冷热端散热对半导体冷藏箱性能的影响

　　江趟大学报（自然科学版）冷/热端散热对半导体冷藏箱性能的影响张奕12，张小松2，胡洪1，翁雯1刘佳1（1南京师范大学动力工程学院，江苏南京210042 2东南大学能源与环境学院，江苏南京210096）冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系。冷端传热强化后，冷藏箱的耗电量几乎不变，制冷量和制冷系数增加，制冷温度及热端、冷端温度差降低，制冷性能上升。热端冷却水温度降低，耗电量、制冷量及制冷系数增力加制冷温度降低，半导体的热端、冷端温度差减小，运行性能提高。研究结果可为通过改善半导体冷端和热端传热提高半导体冷藏箱的性能提供试验和理论依据。

　　半导体制冷相比于传统的蒸汽压缩式等制冷方式，具有无需压缩机、制冷剂，制冷启动迅速，结构简单，无噪音等优点，因此被认为是一种有助于解决臭氧破坏问题的环保制冷方式。由于半导体制冷还具有制冷器体积小、安装方便等优点，其在电子元器件冷却、小型制冷设备、军事、医疗设备、科研等领域都有很多应用。特别是近年来随着我国人民生活水平的提高，半导体制冷在小型冰箱、饮水机、除湿机等家用领域的应用迅速推广。

　　根据热电制冷原理11，半导体冷端温度越高则基金项目：江苏省普通高校自然科学研究计划资助项目（06KJD480097）…仙」加，张小松（10-）男江苏高淳人，教授，1士生导师！（Sc1ip（u从事空调制冷设备理论技术研究制冷量越大，热端和冷端温度差越大则制冷量越小。因此热端和冷端的传热情况对半导体冷藏箱的性能具有重要影响。代彦军等121研究了半导体制冷片的热端和冷端采用风扇散热时，不同风扇转速下，制冷片热端和冷端温度、制冷量及制冷系数与热端及冷端散热强度的关系，并且研究了热端采用风扇冷却和热管冷却时半导体制冷性能的差别。金刚善等13研究了半导体用于空调制冷时，冷端和热端采用不同散热器，以及散热器采用不同对流传热方式的情况下，空调空间温度、半导体工作状态等的变化情况。SfaaH41研究了在半导体制冷片热端采用单风扇冷却、双风扇冷却和烟囱式自然通风冷却时，半导体制冷的工作性能，使用长烟囱可提高制冷性能。半导体冷端和热端在其余散热方式和散热条件下的运行情况也受到广泛研究15-01.笔者对水冷式半导体冷藏箱在不同的冷端风扇电压及热端冷却水温度下，进行试验研究和分析计算以获得半导体冷藏箱的耗电量、制冷量、cp冷端温度及热端温度的变化规律。

　　1理论分析冷藏箱温度稳定时，半导体的制冷量Yc等于冷藏箱从箱外的吸热量及冷端风扇发热量之和：温度；b为箱内空气温度，即制冷温度。

　　热端和冷却水的传热量等于半导体的焦尔热u圾半导体制冷量Yc之和：即TA-U为半导体的工作电压和工作电流；h为热端和冷却水间的对流传热系数；A为热端传热面积；h为热端温度；f为冷却水温度。

　　冷端使用肋片式散热器强化传热，制冷量Yc等于冷端散热器与箱内空气的传热量：传热面积；n为散热器肋片效率；c为冷端温度。

　　考虑冷端散热风扇消耗的电能，半导体冷藏箱的制冷系数（4）中，除半导体的制冷量Yc热端温度h和冷端温度c不容易直接测量外，其余参数均可直接测量或由可测量参数计算获得。

