半导体文件(68页).docx

《半导体文件(68页).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体文件(68页).docx（67页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-半导体文件-第 67 页半导体文件1.半导体冰箱冷热端散热条件实验研究42.热电制冷技术的研究进展与评述73.半导体制冷散热强度对制冷性能的影响134.半导体制冷保温容器制冷性能的实验研究165.半导体制冷冰箱产业化发展的关键技术问题196.关于新型半导体制冷方法的研究257.基于半导体制冷器的CPU散热研究268.电冰箱制冷循环优化措施29l前奏292电冰箱典型制冷循环303电冰箱制冷循环比较分析研究344双路摇环制冷系统存在问题及解决方案355结语379.电冰箱制冷系统性能理论分析及综合优化3710.热电热泵取暖器的研制及性能分析38第2章382.2.2热电热泵制冷制热的特点382.3热

2、电热泵制冷制热的最佳特性分析402. 4半导体制冷制热工况设计422. 5冷热端的热交换性能442. 6小结47第3章热电制冷(制热)过程的传热分析473. 1半导体制冷过程中的传热分析483 .2第一类边界条件导热493. 3第三类边界条件导热513. 4数值计算结果及分析533 .5 帕尔贴效应的数学模型及求解543 .6 小结56第4章热电热泵取暖器的研制及测试574. 1. 2数学模型574. 2. 1电堆片的固定方法的选择584.3.2实验目的614. 4测试结果及其分析614. 5小结66结论6711.太阳能半导体制冷性能改进的技术策略6812.温差发电技术的研究进展及现状7013

3、.优化半导体制冷工况的理论分析7314.基于分布式的热电制冷方案与效能分析751.半导体冰箱冷热端散热条件实验研究摘要 半导体制冷器件是一种高热流密度元件，在红外测量、低温超导、生物医学、空间技术等领域有重要的应用，还可开发成专用制冷装置，适用于野外施工、勘探、考古以及郊游等户外活动食品饮料的保鲜，也可用于食品、饮料及医用疫苗等的冷藏。在给定工况下，通过改善半导体器件的冷热端散热条件，可使系统制冷量和制冷性能系数大幅提高。本文设计了实验装置，特别设计了8种实验工况对采用强迫对流换热和热端采用热管换热器散热的实际半导体制冷装置进行了实验分析，提出了改善半导体制冷元件散热条件的具体措施。关键词：

4、热电制冷；热管；冷热端中图分类号：TKl24 文献标识码：A 文章编号：0253231x(2005)suppl-0221_041引言在一定的电流工况下，减小制冷元件冷热端的温差不仅可以提高制冷量，还可以大幅提制冷系数。在现有的半导体制冷元件的条件下，通过改善散热效果来减小温差，是提高半导体制冷性能的有效手段。通常半导体制冷器的散热方式有以下几种： (1)空气自然对流散热；(2)强迫对流换热； (3)水冷散热；(4)利用物质的熔化潜热散热。除上述散热方式外，还有热管散热、利用某些物质的汽化潜热等散热方式。本文对冷热端采用强迫对流散热的方式的半导体冰箱效果进行了实验研究，并与热端采用热管散热的效果

5、进行实验比较。2散热实验建立的实验装置如图1所示。该装置主要由一冰箱壳体和连同翅片风扇散热器在内的半导体制冷器组成的半导体冰箱，如图1右侧所示。该冰箱壳体厚度为50 mm，中间填有发泡聚氨酯保温材料。壳体后侧壁面上有一矩形开口，103 mm95 mm，用于安放制冷器件。制冷器一端与冰箱内的空气发生热交换，将传递冷量传递给冰箱的物品，另一端与外侧环境空气作热交换，散发热量。1热端铜片 2热电制冷元件 3冷端铜片 4风扇 5热端散热翅片 6热端T型热电偶7冷端T型热电偶 8冰箱壳体 9隔热层 10固定螺栓 11冷端散热翅片 12风扇图1散热条件研究实验装置表1列出了散热实验所用的铝质散热翅片外形尺

6、寸和具体计算尺寸参数，冷端和热端各安装有一个。计算得到的冷热端换热面积分别为o1 m2和o15 m2。两个翅片散热器如图1所示位置安装。冷端散热器外形尺寸比壳体上的矩形开口略小，其翅片全部露在开口外面以利于换热。热端散热器翅片选择较小外形尺寸是因为改散热器翅片大部分仍在矩形开口内，必须与周围保持一定的距离以利于散热。半导体制冷元件冷热端各有40 mm40 mm25mm的导热铜片，两个T型热电偶分别安放在铜块表面宽2 mm，深1.5 mm的槽中，两个测温热电偶分别紧贴着半导体制冷元件的冷热端。两个螺钉将冷热端散热器、半导体制冷元件和两个连接铜块紧紧地夹在一起，各接触面之间和安放热电偶的槽内均涂有

