基于半導(dǎo)體制冷高效熱回收裝置的研究

杜芳莉，白大雨，房曉平

（西安航空學(xué)院 動力工程系，陜西 西安 710077）

1 引言

隨著現(xiàn)在科技的迅速發(fā)展，電腦悄無聲息的涉足當(dāng)今社會的各個領(lǐng)域，并成為人們生活中必不可少的工具。然而在使用過程中電腦發(fā)熱卻是令人頭痛的事，發(fā)熱不僅影響電腦使用的壽命，而且還會因過熱導(dǎo)致死機(jī)。半導(dǎo)體制冷以其無運(yùn)動部件、連續(xù)工作無噪聲、無震動、制冷時間快、無需制冷劑、零排放、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已得大家的一致認(rèn)可，并已應(yīng)用于電腦散熱中，但其存在一定的缺陷，即半導(dǎo)體熱端熱量直接散到空氣之中，熱量未得到有效的利用，且由于散熱效率不高，影響了半導(dǎo)體的制冷效率。因?yàn)榘雽?dǎo)體的制熱系數(shù)永遠(yuǎn)大于1，熱源處的熱量異常豐富，所以本設(shè)計(jì)巧妙采用熱端熱量回收裝置回收熱量，降低熱端溫度，提高制冷系數(shù)，從而達(dá)到不斷循環(huán)制冷的目的?？紤]到長期使用電腦還會影響人的健康，本設(shè)計(jì)在原有的技術(shù)上還融合了負(fù)離子空氣清新技術(shù)，利用負(fù)離子的良好功能，給上網(wǎng)者提供了良好健康環(huán)境。

2 半導(dǎo)體制冷工作原理

半導(dǎo)體制冷又稱溫差電制冷或熱電制冷。它是根據(jù)直流電通過不同導(dǎo)體，尤其是半導(dǎo)體連接形成的回路時，在節(jié)點(diǎn)處會產(chǎn)生制冷現(xiàn)象而工作的。具體工作原理如下：

N元件的載流子是電子，P型元件的載流子是空穴。當(dāng)溫差電偶的N型元件接入直流電正極，P型元件接入負(fù)極時，N型元件中的電子在電場的作用下向下移動，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時放熱，同樣P型元件中的空穴在電場作用下向下移動，在下端與電源負(fù)電荷聚合，聚合時放熱；同時，電子與空穴在上端分離，分離時吸收熱量。當(dāng)改變電流方向時，吸熱端和放熱端互換，從而達(dá)到制冷的目的。如圖1～圖2所示：

圖1 熱電制冷的工作原理圖

圖2 熱電制冷片的外觀圖

3 熱回收裝置設(shè)計(jì)思路

考慮到電腦散熱主要集中在CPU上，且其體積非常有限，經(jīng)過對DELL筆記本電腦散熱量的計(jì)算，本設(shè)計(jì)擬采用半導(dǎo)體制冷片的型號為：Tecl－12706，外形尺寸為40＊40＊3.8mm。為了能夠更好將CPU上的熱量及時帶走，我們將熱回收裝置中的制冷片的冷端緊貼在CPU上，而在其熱端上設(shè)置換熱用的導(dǎo)流槽，并在導(dǎo)流槽中間設(shè)置擋板，使傳熱介質(zhì)能夠定向流動到換熱臺上，從而達(dá)到高效換熱的目的。熱回收裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

熱回收裝置工作過程為：傳熱介質(zhì)在1處被半導(dǎo)體制冷片加熱，通過水泵2提供動力，流經(jīng)集流器3，從而使熱介質(zhì)迅速運(yùn)動到分流器4處，在加熱臺上為了能使熱介質(zhì)最大限度散熱，進(jìn)而傳遞給需要的加熱裝置上，因此我們將加熱臺內(nèi)部設(shè)計(jì)成波紋形狀且在整個熱裝置外部設(shè)置絕熱層5。同時為了使冷熱介質(zhì)在傳輸時不至于混合而損失熱量，本設(shè)計(jì)在導(dǎo)流槽中設(shè)置分擋水板6，從而使介質(zhì)在每個通道內(nèi)均勻流動，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后，將加熱臺中的導(dǎo)流寬度設(shè)置如圖所示。傳熱介質(zhì)在加熱臺最大限度換熱后，再回流到半導(dǎo)體制冷片1的熱端繼續(xù)循環(huán)，從而保證加熱臺安全穩(wěn)定的工作。

