半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)熱端散熱試驗(yàn)研究

黃雙福，林春深，黃金耀，袁俊威

（1.福州大學(xué) 至誠學(xué)院，福州 350002；2.福州大學(xué) 石油化工學(xué)院，福州 350116）

0 引言

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷或溫差電制冷，是一種將電能轉(zhuǎn)化為熱能的高熱流密度器件，基本原理是帕爾帖效應(yīng)［1］。半導(dǎo)體制冷具有：無制冷劑，環(huán)保性好：冷熱轉(zhuǎn)換方便；在小功率制冷時(shí)，制冷系數(shù)較高；制冷速度快，反映敏捷，可以快速實(shí)現(xiàn)大溫差；調(diào)節(jié)性能好；可以做成各種形狀，易于微型化，滿足各種需要［2-3］。顯然，半導(dǎo)體制冷開辟了制冷技術(shù)的新領(lǐng)域，擴(kuò)大了制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍，在某些特殊的場合，有著別的制冷方式所無法替代的作用［4］。然而，在目前的材料水平上，半導(dǎo)體單級(jí)制冷最大能達(dá)到大約70 K的溫差［5-6］。半導(dǎo)體單級(jí)制冷不僅無法實(shí)現(xiàn)更大的溫差，而且在較大的溫差下工作時(shí)，它的制冷系數(shù)迅速下降，制冷工況迅速惡化，強(qiáng)化熱端散熱是目前提高半導(dǎo)體制冷性能的主要手段之一［7-9］。相關(guān)學(xué)者對半導(dǎo)體制冷熱端散熱做了相關(guān)理論研究［10］，同時(shí)做了液體冷卻散熱［11］、熱管散熱［12］、蒸發(fā)冷卻散熱［3］、熱端散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)［13］等試驗(yàn)研究。研究者對熱端散熱改善進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果可提高半導(dǎo)體制冷片的制冷性能，獲得較低的冷端溫度，但獲得冷端最低溫度較為有限，難以滿足大溫差工況要求。

本文對單片半導(dǎo)體制冷片熱端散熱進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)結(jié)果，分析了半導(dǎo)體熱端散熱對冷端溫度的影響因素，在測得不同型號(hào)半導(dǎo)體制冷片最佳散熱工況基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用了分離電流輸入兩級(jí)制冷散熱試驗(yàn)研究，可獲得更低的冷端溫度及更大的工作溫差。

1 單片半導(dǎo)體散熱試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與分析

1.1 單片半導(dǎo)體散熱試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

對TEC1-12706 和TEC1-12704 兩種型號(hào)半導(dǎo)體制冷片分別進(jìn)行了散熱器無熱管強(qiáng)制對流、散熱器有熱管強(qiáng)制對流散熱試驗(yàn)。裝置主要由半導(dǎo)體制冷片、可調(diào)電源模塊、電源調(diào)壓器、保溫材料、測溫儀和散熱器等6 個(gè)部分組成。

散熱器無熱管單片半導(dǎo)體散熱的試驗(yàn)裝置原理如圖1 所示，半導(dǎo)體制冷片熱端通過導(dǎo)熱膠與鋁翅片無熱管散熱器進(jìn)行接觸，為了更好接觸散熱和更準(zhǔn)確測得熱端溫度，在鋁片上加工一個(gè)凹槽放置熱端溫度傳感器，并采用雙風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對流散熱。為了更加準(zhǔn)確測得冷端溫度，采用導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料進(jìn)行保溫，并在冷端與保溫材料之間涂層導(dǎo)熱膠，溫度傳感器接頭嵌入導(dǎo)熱膠內(nèi)。半導(dǎo)體制冷片與風(fēng)扇電壓由DC 直流電源提供，并通過可調(diào)電源模塊對半導(dǎo)體制冷片輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。散熱器有熱管散熱試驗(yàn)裝置中其核心部件是熱管，熱管的蒸發(fā)段與半導(dǎo)體制冷片的熱面緊貼，冷凝段安裝翅片并采用雙風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對流散熱冷凝。除了散熱器外，散熱器有熱管散熱試驗(yàn)裝置其他設(shè)計(jì)部分與散熱器無熱管散熱的試驗(yàn)裝置相同。散熱器有熱管散熱原理如圖2 所示，三維模型如圖3 所示。