7、硅脂，减少接触热阻。两个螺钉不直接与冷端翅片连接，而在其间用一尼龙材质的柱形套隔开，并在裸露处包上泡沫材料保温，减少两个散热器通过螺钉的传热。表1 散热器尺寸冷热端散热器底面之间留有的大约1 cm的空隙，根据这个厚度，取一块白色聚乙烯泡沫塑料切成与冰箱壳体矩形开口相适应的形状，尺寸为103mm95 mm10mm，并在这块泡沫塑料中央挖出一个面积为40 mm40 mm的孔，以容纳半导体制冷元件以及连接铜快。将这块泡沫塑料安装在散热器底面空隙之间，一方面可以减少冷热端散热片之间的漏热，还可以起到制冷器在冰箱壳体中的固定作用。由于该保温层厚度较薄，仍存在一些漏热，由于半导体制冷元件的厚度是一定的，保

8、温层厚度就取决于连接铜块的厚度，连接铜块的厚度越厚就越有利于两个散热器之间的隔热。最后在冷热端散热器上各安装一个额定电压12 V的直流风扇，冷端采用一额定电流为o2 A的风扇，热端采用两种不同功率的风扇，额定电流分别为o2 A和o4 A，以满足不同换热实验条件的需要。3 实验方法和步骤散热实验中测试的物理量有冷端温度Tc，热端温度Th，室内温度Tr，热电制冷元件两端电压u，以及冷端散热风扇的电压Uc和电流Ic，热端散热风扇Uh和Ih。三个温度测点均采用T型铜一康铜热电偶，通过Keithley2700读取温度数据，每隔一分记录一次。两个散热风扇的电压和电流在运行时相对较稳定，使用Victor 9

9、806型数字万用表测得。将半导体冰箱置于一个大房间中，其室内温度始终维持在130c左右。冰箱运行的初始温度与室内温度大致相同，箱内置有常温下的500 g水。冷热端散热实验取如表2所示8种不同的工况进行比较分析。实验时，各工况下半导体制冷元件运行时在其电极加有116 V的稳压电源。表2 散热实验工况冷端的散热风扇如上表所示取两种不同的功率，即有两种不同的散热强度，散热方式均为强迫对流换热。在热端，工况I采用仅有翅片散热器的散热器自然对流冷却方式；工况IIV选用额定电流为o2 A的风扇，在两种电流下运行，得到不同的换热效果；工况VIVII选用额定电流为o4 A的风扇；工况V采用热管换热器，热管向周

10、围环境进行自然对流和辐射散热。4实验结果与分析工况IIVIII实验条件下各实验测试数据列于表3中。为了便于比较分析，表中还列出了根据实验数据分别按文献1】推荐的计算方法计算得到了制冷量Qo、制冷元件功耗No和制冷系数COP。结合表2中列出的冷热端风扇不同的功耗，可以从表3中冷热端总换热系数看出，热端总换热系数在相同风扇功耗下其值基本一致，并随着功耗的增大而增大，但并非线性关系，热管散热器尽管没有功耗，但是总换热系数在各工况实验中最大。冷端总换热系数在相同的风扇功耗下并不相同，出现了较大波动，但总体上随功耗的增大而增大。从表中的元件冷热端温度可以看出，热端温度随着热端总换热系数的增大而降低，而随

11、着冷端总换热系数的增大而略有上升。冷端温度也随着热端总换热系数的增大而降低，而随着冷端总换热系数的增大而上升。冷热端的温差均随着冷热端总换热系数的增大而减小。总的来讲，冷热端总换热系数的增大均可以提高产冷量，但冷端总换热系数对制冷量的影响要大于热端总换热系数的影响。从制冷元件的C0P来看，其值均随着冷热端总换热系数的增大而提高，这是由于冷端产冷量Qo随着冷热端总换热系数的增大而提高，而元件功耗仅随着冷热端总换热系数的增大而略有增加。在各种工况下的实验中，工况条件下的COP值最大。但是衡量半导体冰箱的制冷性能应考虑冰箱的净制冷量 (实际的可得的制冷量为半导体制冷元件冷端产冷量减去冷端风扇的功耗)