圖3 熱回收裝置結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)驗(yàn)臺搭建

4.1 實(shí)驗(yàn)用主要材料

根據(jù)設(shè)計(jì)思路搭建實(shí)驗(yàn)臺，熱回收裝置實(shí)驗(yàn)臺的主要材料有：半導(dǎo)體制冷片，鈹皮，交直流轉(zhuǎn)換器，小型電動機(jī)，保濕材料，導(dǎo)熱硅脂，5＃干電池兩節(jié)。

4.2 實(shí)驗(yàn)材料的選型

根據(jù)實(shí)際某型DELL筆記本電腦的散熱量，選用材料如下：

（1）半導(dǎo)體制冷片。筆記本電腦因?yàn)轶w積小、厚度小，導(dǎo)致其散熱效果較差。當(dāng)操作者上網(wǎng)玩游戲時，其CPU或者顯卡溫度經(jīng)過實(shí)測最高可到達(dá)80℃左右，甚至100℃，這樣的溫度使電腦在崩潰的邊緣掙扎，從而導(dǎo)致電腦出現(xiàn)藍(lán)屏、花屏、甚至死機(jī)、斷電，折損CPU、顯卡和主板元件的壽命，甚至燒毀。考慮到某型DELL筆記本電腦產(chǎn)熱功率60瓦，所以該實(shí)驗(yàn)臺的搭建選擇如表1型號的制冷片：

表1 半導(dǎo)體制冷片性能參數(shù)表

（2）交直流轉(zhuǎn)換器。考慮到半導(dǎo)體制冷片工作最大電壓為15.2V，最大電流5.8A.所以選擇該規(guī)格如表2所示：

表2 交直流轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)表

（3）加熱臺的選材。常用的散熱器材質(zhì)如下表3所示。

表3 散熱器材質(zhì)性能參數(shù)表

考慮到整體熱回收裝置的散熱性能及其造價，綜合多次經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，本次實(shí)驗(yàn)選擇鋁作為加熱臺的材料。

（4）微型水泵。微型水泵的主要作用在于給該系統(tǒng)提供足夠的動力，使介質(zhì)在換熱器中及時將制冷片熱端產(chǎn)生的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并使介質(zhì)充分換熱以滿足此裝置的基本要求，經(jīng)過對導(dǎo)流槽進(jìn)行沿程阻力及局部阻力的計(jì)算，從而選擇如下微型水泵型號如表4所示：

表4 微型水泵性能參數(shù)表

（5）輔助材料。保溫材料若干，導(dǎo)熱硅脂兩支裝，5＃干電池兩節(jié)以及其它輔助材料。

（6）傳熱介質(zhì)的選擇。在熱回收裝置的設(shè)計(jì)中，傳熱介質(zhì)的選擇在很大程度上影響著傳熱效果。要想將半導(dǎo)體制冷片熱端產(chǎn)生的熱量迅速轉(zhuǎn)移到加熱臺的加熱端，那么就必需選擇良好的傳熱介質(zhì)。本設(shè)計(jì)中，考慮到水的比熱容較大、傳熱效率高、且具有較穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)，無腐蝕性等特點(diǎn)，屬于集合環(huán)境的環(huán)保介質(zhì)，且價格低廉，可進(jìn)行推廣使用，所以本熱回收系統(tǒng)選擇水作為傳熱介質(zhì)。

4.3 擋板和軟接頭的設(shè)計(jì)

擋板作為熱回收裝置的主要部件，存在于熱量傳遞裝置和熱端加熱臺中。擋板的作用是保證傳熱介質(zhì)快速傳至熱端的加熱平臺上，充分放熱后又回到制冷片熱端繼續(xù)吸熱，隨后又將熱傳至加熱平臺上再放熱，如此吸熱——放熱——再吸熱——放熱不斷循環(huán)，從而使傳熱介質(zhì)在熱量傳遞過程中形成動態(tài)平衡，進(jìn)而保證加熱臺持續(xù)工作。而軟接頭的設(shè)計(jì)則是為了使該裝置便于攜帶，使用方便。注：中間是空心的，不能妨礙水的正常流動。

4.4 加熱裝置搭建

4.4.1 加熱臺搭建步驟

（1）制冷片一面緊貼在CPU產(chǎn)熱端，另一面緊貼導(dǎo)熱系統(tǒng)，考慮導(dǎo)熱系統(tǒng)流暢性，安裝表面平度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。

（2）制冷片與CPU產(chǎn)熱端及導(dǎo)熱系統(tǒng)接觸良好，接觸面涂一薄層導(dǎo)熱硅膠。導(dǎo)熱硅脂是一種白色高分子材料，不易揮發(fā)，耐高溫，涂于物體的接觸面可使導(dǎo)熱效果增大2～3倍。