圖1 散熱器無熱管散熱試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device for heat dissipation of radiator without heat pipe

圖2 散熱器有熱管散熱試驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device for heat dissipation of radiator with heat pipe

圖3 散熱器有熱管散熱試驗(yàn)裝置三維模型Fig.3 Three-dimensional model diagram of the experimental device of the heat sink with heat pipe

1.2 單片半導(dǎo)體散熱試驗(yàn)測試

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行測試，利用室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)器調(diào)整室內(nèi)溫度趨于固定溫度，利用圖1，2 所示試驗(yàn)裝置對型號(hào)TEC1-12704 和型號(hào)TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片分別進(jìn)行散熱器無熱管散熱和散熱器有熱管的散熱試驗(yàn)，熱端強(qiáng)制對流散熱風(fēng)扇輸入電壓固定，利用電源調(diào)壓器改變半導(dǎo)體制冷片輸入電流，并利用溫度測試儀測得在不同輸入電流下冷端溫度隨時(shí)間變化情況，及其穩(wěn)定工況下冷端溫度。

1.3 單片半導(dǎo)體制冷片試驗(yàn)結(jié)果與分析

在相同的環(huán)境溫度下，本試驗(yàn)分別采用不同輸入電流、在散熱器無熱管、散熱器有熱管條件下對TEC1-12704 和TEC1-12706 兩種不同型號(hào)的單片半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行了試驗(yàn)測試，采集了其冷端溫度隨電流變化情況如圖4，5 所示。散熱器無熱管工況下對應(yīng)輸入電流的最低溫度與穩(wěn)定溫度見表1。

圖4 不同電流下TEC1-12704 半導(dǎo)體制冷片熱端散熱工況Fig.4 TEC1-12704 semiconductor cooling chip hot end heat dissipation under different currents

圖5 不同電流下TEC1-12706 半導(dǎo)體制冷片熱端散熱情況Fig.5 TEC1-12706 semiconductor cooling chip hot end heat dissipation under different currents

表1 散熱器無熱管散熱試驗(yàn)冷端溫度情況Tab.1 The temperature of the cold end of the radiator without heat pipe cooling experiment

1.3.1 電流對冷端溫度的影響分析

圖4（a）示出TEC1-12704 型號(hào)半導(dǎo)體制冷片在散熱器無熱管散熱條件下，冷端溫度隨時(shí)間和輸入電流的變化情況，結(jié)果顯示，在任意輸入電流情況下經(jīng)過一段時(shí)間后半導(dǎo)體冷端溫度都可以趨于穩(wěn)定；結(jié)合表1 所示，在小于2 A 電流輸入時(shí)，冷端溫度隨著時(shí)間下降直至穩(wěn)定，而當(dāng)輸入電流大于2 A 時(shí)，其冷端溫度先下降至一個(gè)最低溫度后再上升，最后溫度也趨于穩(wěn)定；從圖4（c）可看出，冷端最終穩(wěn)定溫度隨著輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-3.1 ℃，所對應(yīng)的輸入電流2.2 A。圖4（b）示出了TEC1-12704 型號(hào)半導(dǎo)體制冷片在散熱器有熱管散熱條件下，冷端溫度隨時(shí)間和輸入電流的變化情況，從圖可以看出，在任意輸入電流情況下冷端溫度隨時(shí)間不斷下降，經(jīng)過80 s 后都趨于穩(wěn)定；從圖4（d）可看出，半導(dǎo)體冷端最終溫度隨著輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-7.5 ℃，所對應(yīng)的輸入電流2.5 A。

圖5（a）示出TEC1-12706 型號(hào)半導(dǎo)體制冷片在散熱器無熱管散熱條件下，冷端溫度隨時(shí)間和輸入電流的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在任意輸入電流情況下經(jīng)過一段時(shí)間冷端溫度都可以趨于穩(wěn)定；結(jié)合表1 所示，在小于2.8 A 電流輸入時(shí)，冷端溫度隨著時(shí)間下降直至穩(wěn)定，而當(dāng)輸入電流大于2.8 A 時(shí)，其冷端溫度先下降至一個(gè)最低溫度后再上升，最后溫度也趨于穩(wěn)定；從圖5（c）可看出，半導(dǎo)體冷端最終穩(wěn)定溫度隨著輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-7.8 ℃，所對應(yīng)的輸入電流2.8 A。圖5（b）示出TEC1-12706 型號(hào)半導(dǎo)體制冷片在散熱器有熱管散熱條件下，半導(dǎo)體冷端溫度隨時(shí)間和輸入電流的變化情況，從圖可以看出，在任意輸入電流情況下冷端溫度隨時(shí)間不斷下降，經(jīng)過70 s 后都趨于穩(wěn)定；從圖5（d）可看出，冷端最終溫度隨著輸入電流的增加而減少，最低溫度為-13.3 ℃，所對應(yīng)的輸入電流3.5 A。