12、以及总的功耗(实际的功耗应将风扇的散热的功耗也考虑在内)，因此用来衡量冰箱的性能表现更具有实际意义。通过比较我们发现，虽然工况I下的制冷元件的COP值最高，但是冰箱的性能系数较小，仅比工况III和VI下的对应值大些，而工况V的值最高。这是因为工况I下冷热端散热风扇均以较大功率运行，一方面减少了冰箱实际的制冷量，另一方面增加了冰箱总体的功耗，这两方面的因素使值与COP相比减少了252；而热端采用热管散热的工况V，由于总换热系数最高的热管并不消耗电能以及冷端风扇的低能耗运行，使值与COP相比仅仅减少了38。所以与其他各工况实验相比，工况V为最佳散热工况。5结论本文对半导体制冷冰箱的散热方式进行了研

13、究，搭建了该冰箱散热条件研究的试验装置，该实验装置中包含了翅片风扇以及热管散热器，设计了8种不同的实验工况进行试验，得到的主要结论如下：(1)在设计半导体制冷冰箱冷热端散热器时，虽然冷热端换热条件越好，半导体制冷元件的制冷性能越高，但是必须同时考虑到冷热端散热器散热过程中所花费的代价，以及因此而可能产生的对实际制冷量的影响，并不能不计代价地改善换热状况；(2)如果有两个总换热系数不同的换热器可供选择，在考虑具有较大总换热系数的换热器应放置在半导体制冷元件的热端的同时，也要考虑具有较小总换热系数的换热器的能耗是否对冰箱实际的制冷量产生较大的影响。2.热电制冷技术的研究进展与评述摘要 热电制冷技术

14、是一种环保型制冷技术，应用越来越广泛，可以满足一些特殊制冷场合的制冷要求，在先进电子封装的高精度温度控制、高品质电子元器件性能检测和电子芯片冷却的应用中体现了其他制冷方法所不具备的优越性.通过查阅大量文献，在充分了解热电制冷技术理论的基础上，从热电材料、温差电对结构和强化散热方式三方面对热电制冷技术近年的一些研究热点和进展进行了总结和评述，并对以后的发展方向提出了展望。关键词 热工学:热电制冷;材料;温差电对;强化散热当1对或n对热电元件之间通以直流电后，在热电对的一端，电子和空穴从低能级的P型材料中通过连接导体进入到高能级的n型材料中吸收热量，冷端温度降低，同时热电元件另一端存在反向的运动，

15、放出热量，这就是帕尔贴效应。当连接端点出现温度差后，会产生一个赛贝克电压。电流通过有温度梯度的热电元件，由于汤姆逊热效应，会在元件与环境之间产生能量交换，该热效应与电流和温度梯度的大小成比例。热电对的热端和冷端存在温度差时，存在一个热传导效应即傅立叶效应。电流通过热电对时，同时还会产生不可逆的焦耳热。圈1 热电制冷原理圈Fig.l The schematic diagram of thermoelectric refrigerator综合考虑以上各种效应，根据能量守恒，可得热电制冷器冷端制冷量表达式为式(1)，制冷效率COP的表达式为式(2)，可以看出COP是冷热端温差与热电材料优值系数Z的函

16、数3. (1) （2）式中: n型、P型热电材料Seebeck系数R一电阻;K一总热导; 一冷热端温差;I一电流。2热电制冷技术研究进展影响热电制冷器性能的因素主要有热电材料、温差电对结构及冷热端强化散热方式。下面分别从这三个方面来综述近年来热电制冷技术的研究与发展状况。2.1热电材料衡量热电制冷器制冷能力的一个重要参数是材料的优值系数Z，其表达式为， Z越高，COP也越大。提高Z值应该提高电导率。和Seebeck系数a，降低热导率，其中由声子(晶格振动)热导率 (约占90%)和电子热导率组成。这三个参数并不是相互独立的，都是载流子(电子或离子)浓度n和温度T的函数，通常n值接近1019个cm

17、-3，时，可使Z值最高。目前提高a和的基础工作已经比较清楚了，关键在于降低材料的晶格热导率。由于不同环境温度下材料的Z值不同，人们通常用一个无量纲因子ZT来描述热电材料性能的好坏。Bi2Te3是使用最广泛的热电材料，最高ZT=0.9,采用Bi2Te3,制成的热电制冷器的制冷效率只有压缩制冷的30%，而要在建筑空调、制冷领域与压缩制冷在经济上竞争，要求室温(300K)条件下，热电材料ZT达到35。近50年来，热电材料性能提高大约20%6。目前发展中的热电材料有:非氧化物半导体热电材料，氧化物型热电材料，低维度热电材料，超晶格热电材料等。非氧化物半导体热电材料研究最早最成熟的是(Bi,Sb)2(T