（3）固定制冷片時既要使制冷片受力均勻，又要注意切勿過度，以防將制冷瓷片壓裂。

（4）軟接頭處應(yīng)注意連接緊密，避免堵塞、漏水，且易于更換。

（5）注意整個裝置的密封，盡量避免漏水，而且在其內(nèi)部應(yīng)涂有一層防銹漆，防止設(shè)備腐蝕。

（6）在加熱臺外部應(yīng)做絕熱，防潮等處理。

4.4.2 注意事項(xiàng)

（1）本裝置采用水作為換熱介質(zhì)，散熱條件好，熱面溫度不得超過90℃；

（2）電源可直接采用6V直流電（如蓄電池），也可采用220V／6V交直流轉(zhuǎn)換器，但6V輸出電壓的紋波系數(shù)應(yīng)小于10%，以感性濾波為宜；

（3）安裝時切記不要搞錯冷熱端，分辨冷熱端通常采用通電后用手摸的方法；

（4）結(jié)露問題

當(dāng)半導(dǎo)體制冷片陶瓷表面的溫度降至一定程度時，就不可避免地會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，在電腦機(jī)箱中這種情況絕對不允許發(fā)生。Intel公司在過去的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了結(jié)露這個問題，所以工作中應(yīng)當(dāng)盡量避免半導(dǎo)體制冷片從一個驟冷的環(huán)境到一個驟熱的環(huán)境中去，所以將半導(dǎo)體制冷片的冷面工作溫度控制為20℃為宜；

（5）為了使各部分的熱量及時排出，各相互接觸處均要涂導(dǎo)熱硅脂。

4.4.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)整理

通過對常規(guī)的散熱即用風(fēng)扇散熱和用熱電制冷散熱性能進(jìn)行多次實(shí)際測試，得出如下表5～表6的結(jié)論。

表5 常規(guī)風(fēng)扇散熱性能表

表6 熱電制冷散熱性能表

通過以上兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們不難看出筆記本電腦運(yùn)用熱電制冷代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)冷散熱，可以在更短的時間將熱量散發(fā)掉，散熱效率明顯提高。而熱電制冷熱回收裝置設(shè)計(jì)在滿足設(shè)備散熱的同時將熱量回收利用，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。

5 負(fù)離子發(fā)生器與熱回收裝置的融合

負(fù)離子又稱“活性氧”或“空氣維生素”，它如同陽光空氣一樣是人類健康不可缺少的物質(zhì)，它具有極強(qiáng)的吸附和氧化作用。將其融合到熱電制冷熱回收裝置中，不但可以中和電腦的高壓靜電，而且還可在其前面形成一層負(fù)離子保護(hù)層，有效減少電腦對人體的輻射，從而使我們在工作的同時還可以享受技術(shù)帶給我們的舒適、安逸、健康的生活環(huán)境。其系統(tǒng)圖如圖4所示：

圖4 負(fù)離子發(fā)生器與熱回收裝置集成圖

上述我們利用熱回收裝置，在不影響電腦制冷效果的前提下，將廢熱回收利用，在計(jì)算機(jī)的散熱方面提出了創(chuàng)新。而在散熱器交流電源端集成離子發(fā)生器，采用可控硅變高壓和懸浮式放電針尖端放電原理釋放負(fù)離子，結(jié)構(gòu)簡單、效果良好、安全可靠。工作時可利用風(fēng)扇將含有負(fù)離子的新鮮空氣和冷端產(chǎn)生的冷量混合后吹出，如果可以的話，在上網(wǎng)的同時我們可以通過調(diào)小房間空調(diào)器的檔位，而利用本產(chǎn)品提供的風(fēng)量和冷量使人在舒適的環(huán)境下上網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)能與舒適的目的。

6 結(jié)語

通過試驗(yàn)可知，當(dāng)半導(dǎo)體持續(xù)通直流電時，熱電偶兩端形成溫差，冷端得到一定負(fù)荷的冷量將計(jì)算機(jī)所散熱量轉(zhuǎn)移至熱端的加熱臺上，這樣便于回收熱量同時還可降低熱源溫度，從而使制冷片的電偶持續(xù)制冷，提高制冷系數(shù)。與傳統(tǒng)的風(fēng)扇式的散熱器相比，這種散熱器在降溫效果更好的同時還可以避免熱量浪費(fèi)，同時還可在熱端設(shè)置加熱臺給其他設(shè)備保溫加熱。在散熱器交流電源端設(shè)置離子發(fā)生器，利用風(fēng)扇把含有負(fù)離子的新鮮空氣吹出，為使用者提供更好的空氣品質(zhì)。另外負(fù)離子可以中和電腦的高壓靜電，在其前面形成一層負(fù)離子保護(hù)層有效減少電腦對人體的輻射，滿足人們對生活品質(zhì)的要求。

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