基于蒸發(fā)冷卻的半導體制冷裝置制冷性能研究

姜 坪 魏曉雯 穆宜軒

(浙江理工大學建筑環(huán)境與能源應用工程系 杭州 310018)

1 引言

半導體制冷(也稱熱電制冷,thermo electric cooler,TEC)裝置具有體積小、無運動部件、無噪音、無制冷劑、制冷速度快、易于維護等優(yōu)點,并且可組合成多級半導體制冷系統(tǒng)實現低溫制冷,半導體制冷技術被認為是最具潛力的制冷技術之一。研究者發(fā)現一種電子遷移現象,在電流密度較高的金屬上,由于電子遷移所產生的動量會使得金屬原子逃逸金屬表面,長此以往會對金屬造成不可逆的影響,且溫度越高,電子遷移的速率就越快,長時間會導致材料燒毀[1]。實際應用的半導體制冷裝置的冷、熱端需要不斷地熱交換才能保持正常工作。工作時,半導體制冷片的冷、熱端面的散熱密度可以達到104W/m2[2]。半導體制冷片的冷、熱端換熱性能的好壞直接影響整個制冷系統(tǒng)的運行。

提高半導體制冷片制冷效果的關鍵是:

(1)半導體材料的開發(fā)。半導體制冷技術發(fā)展的瓶頸之一在于材料的優(yōu)值系數低,同晶類化合物形成類質同晶固溶體,可使晶格熱導率降低,從而使得材料優(yōu)值系數增加[3]。S W Kim 等以TiNiSn 為基底,在惰性氣體環(huán)境下,結合熱壓成型和粉末冶金技術,實現了超高熱電性能合金材料的制造,其優(yōu)值系數高達0.7—0.8,熱電性能提高較為顯著[4]。

(2)提高熱端散熱效率。由于半導體制冷片的厚度很小,在工作時熱端產生的熱量如果沒有及時散去很容易通過半導體制冷片本身滲透到冷端,影響制冷效果[5]。半導體制冷常見的散熱方式有:自然對流散熱、氣體強制對流散熱、液體對流散熱、相變散熱[6]等。因自然對流的散熱強度無法滿足半導體制冷片熱端的散熱,所以氣體強制對流散熱在半導體制冷裝置中應用較為廣泛。D Astrain 等利用熱虹吸管強化熱端的散熱,該情況下熱端熱阻比一般翅片換熱器減少36%,制冷系數提高32%[7]。李茂德等對半導體制冷片在第三類邊界條件下進行求解,得出制冷性能與熱端散熱強度之間的解析關系式,同時得出隨著熱端散熱強度的增強,制冷性能有所提升,但不可無限制通過提高熱端散熱強度來提高半導體制冷片的制冷性能[8]。

目前對半導體制冷裝置熱端散熱的研究主要集中在風冷、水冷熱端散熱方式對制冷性能的影響上。在實際應用中,風冷的散熱強度有限,水冷可較好地解決熱端散熱問題,但其缺點是需要額外的裝置對循環(huán)水進行能量補償,循環(huán)水的降溫也會帶來額外的能耗和運行成本。采用熱端蒸發(fā)冷卻的方式,只需增加較小的水泵功耗,無需對冷卻水進行降溫處理,便可有效降低熱端溫度。本文通過實驗測試,對比分析了兩種風速情況下強制對流散熱、加裝超聲波加濕器散熱、加裝噴水器噴淋散熱對半導體制冷裝置制冷性能的影響,同時測試分析了半導體制冷裝置熱端進出口溫度隨不同散熱方式的變化規(guī)律。

2 實驗方案

2.1 實驗裝置

實驗采用的半導體制冷片的型號是CL-C067,其性能參數見表1。實驗裝置包括半導體制冷裝置、兩臺超聲波加濕器、電動噴水器、軸流風機、調速水泵、直流穩(wěn)壓電源盒、溫濕度記錄儀、功率測試儀、水箱等,實驗儀器的性能參數見表2。其中半導體制冷裝置由兩片CL-C067 型半導體制冷片和冷熱端換熱器所組成,冷熱端換熱器與半導體制冷片之間均勻涂抹導熱硅膠,以減少接觸熱阻。半導體制冷裝置的熱端換熱器為鋁制肋片型散熱器,在外側加設一個可改變風量的軸流風機,可調節(jié)風量和風速。半導體制冷裝置的冷端換熱器為鋁制四流程水冷換熱器,水箱中的水通過水泵進入鋁制水冷換熱器進行冷量的傳遞,為盡可能減少冷量的散失,在流道外加貼保溫層。直流穩(wěn)壓電源盒為半導體制冷裝置提供穩(wěn)定的直流電,功率測試儀測試半導體制冷裝置的功耗,實驗裝置構成如圖1 所示。水箱1 內為普通自來水,為冷端提供進水,與冷端換熱后的冷凍水排入水箱2,通過測量水的流量及水溫變化可計算制冷量的大小。熱端進出口空氣狀態(tài)由溫濕度記錄儀測得,在強制對流散熱和加裝噴水器噴淋散熱的實驗中,在熱端散熱器進出口各設置一個溫度測點,在加裝超聲波加濕器散熱的實驗中,在超聲波加濕器前加設一個測點。