18、e,Se)3类固溶体材料，目前大多数热电制冷元件都采用这种材料。这类材料通过掺杂形成的复合热电材料可增加Seebeck系数和降低导热系数，典型的是Slack所建立的声子玻璃一电子晶体热电材料(PGEC) 【7】，这种材料与典型的晶体一样有较强的电导率，但是导热率却跟玻璃一样小【8】，其最典型的填充物是络合物及方钴矿(CoNi)4 (As,)3以及Bi-Sb合金。氧化物热电材料目前研究较多的是半导体氧化材料，这种材料一般无污染，性能较稳定，能在高温下长期工作。氧化物热电材料主要包括Na-Co-O系热电材料和Ca-Co-O系热电材料。以NaCo2O4层状结构化合物为代表的过渡金属氧化物是近年来发现

19、的一种新型的热电材料，在300K时其a为100V，为， NaCo2O4,内载流子浓度在，高于常规热电材料23个数量级9。尽管NaCo2O4有良好的热电性能，但温度超过1073K时，Na的挥发限制了该材料的应用。Masset等10的研究结果表明，Ca3Co4O9的结构与NaCo204相似，也是一种层状结构，300K时其a为140,。为(46) X, ZT为0.066，此类半导体在10OOK以上仍有较高的热电优值。 Ca2Co205也是层状结构【11】. T=873K时，a为200, ZT为1.22.7o Terasaki等9发现Bi2Sr2Co20y的结构也和Ca3Co409, NaCo204结

20、构相似，在973K时，a为300, ZT为1.112.低维度(03D)热电材料是近年出现的新的研究，低维材料由于量子阱和量子线的作用而具有不同寻常的热电性能，低维度能够提高a，并增加势阱表面的声子边界散射。Terry M Tritt7得出了Bi2Te3不同维数随量子阱(量子线厚度) 的变化曲线，结果表明:三维材料的ZT值不随二值的变化而变化;然而随着维度的降低，ZT值则随着dw值的降低急剧的增加。这说明材料低维化能够提高热电材料的ZT值。2.2温差电对结构卢希红等16认为热电对p, n电臂的微观传热机理不同，热电制冷器冷热端不能作为均匀热端面来考虑，采用非等截面体制成的热电制冷器，能对pelt

21、ier制冷量和焦耳热重新分配17，显著提高最大制冷量。Anatychuk等【18给出了一系列例子来支持非均匀材料可提高热电模块制冷系数的概念。Zhixi Bian17实验证明了单级热电制冷器的最大制冷温差可以通过使用非等截面体材料而实现。目前发展中的结构包括“无限级联”热电对结构19,20场致电发射结构21、功能梯度结构22,231、悬臂热接触结构24、热电偶冷端点阵接触结构zs)、同轴环形热电结构、多孔热电材料和结构26)、利用瞬态效应的热电结构24等。2.2.1无限级联温差电对结构1956年，O Brien最早提出“无限级联”温差电对的概念，其结构如图2所示(19)。它是在一对普通温差电对

22、的P型和n型电臂之间淀积一层厚度适当的高导电材料膜(例如银膜)实现短接，使电臂中的电流无限分流而形成的。这种结构的热电对，电传导的方向与电臂长度方向是垂直的，相当于一系列平行排布的小的温差电对。无限级联温差电对所能达到的最大温差为无高导电膜温差电对的1.5一3倍。圈2 无限级联温差电对Fig.2 Schematic description of an infinite cascade thermoelectric couple2.2.2场致发射强化结构图3 场致发射强化结构温差电对Fig.3 Schematic description of a field emission enhanced

23、thermoelectric couple场致发射强化结构是利用一个电场调制电流将能量(例如热能)通过n型和P型电臂从冷源传递到热源。这种结构的热电制冷器是由有标准n型和P型电臂的热电制冷器与一个两元场发射装置结合起来制作的，将两元发射装置分别插入两个电臂通道来消除热传导，其结构如图3所示24。场致发射结构能够加强温差电对的冷却效应。这种电臂结构的制冷器，其冷源移走的热量是电场从n型和P型半导体中发射电子的能量差，冷却效率定义为，其中V是阳极偏压。这说明电场发射过程在固定电压的情况下能够通过增加u来加强冷却效应。标准电臂的热电制冷器在室温下的能量传递速率约为5060meV，而场致发射强化结构的

