种半导体制冷片对发热片进行冷却 (导体 20 20半制冷片的参数见表 1,分别改变半导体制冷片的制冷工况，在不同的工况下测出发热片的 )表面温度随其发热量的变化曲线，包括不使用半导体制冷片而只用风扇和散热片进行散热

时的温度一发热量曲线，用于比较半导体制冷片的冷却效果。

表 1实验所用半导体制冷片的参数

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图 2是用 174进行冷却时测得的数据，图中同时给出了每个工况下冷端和热端的温度 20曲线。从图中可看出，不同工况下的冷端温度曲线近似为相互平行的直线，热端温度曲线亦

是如此。随着工作电压的增加，由于消耗电功率的增大，热端温度曲线向上平移，冷端温度曲线在电压小于 7 7V时随电压的增加向下平移，而当电压超过 7 7V之后开始向上平移。 . . 这是因为工作电压的增加一方面带来冷端制冷量的增加，使冷端温度有降低的趋势，另一方面又带来焦耳热的增加，并继而导致热端温度上升，使冷端温度又有升高的趋势，这两种趋势在工作电压为 7 7V左右时达到平衡。进一步细致的测量表明，当电压为 8V左右，电流 . 为 2A时冷端温度曲线最低。对 1 7 6进行类似的测量得到它的转折电流为 2 4A,我们称 20 .这个转折工况的工作电流为最佳电流，。图 3给出了半导体制冷片的最佳工况与不使用半 M

导体制冷片仅用风扇和肋片冷却时的工况的比较结果，由于对 17 4和 176进行测量时的 20 20环境温度不同，所以有两条不同的风扇散热曲线。从图中可以看出，风扇散热曲线也近似为直线，与半导体片冷却直线交于一点，容易理解，当发热片的发热量低于这一点时，使用半导体片进行冷却是有效的，而当发热片的发热量超过这一点时，使用半导体制冷片反而使散热恶化，可见选择半导体制冷片的制冷量在适当的区域是非常重要的。我们称这个交点处的制冷量为临界制冷量 9M在图 3中可以读出，2 0, 17 4的 QM在 1左右， 17 6的 9 5W而 20 M在 2 4W左右。

0

2 4 6

丑

1 1 2 4

埔

20 22 24 26 28 30

0

2 4 6

丑

。

8 20 22 24 26 2 3 8 0

发热量■带热 -

/

厦熙I ’

图 2半导体制冷片 17 4的几种工况 20

图 3半导体制冷片的冷却效果

3理论分析

根据文献[] 7,当假设半导体材料的塞贝克系数 J s、热导率、电阻率』不随温度变化 D时，一个具有Ⅳ个串联的 P—n热电对，工作电流为，的单级制冷热电堆的冷端吸热量可表达为

Q 0: N[ I￣ IR ST一T 2—

K( h ) T—] K( h ) T一]

() 1 () 2

热端放热量为

Q l: N[ I h 2 ST+ IR—

对热端，还可列出换热方程： Ql= ( h— ) T () 3其中 R和分别为单个热电对的电阻和热导，和分别表示热电堆的热端和冷端温度，

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为环境温度，= a F表示风扇换热的总热导。 从以上三个方程即可推出在一定工作电流下，端温度冷随制冷量 Q 0变化的直线关系

式，这个关系式关于，的表达过于复杂，便于我们分析最佳工况。此，一步进行简化近但不为进似。设半导体片消耗的电功率为 P,根据能量守恒有：假则Ql= Q o+P 事实上，用 ( )一 ( )即得： P= N I T 2 1 S ( h— T )+,R 2 () 4 () 5

由于我们主要考虑的是， M和 QM在这个工况附近，冷片的冷热端温差 (一 )会太大，,制 不

因而 N I T S ( h— T ) N I￣比显得很小，,R跟 NST是可比拟的，我们可将 ()中等 跟 ST相而 2 I故 5号右边的第一项略去，不至于明显地影响对，而 M和 QM的求解。 求解 ( ) 3,( ) 5 1,( ) 4,( )可得：

T=丽 l c￣+r Q+ a oT h= Qo+( 其中+ T) o

() 6() 7

= NK。典型工况 (佳电流，= 2 A附近 )下，边两式所表达的近似解与求解在最 M 上

( ) ( ) ()所得的理论解在图 4中进行比较，以看出在制冷量较低时二者之间所存在较 1、2、3式可大的误差，当制冷量接近临界制冷量时，个误差就变得很小。中还给出了该工况下的实而这图测数据，以看出，可理论值

与实测值之间存在着一定的误差，致这个误差的因素有以下几个：导 ( )忽略了接触面的接触热阻； 2 1 ( )忽略了漏热； 3忽略了材料性能参数随温度的变化。冷 ()制量较大时造成误差的主要因素是前两个因素，中接触热阻有使冷端温度理论值低于实测值其

的趋势，漏热有使冷端温度理论值高于实测值的趋势。冷量较小时造成误差的主要因素而制是后两个因素，都有使冷端温度理论值低于实测值的趋势。现在考虑仅仅用风扇和肋片进行散热的情形，此时发热量可表达如下： Q (一 ) o= () 8

这里仍用表示发热片表面的温度。从 ()和 ( )中求得两条不同的冷却曲线的交点： 6 8Q 。:其中A: : + , c: 。 () 9

能使 ( )中的 Q最大的电流即为，。因此对 Q求导： 9 o M o O o A—2 I" B I Q . B 4 C2 - a一， ( 1一 C ) 令 a :0可得： 一 I ‘A一 2BI" 4 -BCI: 0 2

,

B±￣/B一 A BCBC

M

根据实验结果选取

』=,: M

B二 C

( 0 1) l, u

将这个电流代入式 ( )即可求出临界发热量 9

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用上边的两个式子对实验工况下 174和 176分别计算，结果与测量值的比较 …… 此处隐藏：2967字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……