表1 CL-C067 半導體制冷片性能參數Table 1 Parameters of CL-C067 semiconductor refrigeration chip

表2 實驗儀器性能參數Table 2 Performance parameters of experimental instruments

圖1 實驗裝置構成Fig.1 Experimental setup

2.2 實驗工況參數

實驗分3 種工況進行,工況1 測試半導體制冷裝置在不同強制對流風速下的制冷性能;工況2 測試加裝超聲波加濕器散熱的半導體制冷裝置在不同強制對流風速下的制冷性能;工況3 測試加裝噴水器噴淋散熱的半導體制冷裝置在不同噴水量及強制對流風速下的制冷性能,3 組實驗工況的實驗參數見表3。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗數據處理

通過測試冷端循環(huán)水泵的流量及冷端換熱器的進出口的溫度,可得半導體制冷裝置輸出的制冷量,制冷量的計算公式為:

式中:Q為半導體制冷裝置的制冷量,W;c為水的比熱容,J/(kg·℃),取4.2 ×103J/(kg·℃);m為水的質量流量,g/s;Δt為冷端換熱器進出口的水的溫差,℃。

半導體制冷裝置的COP為半導體制冷裝置所輸出的制冷量與半導體制冷裝置輸入的功率之比,COP的計算公式為:

式中:COP為半導體制冷裝置的性能系數;P1為半導體制冷裝置的輸入功率,W。

半導體制冷系統(tǒng)的EER為半導體制冷裝置所輸出的制冷量與整個系統(tǒng)消耗的功率之比,EER的計算公式為:

表3 三種實驗工況在不同風速下的實驗參數Table 3 Experimental parameters of three experimental conditions under different wind speeds

式中:EER為半導體制冷系統(tǒng)的能效比;P2為半導體制冷裝置散熱系統(tǒng)的輸入功率,W。

將實驗所測冷端換熱器進出口水溫、半導體制冷裝置功耗及散熱裝置的功耗代入式(1)—式(3),得到各實驗工況下的制冷量、COP和EER,如表4所示。

表4 不同實驗工況下半導體制冷裝置的制冷量、COP 和EERTable 4 Refrigeration capacity,COP and EER of semiconductor refrigeration device under different experimental conditions

3.2 熱端散熱器不同散熱強度實驗結果分析

由表4 可見,隨著強制對流風速的增大,半導體制冷裝置的制冷量、COP和EER均有所提高,與小風速工況相比,大風速工況下制冷量、COP和EER分別增加了29.4%、26.3%、22.4%,說明增強強制對流強度,能夠有效提高半導體制冷裝置的制冷性能。在強制對流散熱工況下,熱端散熱器進出口溫度如圖2所示,大約在實驗進行了600 s 時,熱端散熱器的進出口溫度逐漸趨于穩(wěn)定,小風速情況下,熱端進口溫度維持在30.6 ℃,熱端出口溫度維持在39.5 ℃,熱端散熱器進出口溫差約為8.9 ℃,大風速情況下,熱端進口溫度維持在29.1 ℃,熱端出口溫度維持在36.1 ℃,熱端散熱器進出口溫差約為7.0 ℃。

圖2 強制對流散熱工況下熱端進出口溫度Fig.2 Inlet and outlet temperature of hot side under forced convection

增強強制對流強度,可減小熱端散熱器進出口空氣的溫差,使熱端溫度降低,可減小冷熱端之間的熱傳遞,冷量的損失減小。因此在實際工程應用中,應確保熱端散熱能滿足半導體制冷裝置的散熱要求,避免因熱量堆積而造成制冷效率過低。

3.3 加裝超聲波加濕器散熱工況下半導體制冷裝置的制冷性能

在軸流風機的吸入口前,加設兩臺小型超聲波加濕器,超聲波加濕器通過其內部水槽的振蕩片所產生的高頻震蕩,將水珠打散成直徑為5 μm 左右的均勻霧狀水粒,增大蒸發(fā)表面積,可通過水霧蒸發(fā)帶走熱量。