24、热电制冷器的能量传递速率可达5OOmeV.2.2.3功能梯度结构功能梯度热电材料(FGM,Functionally Graded Material)是将两种或两种以上不同热电材料进行结构梯度设计而形成的。对于均质热电材料而言，它的都为温度的函数，彼此相互影响和制约，这就使得均质材料的性能指数只在某一特定的温度范围内具有较高的数值，而在较宽的温度区间内转换效率较低23. FGM在宽温域范围内沿温度梯度方向分别选用不同最佳性能指数的热电材料，使之各自工作在具有最佳性能指数的温度范围内，这样可以大大提高热电系统的转换效率，从而获得在大的温差范围具有较高性能指数的热电材料27.高效的功能梯度热电材料，

25、一般采用放电等离子烧结方法制备。以Bi2Te3和CoSb3材料为基础的n型材料，以Bi2Te3和CeFe4Sb12材料为基础的p型材料，最开始是由Jet Propulsion实验室发展起来的，当在300973K范围内操作时，每条电臂的总的接触电阻为5O，绝缘较好的时候转化效率可达15%.2.2.4 悬臂热接触结构圈4. 悬臂热接触结构热电对Fig.4 Schematic description of a thermo-electro-mechanical couple悬臂热接触结构热电对(如图4)的热端直接安装在基板上，冷端金属片与冷端基板通过悬臂梁连接，周期性热接触。采用悬臂热接触结构制成的

26、热电制冷器也称为热一电一力冷却器(TEMC)，其机械零件与应用脉冲电流间歇周期性接触25。预测使用B12Te3作为热电材料的TEMC的最大温差比低热流密度应用中的TEC高35%，优值系数可达1.8 。2.3强化散热方式通常热电制冷模块温度梯度可以达到10 0C甚至更高28，Reiyu Chein29认为热电制冷器存在一个散热器最大热阻的限制值，当热阻大于这一值，散热系统不能够散走热端产生的热量。因此散热器设计是影响热电制冷技术的主要因素之一。热电制冷系统中散热器的设计应该在制冷系统尺寸、散热方法和系统设计方法等条件的限制下尽可能地减小热阻，热阻越小，热电制冷器的COP值越高30。常用冷热端散热

27、方式有自然风冷、强迫风冷、液冷和相变散热等。目前国内外关于热电制冷器的散热器的研究主要集中在减小热阻，提高换热系数上，也有提高制冷器温度场均匀性的研究。2.3.1自然风冷与强迫风冷自然风冷主要应用于小型热电制冷器中，以一定形式的翅片散热器作为热交换器，热阻大小主要取决于翅片密度以及散热器基础表面积与热电模块端面面积的比率，比率越高则热阻越小。强迫风冷散热一般通过散热器和风扇来实现，热阻主要取决于风的流速，风速越大，则热阻越低。散热器采用强迫风冷可大大提高对流换热系数，缩小散热面积【31。J.Esarte0等32通过流体动力学模拟分析与优化，得出强制对流散热器的热阻约为翅片散热器的热阻的一半。对

28、于一个45mm X 45mm的热电制冷模块而言，自然对流散热器热阻为0.85313.075，空气强制对流散热热阻为0.5315.759。Sofrata33提出在适当位置使用两个风扇比使用一个风扇能显著提高强制风冷散热的效率。2.3.2液体冷却散热液冷散热最常用的是水冷，水冷换热系数比自然风冷散热大1001000倍31，对于一个45mmX 45mm的热电制冷模块，水冷散热器热阻一般为0.3480.737，热阻大小主要与水的流速有关，水速越大，热阻越低。水冷散热器一般通过泵和散热器来形成循环回路，也有将水箱分隔成若干个流道并插上翅片增加散热器与器壁之间的换热系数的。文献【29提出了在热电制冷器中使

29、用空气对流散热与水冷散热相结合的环流换热，环流换热采用热电制冷器冷却水，由水冷却被冷却物，然后经热电堆的热端，吸收热量后再到散热器中放热。G. S.Attey27报道当环境温度为25以下时，循环水冷热电制冷系统的COP为0.6，约为使用强制风冷的两倍。Reiyu Chein等29在热电制冷系统的热端采用与蚀刻硅晶片结合制成的微通道散热器进行水冷散热，采用如图5所示的实验装置冷却一个容积为1.18L的水槽中的水。理论分析结果显示微通道散热器的热阻可能降低到O.5。在给定的电流I=2.5A，=O.5的情况下，水槽温度最低能达到一20 C。水冷散热换热效果较好，但对水质要求比较高，如果水冷表面结垢，