1.3.2 不同散熱方式對冷端溫度的影響分析

從圖4，5 可看出，在輸入電流0～3.7 A 范圍中，同種型號(hào)半導(dǎo)體制冷片在散熱器有熱管散熱比無熱管散熱能夠獲得的冷端最低溫度更低，且所對應(yīng)的工作電流更大，這是因?yàn)闊峁芫哂休^大的熱流密度，提高熱端的散熱強(qiáng)度，熱端熱量對冷端影響較小，所以冷端最低溫度更低。

從圖4（a）和5（a）可看出，當(dāng)工作電流達(dá)到一定時(shí)，其冷端溫度隨時(shí)間變化是先降低再增大最后穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谳^小的電流工況下，熱端產(chǎn)生的熱量不大，散熱器無熱管散熱能夠及時(shí)將大部分熱量帶走，冷熱端溫差小，以導(dǎo)熱形式傳遞給冷端的熱量小，冷端制冷量大于熱端導(dǎo)熱熱量，所以在低電流輸入情況下冷端溫度隨時(shí)間降低，冷端溫度持續(xù)降低冷熱端溫差增大，通過熱端傳遞給冷端的熱量增加，同時(shí)冷端溫度持續(xù)降低，制冷量也減小，當(dāng)通過熱端傳遞過來的熱量等于冷端的制冷量，這時(shí)溫度達(dá)到穩(wěn)定。但是，當(dāng)工作電流增大到一定程度后，在對應(yīng)工作電流下冷端溫度快速降低到一定值，這時(shí)翅片無熱管強(qiáng)制對流散熱的熱流密度小，散熱速率小于產(chǎn)熱速率，導(dǎo)致熱端在瞬態(tài)時(shí)冷熱端溫差大，積累的熱量通過導(dǎo)熱形式將熱量傳遞給冷端，傳遞熱量大于冷端的制冷量，使得冷端溫度上升，冷端溫度上升后，冷熱端溫差減少，熱端傳遞到冷端的熱量減少，當(dāng)冷端產(chǎn)生量與熱端導(dǎo)熱過來的熱量相等時(shí)，這時(shí)溫度達(dá)到穩(wěn)定。

從圖4（b）和5（b）可看出，在電流下其冷端溫度均逐漸降低。這是因?yàn)闊峁苌崞髌錈崃髅芏却?，散熱效果好，?dǎo)致熱端溫度上升速度慢，因此冷熱端溫差增大的速率比較小，在這過程中半導(dǎo)體冷端的產(chǎn)生量大于熱端導(dǎo)熱到冷端的熱量，所以冷端溫度持續(xù)降低。但是，隨著冷熱端溫差增加，熱端導(dǎo)熱到冷端熱量增加，同時(shí)隨著冷端溫度降低，產(chǎn)生量也減小，當(dāng)制冷量減小到與增加的導(dǎo)熱量相等時(shí)，這時(shí)冷端溫度達(dá)到穩(wěn)定。

1.3.3 同種散熱條件下不同功率半導(dǎo)體冷端溫度分析

從圖4（b）和圖5（b）可看出，在散熱器有熱管強(qiáng)制對流散熱、任何電流輸入條件下其冷端溫度均逐漸降低，但是大功率TEC1-12706 型半導(dǎo)體片冷端溫度隨電流增大而減少，小功率TEC1-12704 型半導(dǎo)體片冷端溫度隨電流增大先增大后減少。這是因?yàn)?，隨著輸入電流增加大功率功率半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生熱量增加，但是增加到最大值時(shí)，以散熱器的熱流密度和結(jié)構(gòu)形狀能夠帶走產(chǎn)生的大部分熱量，對冷端溫度影響較小。小功率半導(dǎo)體制冷片其熱端產(chǎn)生熱量相對大功率半導(dǎo)體制冷片多，當(dāng)工作電流達(dá)到一定值時(shí)，積累在熱端的熱量大，熱管散熱器熱流量有限，不能夠及時(shí)散走大部分熱量，對冷端溫度影響凸顯，導(dǎo)致冷端溫度不能夠隨電流增加而繼續(xù)下降。