加裝超聲波加濕器散熱工況下,熱端散熱器進出口溫度如圖3 所示。從圖3 中可以看出,在環(huán)境溫度基本保持不變的情況下,熱端進口溫度因為超聲波加濕器所產生的水霧蒸發(fā)而降低。當實驗進行約210 s時,熱端進出口測點的溫度趨于穩(wěn)定。在小風速情況下,因為水霧的蒸發(fā)冷卻作用,熱端散熱器入口的溫度約為22.4 ℃,較環(huán)境溫度低3.3 ℃,熱端散熱器出口溫度約為35.9 ℃,而相同風速下強制對流散熱工況的熱端散熱器出口溫度約為39.5 ℃,加裝超聲波加濕器可使熱端散熱器出口溫度降低約3.6 ℃;在大風速情況下,熱端散熱器入口溫度約為22.6 ℃,較環(huán)境溫度低3.1 ℃,熱端散熱器出口溫度約為34.3 ℃,而相同風速下強制對流散熱工況的熱端散熱器出口溫度約為36.1 ℃,增設超聲波加濕器可使熱端散熱器出口溫度降低約1.8 ℃。與強制對流散熱的裝置相比,在小風速條件下,增加超聲波加濕器可使制冷量、COP和EER分別增加10.2%、9.6%、7.4%;在大風速條件下,3 者分別增加6.4%、6.4%、4.4%。

圖3 加裝超聲波加濕器散熱工況下熱端進出口溫度Fig.3 Inlet and outlet temperature of hot side with ultrasonic humidifier

3.4 加裝噴水器噴淋散熱工況下半導體制冷裝置的制冷性能

通過加裝噴水器來實現熱端的蒸發(fā)冷卻,噴淋的冷卻水水溫維持在26.5 ℃,熱端散熱器進口空氣溫度維持在27.1 ℃左右,熱端散熱器出口空氣溫度如圖4 所示。從圖4 中可以看出,隨著風速的增大或噴水量的加大,熱端散熱器的出口溫度均隨之下降。當實驗進行時間約為240 s 時,熱端出口的溫度逐漸趨于穩(wěn)定。在大風速且噴水量為最大(7.73 g/s)時,熱端出口溫度最低,約為33.8 ℃;在小風速且噴水量為最小(4.17 g/s) 時,熱端出口溫度最高,約為38.5 ℃。由表4 的數據可得,與強制對流工況相比,在噴水量為7.73 g/s 時,制冷效果最佳,制冷量、COP分別增加18.9%、11.0%,這是因為噴水器所噴淋的水量越多且風速越大時,翅片表面的蒸發(fā)吸熱速度越快,蒸發(fā)冷卻的效果越好。通過加裝噴水器噴淋散熱可提高半導體制冷裝置的COP,與強制對流散熱相比,在小風速情況下,調節(jié)三檔不同噴水量,COP分別提高5.2%、13.3%、15.0%;在大風速情況下,隨著噴水量的增加,COP分別提高1.3%、5.9%、6.9%。隨著噴水量的加大,COP的提升速率變緩,這是因為半導體制冷裝置的制冷性能還受材料等因素的限制,并不能無限制通過提高熱端散熱強度來提高制冷裝置的COP。

圖4 加裝噴水器噴淋散熱工況下熱端出口溫度Fig.4 Outlet temperature of hot side with sprinkler

加裝噴水器噴淋散熱對于EER的提升效率最大僅為3.3%,甚至會出現能效比低于強制散熱工況的情況。雖然制冷性能與散熱強度正相關,但是伴隨著半導體制冷裝置散熱系統(tǒng)輸入功率的增加,也就是增加的噴淋水泵的功耗抵消了COP的提高。加裝超聲波加濕器散熱的裝置,其EER 在3 種實驗工況中最高,這是因為熱端蒸發(fā)冷卻提高了半導體制冷裝置的制冷量,在散熱系統(tǒng)輸入功率方面,超聲波加濕器僅增加3.5 W 的輸入功率,而噴水器最少需要增加17.0 W的輸入功率,且噴水器所產生的是水滴,而超聲波加濕器產生的是粒徑更小的水霧,水霧與空氣的接觸面積更大,蒸發(fā)冷卻的效果也更好。加裝超聲波加濕器散熱的半導體制冷裝置能實現最高的能效比。

4 結論

(1)對半導體制冷裝置的熱端用超聲波加濕器進行噴霧加濕或進行水噴淋,可以強化熱端的散熱效率。與強制對流散熱工況相比,熱端用超聲波加濕器噴霧可使半導體制冷裝置的COP最大提高9.6%,EER最大可提高7.4%;熱端噴淋水可使半導體制冷裝置的COP最大提高15.0%,EER最大可提高3.3%。

(2)利用超聲波加濕器噴霧冷卻半導體制冷裝置的熱端,可有效提高半導體制冷的COP和EER。該方法具有加裝方便、成本低、功耗小、適用范圍廣的優(yōu)點,具有良好的實際應用價值。

(3)增強半導體制冷裝置熱端的強制對流強度,可降低熱端溫度,提高制冷性能。熱端強制對流風速從1.52 m/s 提高到1.87 m/s 時,熱端散熱器的進出口溫度差從8.9 ℃降低到7.0 ℃,COP和EER分別提高了26.3%和22.4%。