30、传热性能会下降。此外液体冷却受到使用场合的限制。 圈5 微通道散热热电制冷系统Fig.S Schemaric description of thermoelectric refrigerator integrated with microchannel heat sinks2.3.3相变散热相变散热是利用相变材料相态变化吸收热量进行散热。相变散热适用于间歇性的工作场合。一种热端散热功率为lOW的小型制冷器，用300cm2的Bi-Pb-Cr-Sn合金进行散热，冷却器可连续工作2h。一种耗散功率为46W的二级制冷器，在60环境下工作，用24m2硝酸锅散热，制冷器可在56min内降到最低温度(约00

31、C)。相变散热目前应用的主要有热管散热器，将热管用于热电制冷器，在一定条件下，可以达到比较理想的制冷效果。张建成34认为在相同的气流来流速度下，虽然就平均对流换热系数而言，翅片式散热器比热管式散热器大近1倍，但热管式散热器的有效面积是翅片式散热器的近4倍，故热管式散热器的传热能力比翅片式散热器大。S.B.Riffat等人35对热电制冷系统中采用相变热虹吸管散热的研究较多。他们采用如图6所示的实验装置，冷端使用热虹吸管换圈6 热虹吸管散热热电制冷系统 圈7 回路式两相流虹吸管热电制冷系统Fig 6. Schematic description of a thermoelectric Fig.7

32、Schematic descriprion of refrigeration system employing PCM integrated with a thermoelectric refrigeration thermal diode system employing two-phase loop-type thermosyphons热器。在冷热端没有负载的情况下，最大温差可以达到64 (14.4V，8.5ADC)【36】，热虹吸管热阻为0.12 。使用合适的相变材料的一个优点是传热总是在一恒定温度(相变温度)，它还可给冷端提供储冷能力，有助于克服高峰负荷和开门时的冷量损失，并能防止断电

33、时热量从热端向冷端传递【37】。 J.S.Lee等38在热电制冷热端分别采用如图7所示回路式两相流虹吸管(TLT)进行了实验与模拟研究。实验结果显示在室温环境25下，换热系数可大于29 (面积为冷凝器部分的传热面积)或540029 (面积为peltier元件的传热面积)，COP相比于翅片散热器可提高32%【39】.J.Esarte32在热电制冷器冷端分别采用翅片散热器和带相变热虹吸管散热器，通过数值模拟得出了在制冷工况下两种散热器表面的温度场分布情况。模拟结果显示使用热虹吸管可明显提高热流在传热面的均匀性，减小热阻，散热较好。3结语 1)热电制冷技术首先应该从材料上有所突破，通过掺杂、低维化、

34、超晶格结构能显著提高材料的优值系数，是今后热电材料的发展方向。 2)温差电对结构的优化设计可改变电臂热传递，减小接触层电阻、热阻，提高热电制冷器性能，但这些特殊结构的复杂性要求不断改进加工工艺。 3)热电制冷器散热方式的设计应尽可能减小热阻，合适的散热器设计可提高制冷器温度场的均匀性，消除热应力损伤。4)将热电制冷技术应用于先进封装电镀槽的高精度温度控制、高品质电子元器件性能检测和电子芯片冷却及其它特殊制冷场合时，还应该考虑制冷器本身和冷却对象的温度场、流场的均匀性，通过数值模拟和实验研究相结合的方法不断进行优化。3.半导体制冷散热强度对制冷性能的影响【摘要】通过对半导体制冷电偶对进行传热分析

35、，得到了半导体制冷性能与热端散热强度之间的微分方程。在第三类边界条件下对微分方程进行数值计算和求解得出了散热强度对制冷性能影响的曲线。由此得出:随着散热强度的不断增强，热电制冷的性能逐渐提高，然后就趋于缓慢。从经济性考虑，半导体制冷中存在最佳热端散热强度。所以，在实际应用中应合理优化设计和改进热端散热系统.【关键词】散热强度;半导体制冷;制冷性能0引言这种方法的制冷效果主要取决于两种材料的热电势。纯金属材料的导电性、导热性很好，其帕尔贴效应很弱，制冷效率很低(不到l%)。半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来做成小型热电制冷器。所以，半导体制冷是一种有良好应用前景的制冷方式。半导体制冷器是