2 分離電流輸入兩級(jí)制冷散熱試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與分析

圖6 兩級(jí)制冷散熱器有熱管散熱試驗(yàn)原理及裝置Fig.6 Experimental device of radiator with heat pipes for two-stage refrigeration heat dissipation

2.1 分離電流輸入兩級(jí)制冷散熱試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

對單片半導(dǎo)體片進(jìn)行試驗(yàn)得到冷端最低溫度較為有限，為了獲得更低制冷溫度，本文設(shè)計(jì)了分離電流輸入兩級(jí)制冷，采用一片半導(dǎo)體的冷端制冷量來對另一片半導(dǎo)體的熱端進(jìn)行散熱的試驗(yàn)裝置，并通過調(diào)節(jié)輸入電流進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文選擇 了TEC1-12706 與TEC1-12706，TEC1-12706與TEC1-12704 兩組型號(hào)組合試驗(yàn)。由前文4 種試驗(yàn)工況可知，TEC1-12706 型號(hào)半導(dǎo)體制冷片采用散熱器有熱管強(qiáng)制對流散熱工況獲得的溫度最低為-13.3 ℃，對應(yīng)輸入電流3.5 A，因此，在2組試驗(yàn)中本文將該工況的冷端制冷量作為另一片半導(dǎo)體制冷片的散熱器。為了區(qū)分半導(dǎo)體片，作為散熱器的半導(dǎo)體片記為TEC1-12706 半導(dǎo)體片A，另一片作為制冷端的記為半導(dǎo)體片B，TEC1-12706 半導(dǎo)體片A 冷端面與半導(dǎo)體片B 熱端面緊貼，同時(shí)對半導(dǎo)體片B 冷端進(jìn)行保溫。通過調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)兩片半導(dǎo)體片輸入電流，測得半導(dǎo)體片B 冷端溫度隨電流變化情況。試驗(yàn)原理及裝置如圖6 所示。

2.2 分離電流輸入兩級(jí)制冷試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

對TEC1-12706 與TEC1-12706 組合半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行兩級(jí)制冷試驗(yàn)，試驗(yàn)開始時(shí)，將散熱風(fēng)扇打開，調(diào)節(jié)輸入電流使得半導(dǎo)體片A 工作電流為3.5 A，測得半導(dǎo)體制冷片B 冷端的溫度，然后調(diào)壓器調(diào)節(jié)制冷片B 輸入電流從0 開始，每調(diào)節(jié)一次電流半導(dǎo)體片B 冷端溫度會(huì)發(fā)生變化，待其穩(wěn)定測得對應(yīng)的溫度。試驗(yàn)結(jié)果如圖7（a）所示，半導(dǎo)體片B 冷端的溫度隨著其輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-35.6 ℃，所對應(yīng)半導(dǎo)體片B 輸入電流為1.6 A。這是因?yàn)樵诘碗娏鬏斎霑r(shí)，半導(dǎo)體片A 制冷量大于半導(dǎo)體片B 的散熱量，但是隨著輸入電流的增加，半導(dǎo)體片B 的散熱量增加，導(dǎo)致制冷效果變差，溫度升高。

為了確定最低溫度所對應(yīng)的最佳工作電流組合，本文進(jìn)一步試驗(yàn)，將半導(dǎo)體片B 輸入電流為1.6 A 保持不變，半導(dǎo)體B 電流從最大3.5A 逐漸降低至0.4 A，結(jié)果如圖7（b）顯示，隨著半導(dǎo)體片A 輸入電流減少，其溫度變化從圖7（a）中的最低溫度先小幅度下降至-38.6 ℃后逐步上升，最低溫度所對應(yīng)的輸入電流為3.1 A。溫度會(huì)有小幅下降是因?yàn)?，?dāng)半導(dǎo)體片A 電流輸入減小時(shí)，在這樣的組合工況下，制冷量上升，帶走半導(dǎo)體片B熱端的熱量提高，使得半導(dǎo)體片B 冷端溫度下降。同時(shí)半導(dǎo)體片A 的冷端即為半導(dǎo)體片B 的熱端，在保證散熱能力下，半導(dǎo)體片B 的熱端溫度相比單片半導(dǎo)體散熱試驗(yàn)的熱端溫度低，使得最低冷端溫度可比單片半導(dǎo)體散熱的最低冷端溫度低。

