半導(dǎo)體冷藏箱熱端最佳散熱方式的實(shí)驗(yàn)研究

王 瑩，呂志家

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028)

半導(dǎo)體制冷熱電堆是一種高熱流密度器件，其主要原理是冷端吸收周圍環(huán)境的熱量而產(chǎn)生制冷效果，相應(yīng)地?zé)岫诵枰尫懦龃罅康臒醄1].據(jù)半導(dǎo)體制冷規(guī)律可知，半導(dǎo)體制冷過(guò)程中，熱端溫度的高低，對(duì)半導(dǎo)體制冷的冷量傳遞有極大的影響.熱端散熱不良好，則會(huì)引起熱端溫度上升到很高，降低半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的制冷能力，從而降低半導(dǎo)體冷藏箱的整體運(yùn)行效率.只有將熱端釋放的熱量及時(shí)帶走，半導(dǎo)體制冷裝置的制冷效果才會(huì)理想.因此，選擇合適且高效的熱端散熱方式對(duì)于提高半導(dǎo)體冷藏箱制冷效率來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的.

1 三種散熱方式的理論分析

為了使半導(dǎo)體蓄冷箱熱端能夠有效地散熱，本文針半導(dǎo)體冷藏箱獨(dú)有的特點(diǎn)[2]，在目前常見(jiàn)的散熱方式中選取風(fēng)冷散熱、熱管散熱、熱管和風(fēng)冷組合散熱三種散熱方式下，進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)研究.

1.1 風(fēng)冷散熱

風(fēng)冷散熱(強(qiáng)制對(duì)流散熱)，在半導(dǎo)體制冷熱電堆的熱端采用肋片散熱器及風(fēng)扇組合的方式進(jìn)行散熱.將肋片散熱器均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂后，與半導(dǎo)體熱電堆的熱端緊密相連，并用螺絲固定在冷端銅塊上，軸流風(fēng)扇緊貼著散熱肋片，使周圍空氣能夠加快流動(dòng)，提高散熱效率.

這種散熱方式的傳熱效果較好，而且價(jià)格便宜，在小功率場(chǎng)合應(yīng)用較為廣泛，如小型空調(diào)器、冷風(fēng)機(jī)及空氣冷卻除濕機(jī)等[3].但是這種方式只能適用于熱端溫度不高的場(chǎng)合,對(duì)于熱端熱量很大,需要及時(shí)散出的情況下,散熱效果非常不好，設(shè)計(jì)計(jì)算較為復(fù)雜，必須考慮許多影響因素，但是這種風(fēng)冷散熱方式的設(shè)計(jì)計(jì)算較為復(fù)雜[4].

1.2 熱管散熱

熱管是一種新型的具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件[5]，利用熱管技術(shù)制成的熱管式散熱器一般由液態(tài)工質(zhì)、管芯和管殼3部分構(gòu)成.液態(tài)工質(zhì)是在將管體抽真空后注入其中，管體在充入工質(zhì)之后進(jìn)行密封.

熱管的工作原理可以簡(jiǎn)單概括為依靠工質(zhì)的相變過(guò)程，因此傳熱效率很高.熱管散熱器具有體積小、質(zhì)量輕、傳熱能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，作為半導(dǎo)體制冷器的散熱是十分理想的.但熱管有個(gè)缺點(diǎn)，原理上熱管可以在任何方向上工作，但由于要克服重力工作時(shí)，其性能將會(huì)下降.

1.3 熱管和風(fēng)冷組合散熱

熱管單獨(dú)散熱時(shí)，熱量散出的比較緩慢，如果配合合適的風(fēng)扇使用，就會(huì)把熱量充分并迅速的散發(fā)到周圍環(huán)境中，因此本課題將熱管與風(fēng)扇組合在一起進(jìn)行，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察其散熱效果.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

如圖1所示為半導(dǎo)體制冷裝置熱端散熱整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括冷藏箱殼體、半導(dǎo)體制冷熱電堆、散熱裝置和測(cè)量系統(tǒng)4部分.實(shí)驗(yàn)采用400 mm×240 mm×240 mm的冷藏箱殼體，箱內(nèi)填有30 mm厚的聚氨酯保溫材料，箱體側(cè)壁面有一面積約為80 mm×60 mm的矩形凹槽，用來(lái)安置半導(dǎo)體制冷裝置及導(dǎo)冷塊.