36、利用电能直接实现热能传递的一种特殊半导体器件。半导体制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工艺的因素外，主要取决于其散热、传冷方式及良好的结构设计【2】。由于半导体制冷器的散热量等于其制冷量与输入功率之和，所以，重点解决好其散热问题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用【3】。1 半导体制冷器的传热分析由热力学第二定律可知，将热量从低温物体转移到高温物体，必然要消耗一定量的外功。对半导体制冷过程而言，这种外功便是加在制冷电堆上的电能。为了得出制冷量、电功率、制冷系数以及热端散热量等物理量与热端散热强度的关系式，有必要对半导体制冷器作传热分析【4,5】。为研究问题方便，假设传热只发生在垂直方向上

37、，四周传热效应的影响不计，外加电场在热电制冷电偶对上均匀一致。以一对电偶对为例进行分析，将电偶臂作为有均匀内热源的一维稳态导热处理，并对电偶臂做以下假设:电偶臂均为等截面臂，电偶臂周围绝热，半导体材料均质，导热系数为常数。如图1所示，电偶对的臂长为l，截面积为A，工作电流为I，导热系数为常数，电导率为塞贝克系数为s，冷热端温度分别为Tc和Th(ThTc)，均匀内热源qv =I2R/Al，并给出第三类边界条件即x=0界面侧的流体温度为，对流换热系数为;x=1界面侧的流体温度为，对流换热系数为。于是，当半导体制冷器稳定工作时，其热传导方程为 (1)第三类边界条件为 (2) (3)由方程(1)并结合

38、边界条件(2)和(3)，可解得热电制冷电偶对内的温度分布为 (4)则冷端制冷量为 (5)热端散热量为 (6)输入功率为P=Qh-Qc= (7)输入电压为U=P/I=IR+s(Th-Tc ) (8)制冷系数为 (9)2 数值计算结果及分析选用型号为TEC1-12705的半导体制冷器为计算对象，其有关参数为塞贝克系数s=4xVK-1，电导率a=1000，导热系数，电偶臂长度l=15mm，截面积A =40mm x 40mm，工作电流I=4.6A。通过对式(59)进行数值计算，可绘出热电制冷性能与热端散热强度关系的曲线如图2,3和4所示。由图2可知，在某一温差下，制冷量Qc随热端散热强度的增加而提高，

39、但当热端散热强度增大到某一值时，散热强度的增大对制冷量Qc的影响就趋于平缓。这主要是由半导体材料本身的热电特性决定的，因为半导体制冷电堆选定后，其最大制冷量也就定了，且只与半导体材料的优值系数有关，不可能无限制地通过提高热端散热强度、来改变热电制冷器的制冷性能所以，在实际应用中，应合理优化设计和改进热端散热系统，避免造成不必要的浪费。图3表明:对某一制冷电堆，在热电性能参数一定的情况下，热端散热强度a，的大小直接决定了热端散热量Qh的大小，越大，Qh就越大，而制冷电堆的输入功率P只与冷热端温差T有关系，与散热强度没有关系，并且在整个工作过程中保持Qc+P=Qh。图4中制冷系数随热端散热强度的变

40、化曲线与图2及图3中制冷量Qc、散热量Qh的变化趋势相似，随着热端散热强度的不断增加，制冷系数逐渐提高，当散热强度增加到一定程度时，对制冷系数的影响就趋于缓慢，最终接近常数。图1 电偶中单块坐标示意图 图2 制冷量Qc随的变化曲线图3 散热量Qh输入功率P随的变化曲线 图4 制冷系数随的变化曲线3结论（1)通过对半导体制冷电偶对在第三类边界条件下进行求解，可得到半导体制冷性能与热端散热强度之间的解析式。(2)随着散热强度的不断增强，热电制冷的性能逐渐提高，但当热端散热强度增加到一定值后，散热强度的增加对制冷性能的影响就趋于缓慢。(3)从经济性考虑，半导体制冷中存在最佳热端散热强度，不可能无限制

41、地通过提高热端散热强度来改变热电制冷器的制冷性能。所以，在实际应用中，应合理优化设计和改进热端散热系统，避免造成不必要的浪费。4.半导体制冷保温容器制冷性能的实验研究摘要：研制一种主要用于血液保存的半导体制冷保温容器的制冷系统通过对其不同工作电压、环境温度及外部散热等条件制冷性能的研究，找出了影响半导体制冷性能的主要因素确定了该制冷保温容器在不同环境温度下的最佳工作电压为12 v、最佳工作电流为4.54.8 A并认定存在最佳热端散热强度等另外，通过实验得出了在不同环境温度下，工作在最佳工作参数条件时制冷器内部所能达到的最低温度关键词：热电制冷；半导体制冷保温容器；工作参数，多级串连温差可达Il