利用同樣的方法對TEC1-12706、TEC1-12704 半導(dǎo)體片進(jìn)行兩級(jí)制冷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示冷端溫度變化趨勢與2 片TEC1-12706 半導(dǎo)體制冷片兩級(jí)制冷試驗(yàn)相似，如圖8 所示。

圖7 雙片TEC1-12706 半導(dǎo)體片兩級(jí)制冷冷端溫度變化情況Fig.7 The temperature change at the cold end of two-stage refrigeration of TCE1-12706 semiconductor chip

圖8 TEC1-12706 、TEC1-12704 半導(dǎo)體片兩級(jí)制冷冷端溫度變化情況Fig.8 The temperature change at the cold end of two-stage refrigeration of TEC1-12706 and TEC1-12704 semiconductor chip

在相同的輸入電流3.5 A 的初始工況下TEC1-12706 半導(dǎo)體A 冷端對半導(dǎo)體B 熱端進(jìn)行散熱，TEC1-12704 型半導(dǎo)體B 輸入電流為1.4 A時(shí)其冷端最低溫度為-31.7 ℃高于TEC1-12706 型半導(dǎo)體B 輸入電流為1.6 A 的冷端最低溫度-35.6 ℃，主要原因是在相同熱端散熱情況下，小功率半導(dǎo)體制冷片熱端散熱量大，制約著冷端溫度進(jìn)一步降低。在TEC1-12706 輸入電流為3.3A，TEC1-12704 輸入電流為1.4 A 組合下，獲得的最低溫度為-34.4 ℃。其獲得最低溫度比雙片TEC1-12706 兩級(jí)制冷所試驗(yàn)得到的溫度高。試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用分離電流輸入兩級(jí)制冷能夠大幅降低冷端溫度，從而提高半導(dǎo)體制冷片的工作溫差，同時(shí)在最佳組合輸入電流工況下其冷端溫度可達(dá)到最低，制冷功率越大的半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行兩級(jí)制冷得到的冷端溫度更低。

3 結(jié)論

（1）散熱器無熱管散熱TEC1-12704 和TEC1-12706 型半導(dǎo)體在輸入電流較小時(shí)，其冷端溫度都隨時(shí)間減小最后趨于穩(wěn)定，當(dāng)輸入電流達(dá)大于一定值時(shí)，冷端溫度隨時(shí)間先減小后增大，最后達(dá)到穩(wěn)定；2 種類型半導(dǎo)體的冷端穩(wěn)定溫度隨輸入電流先減小后增大。

（2）散熱器有熱管散熱隨輸入電流增大TEC1-12704 型半導(dǎo)體冷端穩(wěn)定溫度先減小后增大，而TEC1-12704 型半導(dǎo)體冷端溫度減小。在某個(gè)輸入電流下，2 種類型半導(dǎo)體冷端溫度都隨時(shí)間的增大而減小。

（3）散熱器無熱管散熱TEC1-12704 最低溫度為-3.1 ℃對應(yīng)電流2.2 A，TEC1-12706 最低溫度為-7.5 ℃對應(yīng)電流2.5 A；散熱器有熱管散熱TEC1-12704 最低溫度為-7.8 ℃對應(yīng)電流2.8 A，TEC1-12706 最低溫度為-13.3 ℃對應(yīng)電流3.5 A。顯然散熱器采用有熱管散熱，改善散熱工況降低冷端溫度。

（4）試驗(yàn)測試分析不同類型單片半導(dǎo)體制冷片的最低冷端溫度的輸入電流和散熱工況，并對應(yīng)工況下，采用雙片TEC1-12706 型半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行兩級(jí)制冷，在輸入電流為1.6 A 和3.1 A 組合下，其冷端溫度可達(dá)到-38.6 ℃。試驗(yàn)顯示，通過半導(dǎo)體的冷端來散熱另一片半導(dǎo)體的熱端可使冷端溫度大幅降低，提高了半導(dǎo)體制冷片的工作溫差，制冷功率越大的半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行兩級(jí)制冷可得到更低的冷端溫度。