热管散热型半导体冷箱研究

　　于各个领域。从20世纪50年代开始，研究者就在进行半导体制冷技术的民用研究，并成功研制出半导体冷藏箱。热管是一种高效的换热元件，将其应用于半导体冷箱热端散热，可以大幅度提高热端散热强度，因此设计了一台热管散热型半导体冷箱，并且通过为半导体冷箱结构示意图，制冷装置主要由热电制冷元件，冷、热端散热翅片组成。箱体材料由内到外分别是：铝内胆、隔热材料、ABS塑料，见。

　　半导体制冷装置由多块热电堆组成，包括分别装有散热片的一个冷端和一个热端，冷端置于冷箱体内，热端置于冷箱体外。由于拍尔帖效应，热端处，通过半导体接头的电流方向是由P型结到N型结，温度上升并向外释放热量；冷端处，通过半导体接头处的电流方向是由N型结到P型结，温度下降并吸收热量，起到使箱内物品冷藏保鲜的作用。

　　箱体材料结构示意半导体制冷系统热端常用散热方式半导体制冷系统在工作过程中，热量不断地从冷端转移到热端，研究证明需要及时有效地释放热端的热量，否则会对制冷性能产生不利的影响。

　　另外，要使散热器有效地工作，设计时应该选择适当的散热温度，如果跟环境温度相差不大，会导致散热效果差；如果比环境温度高出很多，会使半导体制冷器的制冷系数明显下降。一般情况下，使热端温度高于环境温度710°C较好，高15°C.半导体制冷系统常用的散热方式有：自然对流散热、强制对流散热、液体循环冷却散热、相变换热及接触式导热散热等。散热方式的选取，取决于半导体制冷系统的结构、使用环境等因素。

　　自然对流散热仅利用周围空气的自然流动进行散热。而强制对流散热，则是在自然对流散热的基础上加装轴流风机，通过外力的作用，加大散热器周围的空气流动，大大提高了散热效果，目前应用为广泛。强制对流散热同时要考虑很多附加的条件，像翅片尺寸、结构、空气的流速等。Esarte等进行了流体动力学模拟分析与优化，计算出强制对流散热器的热阻约为翅片散热器热阻的一半。液体循环冷却散热方式常用的介质是水。水冷散热的效果比自然对流高1001000倍。水冷散热器一般由泵与散热器组成循环回路，或将水箱分隔成很多区域以加强散热。

　　相变散热是利用介质在发生相变的过程中吸收热量，从而达到散热的目的。S.B.Riffat等对半导体制冷系统中采用相变热虹吸管散热的大量研究表明，如果冷热端没有负载，大温差可以达到64C（14.4V，8.5ADC）。张建成经过研究得出，热管散热器的散热能力比翅片式散热器大很多。

　　Esarte在半导体制冷系统的冷端，分别采用普通的翅片散热器和相变热虹吸管散热器，经过分析两种散热器表面的温度场分布情况，得出使用热虹吸管散热可以有效地提高热流在传热面的均匀性，从而减小热阻，提高了散热效果。

　　表1输入电压和对应电流电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）电压（V）电流（A）体制冷系统冷端的温度呈阶梯型下降，而且较为明显，冷箱内温度也随着明显地下降。电压逐步增加，温度下降趋势明显减弱，在11V12V时，温度下降已经停止，达到低温度。从图中还可看出，热端温度随着电压的增加而升高，过了12V后，热端温度上升速度明显加快，这是因为电压增大，产生的热量不能及时散发出去，降低了工作效率。因此在室温20°C、常压下，11V12V为该半导体冷箱的佳工作电压，此时电流为6.8A7.6A.冷箱内部所能达到的低温度明显下降。这是因为风量随着电压的增加而增大，散热强度也随之增大，半导体冷箱的工作环境更加有利，从而使冷箱内的温度更低，达到了更好的制冷效果。可见，热端风扇在12V的运行参数下，冷箱的制冷效果好。

　　3.3探寻冷端佳散热强度的，结果表明采用热管散热方式的半导体冷箱的制冷效果好。

　　从图中可以看出，采用不同散热方式所达到的制冷效果相差并不十分显著，优值（采用热管散热方式所得）与劣值（采用风冷散热方式所得）只差3C左右，这主要是由于在冷箱的设计、制作及实验的过程中还存在不足之处。比如：冷箱热端散热器由于设计的欠缺，散热效果不佳，尚需进一步优化热端散热翅片设计；由于实验室的条件限制，冷热端之间难免会有热量交换，从而引起冷量的损失，因而要完善冷箱的制作工艺；实验数据是人工采集的，难免也会产生误差。

　　4结论与展望设计了一台热管散热型半导体冷箱，并且通过实验得到了其佳工作电压以及冷、热端佳散热强度，还对热管散热、风冷散热、水冷散热方式进行了比较，得到的主要结论如下：统的佳工作电压，此时电流为6.8A7.6A.冷、热端风扇在12V的运行参数下，冷箱的制冷效果好。

　　与采用风冷散热、水冷散热方式时的散热效果相比较，采用热管散热方式的半导体冷箱的制冷效果好。

　　理论上，在同一工况下，热管散热型半导体冷箱的制冷效果比风冷散热型、水冷散热型冷箱要好的多，但是实验结果相差并不十分明显，这说明在冷箱的设计、制作及实验的过程中还存在不足之处。

　　与常规蒸汽压缩制冷相比，半导体制冷具有重量轻、尺寸小、无运动部件及可靠性高等优点，但也存在制冷系数低、成本高等问题。正因为如此，对半导体制冷技术的理论与实践的研究有着广阔的空间。

　　性地禁止CFCs物质，新材料等相关技术的不断渗透为半导体制冷技术的应用提供了新的发展机遇和动力。随着半导体制冷技术的发展以及社会的进步，半导体制冷将能够更好地满足人们对于生活品质和节能环保生活方式的要求。