42、O，笔者设计了一种主要用于保存血液的小型半导体制冷保温容器(简称制冷器)并通过理论与实验研究对其制冷性能进行综合评价与分析1实验研究1.1设计参数和结构尺寸内部尺寸：120mm60mm200mm，容积l.44L;外部尺寸：180mm120mm265mm，体积5.724m3;壁厚：四周壁厚30mm，底部壁厚30mm，顶部壁厚35mm；质量：4.16 kg；运行环境：外界温度2030、相对湿度3060;工作电压：1013 v直流电血液的保存温度是263，而本制冷器主要用于保存新鲜血液，因此，设计要求箱内温度为2612仪器及装置1.2.1 半导体制冷片组件的选择选择杭州大和热磁电子有限公司生产的单级

43、半导体制冷片一片，型号为9500127085AS，其最大电流值为8.5 A，最大吸热量80 w，最大额定电压17.5 v，最大温度差72，是由127对热电偶组成的，封胶，陶瓷面该半导体制冷片体积为39.7mm39.7mm3.94mm1.2.2换热器热端采用强制对流换热热端换热器由铝制翅片式散热器和微型轴流风扇组成，铝制翅片散热器外形尺寸为150mm125mm28mm，单个翅片外形尺寸为150mm1.5mm24mm，共27片冷端采用直接冷却，冷端换热器即为冷板.1.3实验方法实验在DHP060型恒温培养箱中进行，箱内空气自然对流，与实用环境相同半导体制冷片和微型轴流风扇采用YJ695型直流稳压稳

44、流电源供电，在制冷器内部冷面正中心布置一个温度测点，测得温度为t1；制冷器内部空间正中心布置一个温度测点，测得温度为t2；制冷器内部冷面对面冷板正中心布置一个温度测点，测得温度为t3；铝制翅片式散热器正中心布置温度测点，测得温度为t4；铝制散热器侧边正中心布置温度测点，测得温度为t5。图l为箱体设计示意图在不同条件下分别进行实验，并对实验结果进行分析和讨论4图1箱体设汁示意图Fig.1 A schematic plan of the thermoelectric-refrigerating unit2实验结果及讨论由于半导体制冷片的特性，调整其电压时，电流也随之改变，因此电流不单独调节实验结果

45、在开始制冷2 h后稳定，对3次记录的实验数据取算术平均值进行整理21工作电压与电流和功率的关系图2给出了在2535环境温度下半导体制冷片工作电压与工作电流功率的关系，由图2可见在一定环境温度下半导体制冷片的工作电流I和功率P是随着工作电压u的增大而增大的,但随着环境温度的升高，电流略为减小，原因在于环境温度升高后，半导体制冷片两端温差加大，温差电动势增大，抵消的电源电势也较大22工作电压与制冷器内部温度的关系当热端散热强度一定时，电流的选取存在一最佳值，高于此值导致焦耳热过大，低于此值又导致制冷能力过小。图3为2535环境温度下半导体制冷片电压与制冷器内部温度t1、t2、t3的关系由图3可知，

46、当热电制冷片工作电压为12V时，制冷器内部温度最低，制冷效果最好。故在2535环境温度下，该半导体制冷片的最佳工作电压为12 v，该工作电压下对应的电流值即为此环境温度下该半导体制冷片的最佳工作电流这里的最佳工作电流并不是在确定的制冷温度下来说的，而是指在特定的环境温度下，当半导体制冷片通过的电流值为最佳工作电流时，制冷器内部温度可以达到最低值(a) (b)图2 工作电压与电流和功率的关系Fig.2 Operational current，I and power，P versus volta(a) 25环境温度 (b) 30环境温度(c) 35环境温度图3 工作电压与制冷器内部温度的关系Fig

47、.3 Inside temperature of the unit，t verSus the operational voltage，u2.3 散热风扇功率与环境温度的影响 【5】微型轴流散热风扇的工作电流和功率随着工作电压的增大而增大，图4为在环境温度为30下微型轴流散热风扇的功率与制冷器内部温度和热端散热器温度的关系图由图4可知，随着微型轴流散热风扇功率的提高，制冷器内部温度降低，热端散热器的温度也降低，这是由于风扇功率提高导致热端散热器散热效果好，半导体制冷片热端温度降低，制冷效率提高但当风扇功率提高到15 w以后，散热风扇功率的提高对制冷性能的影响越来越小。在电压12 v、散热风扇功率24 w