半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)制冷效率影響因素的研究

王宜志 陳德根 馮婧 劉霞

摘 要：本文在對(duì)半導(dǎo)體制冷物理模型的分析的基礎(chǔ)上，對(duì)半導(dǎo)體制冷過程中的影響因素進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，在半導(dǎo)體制冷過程中，電流的變化以及冷熱端散熱的效果，對(duì)半導(dǎo)體制冷系數(shù)有較大影響。通過建立實(shí)際半導(dǎo)體制冷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試了半導(dǎo)體制冷在電流變化以及不同散熱方式下的制冷效率，為半導(dǎo)體制冷裝置的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷；制冷量；散熱效果；電流

0 引言

半導(dǎo)體制冷是利用電熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一種制冷方式，半導(dǎo)體制冷沒有復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)元件，因此具有工作穩(wěn)定、清潔的優(yōu)點(diǎn)。此外，尺寸小，溫度控制精確也是半導(dǎo)體制冷的顯著優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于電子器件、精密醫(yī)療器械、軍工特殊需要的微小空間散熱。在過去幾十年里，半導(dǎo)體制冷方面的學(xué)者主要集中于半導(dǎo)體制冷材料方面的研究，重點(diǎn)研究提高制冷器優(yōu)值系數(shù)。近些年，隨著制冷器優(yōu)值系數(shù)的提高，部分學(xué)者的研究方向轉(zhuǎn)向了對(duì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的研究，主要集中于半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)和控制上的研究：熱電臂幾何尺寸，散熱強(qiáng)度對(duì)半導(dǎo)體制冷效率影響，半導(dǎo)體制冷級(jí)聯(lián)等。

1 熱平衡理論與半導(dǎo)體制冷器的物理模型

半導(dǎo)體制冷的原理是把P型半導(dǎo)體元件和N型半導(dǎo)體元件組合成一對(duì)熱電偶對(duì)，一對(duì)熱電偶稱為一個(gè)半導(dǎo)體熱電單元，由于單個(gè)的熱電偶對(duì)制冷效果不能滿足使用，所以工業(yè)化的半導(dǎo)體制冷片就是把 多個(gè)熱電單元在電路上進(jìn)行串聯(lián)，然后利用具有良好散熱性能的陶瓷片進(jìn)行封裝。在半導(dǎo)體制冷片上接通直流電源，由于存在帕爾貼效應(yīng)，在陶瓷偏上就會(huì)產(chǎn)生冷熱端。如果電流從N端流向P端，陶瓷面向空氣吸收熱量，溫度降低，也就是形成了我們所謂的制冷端；若電流從P端流向N端，陶瓷面向空氣釋放熱量，溫度上升并形成熱端，借助各種散熱方式，將半導(dǎo)體制冷片上冷端和熱端的熱量通過各種方式傳遞到我們需要制冷或者加熱的空間，就實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體制冷。在半導(dǎo)體制冷過程中除了有帕爾貼效應(yīng)外，還有塞貝克效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)，傅里葉效應(yīng)，焦耳效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體制冷片制冷材料的以及對(duì)熱交換的研究，可以得到以下公式：

2 半導(dǎo)體制冷效果影響因子分析

在半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，半導(dǎo)體制冷的效果分別受到了半導(dǎo)體制冷片電流、冷熱端散熱方式的影響較大。下面對(duì)這兩個(gè)方面分別分析：

2.1 電流對(duì)半導(dǎo)體制冷過程的影響

根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的物理模型，由式（2）可以看出，影響半導(dǎo)體制冷的制冷量的最大因素是通電電流。通過對(duì)TEC12706進(jìn)行測(cè)試，在半導(dǎo)體熱端散熱情況相同的條件下，半導(dǎo)體制冷片的制冷量隨電流的變化而變化，但是在變化過程中有一個(gè)最佳制冷系數(shù)點(diǎn)，在該點(diǎn)的半導(dǎo)體制冷的制冷效率最高，如圖1所示。

2.2 冷熱端散熱效果對(duì)半導(dǎo)體制冷過程的影響

半導(dǎo)體熱端散熱效果直接影響到的就是制冷過程中的半導(dǎo)體進(jìn)行熱交換時(shí)的熱阻，從上式（2）可見，半導(dǎo)體制冷片的冷熱端熱阻是能夠影響制冷量 的重要參數(shù)，通過小型半導(dǎo)體制冷空間在不同散熱方式下制冷量的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2可以看出，熱端散熱效果越好，制冷系統(tǒng)的制冷量越大。在強(qiáng)迫風(fēng)冷測(cè)試中，改變熱端的風(fēng)量，可以顯著提高最大制冷工況。而在水冷測(cè)試過程中，減小冷卻水的溫度和增大水流量，也可以提高半導(dǎo)體制冷片的最大制冷工況。

3 總結(jié)

本文對(duì)半導(dǎo)體制冷的物理模型進(jìn)行了分析，分析了半導(dǎo)體制冷的制冷量受到電流和熱端散熱強(qiáng)度的影響。電流在半導(dǎo)體制冷過程中是一個(gè)可控因素，在設(shè)計(jì)和制作小型制冷空間過程中，可以通過對(duì)電流的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷設(shè)備制冷量的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷溫度的調(diào)節(jié)，但在調(diào)節(jié)過程中需要注意電流不能超過最佳工作點(diǎn)，否則會(huì)影響制冷效率的下降。而半導(dǎo)體制冷片制冷過程中，熱端的散熱效果是影響制冷量的一個(gè)重要因素，在半導(dǎo)體制冷裝置中，做好熱端的散熱和冷端熱交換，可以很好地提高制冷效率。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程系）