　　2试验研究为研究半导体制冷性能和冷、热端散热条件的关系，设计制造了一套水冷式半导体冷藏箱试验系统，如所示。冷藏箱中使用TC一12706型半导体制冷片，外形尺寸为40mmX40mmX39mm大工作电压15.2V大工作电流6A热端、冷端大温差65°Q冷藏箱由有机玻璃制成，外敷5m厚塑料泡沫保温。制冷片冷端用散热翅片加风扇进行空气强迫对流传热，风扇额定工作电压12V电流0先使用eso425型热球风速仪测量风扇在不同电压下的风速，由风速计算风扇不同电压下冷端对流传热系数。制冷片热端用水冷却，冷却水由HS-6型标准恒温浴槽提供，该恒温浴槽对水温的控制精度为士Q 1°C.热端水的流速用体积法测量，由水的流速计算热端对流传热系数。使用APS~1505型直流电源对制冷片供电，AH501型直流电源对冷端风扇供电。这两个电源上都具有2.5级的电压表和电流表，对负荷的电流、电压进行测量。Yc即试验中使用三支K型热电偶分别对环境温度、冷藏箱内空气温度以及冷却水温度进行测量。热电偶、Ain34970A型数据采集仪及计算机组成温度的测量、采集和记录系统，温度测量系统经过精密水银温度计标定，测温精度为±0 1°C.冷藏箱所处室内环境温度使用空调器控制，温度变化幅度为士0为了研究冷端和热端散热对冷藏箱制冷性能的影响，试验中控制其余参数不变，分别改变冷端风扇电压及恒温水浴温度，通过测量冷藏箱温度、工作电压、电流等参数的变化，并用式（1）~（4）计算半导体制冷性能的变化情况。

　　3结果与讨论31冷端散热的影响是冷端风扇不同电压下，半导体耗电量、制冷量、制冷系数的变化情况。试验中热端冷却水温度为25 6°C，室温为（27±05）°Q增加冷端风扇电压，冷端散热器的传热得到强化，增加了半导体的制冷量，并且风扇在较低电压下制冷量增加速率较快。试验发现，风扇电压增加，即使半导体工作电压不变，由于制冷量增加，半导体的工作电流会有轻微上升，因此冷藏箱总耗电量增加，但幅度很小，中冷藏箱的耗电量是一条轻微上升的直线。由于冷藏箱耗电量变化很小，因此制冷系数具有和制冷量相似的变化规律，如所示。

　　反映了制冷温度、冷端温度、热端温度与冷端风扇电压的关系，试验条件同在热端冷却条件不变的情况下，热端温度几乎不受冷端风扇电压的影响。风扇电压越高，即冷端对流传热强度越大，制冷温度越低，但是当风扇电压在10V以上时，增加电压导致的制冷温度下降很小。由于冷端对流传因而半导体的冷端温度随制冷温度的降低反而升高。热端和冷端的温度差随风扇电压的增加而减小，使热端向冷端的导热量减小，有利于制冷性能的提高。

　　因此，冷端表面传热的强化可以使冷藏箱获得更大的制冷量，更高的制冷系数和更低的制冷温度，有利于半导体冷藏箱性能的提高。而且当风扇电压较低时，提高风扇电压对冷藏箱性能的改善效果更为显著。

　　32热端散热的影响为热端冷却水不同温度时，耗电量、制冷量和制冷系数的变化情况，试验中冷端风扇电压为12V室温为（26 5±05）°Q热端冷却水温度降低，即使半导体工作电压不变，其工作电流也会变大，因此耗电量随冷却水温度降低而增加。工作电流的增加以及热端向冷端导热量的减小，使得制冷量随冷却水温度的下降而增加，并且其增加速率快于耗电量的增加速率，因此制冷系数也同时增加。

　　为热端冷却水不同温度下，制冷温度、冷端温度、热端温度的变化曲线，试验条件同冷却水温度越高，制冷温度、冷端及热端温度都将升高。

　　并且热端和冷端的温度差也有所增加，从而热端向冷端的导热量增加。综合和可知，降低冷却热系数的增大制冷诉端温度的温差减小blis温度盈以获得更大的制冷量更：呢毕系数以及更低的制冷温度，而且这些变化几乎都是线性变化。

　　4结论通过对热端使用水冷的半导体冷藏箱进行的试验研究和分析计算表明，热端和冷端散热对冷藏箱的制冷性能具有显著影响：（1）冷端对流传热强度增加，冷藏箱的耗电量几乎保持不变，而制冷量增加，冷藏箱的制冷系数同时增加。冷端风扇电压的提高还可获得更低的制冷温度，但是当风扇电压在10v以上时，增加风扇电压所引起制冷温度的下降幅度是很小的。风扇转速的提高还可减小热端和冷端的温度差，这可减少热端向冷端的导热量，有利于提高制冷性能。

　　（2）降低热端冷却水温度，冷藏箱的耗电量、制冷量及制冷系数都会增加，制冷温度、热端和冷端的温度差及导热量将会减小，并且这些变化都是线性的。因此热端冷却水温度下降，可以显著提高冷藏箱的制冷性能。