半导体制冷散热强度对制冷性能的影响

　　半导体制冷又称热电制冷，是一种固体制冷方式，它是在珀尔帖效应的基础上发展起来的一门新兴制冷技术，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1°）。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。半导体制冷器是利用电能直接实现热能传递的一种特殊半导体器件。它不同于压缩式制冷机，具有无机械运动、无噪音、无污染、体积小，可小型化、微型化，可靠性高，寿命长、制冷迅速、冷量调节范围宽及冷热转换快等特点。近年来，随着半导体制冷器件制造技术的不断提高，其应用领域已不再局限于军事、化工、航天、医疗等特定的领域，在民用领域也显示出相当广阔的应用前景。但是，由于半导体材料、电源和热端散热等方面的影响，半导体制冷与常规的压缩式制冷相比，仍然存在着制冷效率低的问题。

　　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。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。

　　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。

　　为研究问题方便，假设传热只发生在垂直方向上，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。

　　如所示，电偶对的臂长为/，截面积为d，工作电流为I，导热系数1为常数，电导率为厂，塞贝克系数为s，冷热端温度分别为Tc和Th（Th>Tc），均匀内热源办=I2R/d/，并给出第三类边界条件即x=0界面侧的流体温度为7，对流换热系数为％；x =1界面侧的流体温度为7/2，对流换热系数为a2.于是，当半导体制冷器稳定工作时，其热传导方程为第三类边界条件为则冷端制冷量为热端散热量为输入功率为输入电压为制冷系数为2数值计算结果及分析导热系数1=18-1尤1，电偶臂长度/=15所所，截面积=40所所\40所所，工作电流1=4.64.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，3和4所示。由可知，在某一温差下，制冷量0c随热端散热强度％的增加而提高，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0c的影响就趋于平缓。这主要是由半由方程（1）并结合边界条件（2）和（3），可解得热电制冷电偶对内的温度分布为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a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。

　　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0h的大小，a越大，0h就越大，而制冷电堆的输入功率p只与冷热端温差at有关系，与散热强度a没有关系，并且在整个工作过程中保持a+p=.中制冷系数e随热端散热强度％的变化曲线与及中制冷量0.、散热量0！的变化趋势相似，随着热端散热强度q的不断增加，制冷系数f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，终接近常数。

　　3结论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。

　　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。

　　从经济性考虑，半导体制冷中存在佳热端散热强度，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。