圖1 半導(dǎo)體制冷裝置熱端散熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

本實(shí)驗(yàn)采用的是哈爾濱晶體管廠產(chǎn)的TEC1-12708型半導(dǎo)體制冷片，具體參數(shù)如表1所示，TEC1-12705半導(dǎo)體制冷片的基本性能參數(shù).

表1 TEC1-12705半導(dǎo)體制冷片的基本性能參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)方案的確定

3.1 風(fēng)冷實(shí)驗(yàn)方案

風(fēng)冷裝置的設(shè)計(jì)尺寸為140 mm×140 mm ×30 mm的風(fēng)扇，電壓是DC12 V，風(fēng)量為75 CFM，將散熱翅片和風(fēng)扇以導(dǎo)熱硅脂固化的方式連接在半導(dǎo)體制冷片的熱端，然后將半導(dǎo)體制冷片和散熱器整體用螺絲固定在冷端銅塊上.

3.2 熱管實(shí)驗(yàn)方案

熱管散熱裝置選用的是深圳超頻三科技公司生產(chǎn)的型號(hào)為HP-1204S的熱管散熱器，其散熱量為60W.熱管散熱器直接與半導(dǎo)體制冷片的熱端相接觸，并在相接處的表面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，由于熱管受重力作用，實(shí)驗(yàn)中注意使熱管散熱器垂直放置.

3.3 熱管與風(fēng)冷組合散熱方案

熱管與風(fēng)冷組合散熱的實(shí)驗(yàn)是采用上述兩種裝置的組合，在上述熱管散熱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在緊貼熱管散熱器處放置風(fēng)扇，及時(shí)的將熱管散熱器的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中去.

4 綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

半導(dǎo)體熱端散熱的優(yōu)劣直接影響蓄冷箱的實(shí)際運(yùn)行性能，因此，針對(duì)不同的散熱方式，我們對(duì)數(shù)百組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，并繪制成曲線圖，如圖2～5分別給出三種散熱方式下，蓄冷箱制冷系統(tǒng)冷端溫度變化、熱端溫度變化、箱內(nèi)溫度變化及制冷系統(tǒng)周圍環(huán)境溫度的變化情況.

圖2 三種散熱方式下半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)冷端溫度隨時(shí)間的變化

圖3 三種散熱方式下半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)熱端溫度隨時(shí)間的變化

圖4 三種散熱方式下蓄冷箱中心不同兩點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

圖5 三種散熱方式下半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)周圍環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化

如圖2所示，Tc1、Tc2、Tc3分別代表風(fēng)冷散熱、風(fēng)冷和熱管組合散熱及熱管散熱的冷端溫度的變化曲線.由圖可知，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，熱電堆及箱內(nèi)各元件和輔助設(shè)備正常工作，冷端溫度呈下降趨勢(shì).研究熱管與風(fēng)冷組合散熱方式下，冷端溫度從18 ℃開(kāi)始下降，在40 min內(nèi)迅速下降至8 ℃左右，之后緩慢下降，120 min后，冷端溫度開(kāi)始趨于穩(wěn)定在3.8 ℃之間.其余兩種散熱方式下變化趨勢(shì)大致相同.最終三種散熱方式分別穩(wěn)定在8.9、5.7、3.8 ℃左右.

如圖3所示，Th1、Th2、Th3分別代表風(fēng)冷散熱、風(fēng)冷和熱管組合散熱及熱管散熱的熱端溫度的變化曲線.由圖可知，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，研究熱管與風(fēng)冷組合散熱方式下，熱端溫度呈迅速上升趨勢(shì).熱端溫度從18 ℃開(kāi)始上升，在15 min內(nèi)迅速上升至24.8 ℃左右，之后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，20 min后，熱端溫度開(kāi)始趨于穩(wěn)定在24.9 ℃之間，其余兩種散熱方式下變化趨勢(shì)大致相同.最終三種散熱方式的熱端溫度分別穩(wěn)定在38.2、30.2、24.9 ℃之間.

如圖4所示為三種散熱方式下，蓄冷箱內(nèi)溫度的變化曲線，Tn1、Tn2代表風(fēng)冷散熱下箱內(nèi)中心不同兩點(diǎn)溫度的變化，Tn3、Tn4代表熱管散熱方式下箱內(nèi)中心不同兩點(diǎn)溫度的變化，Tn5、Tn6代表熱管和風(fēng)冷組合散熱下箱內(nèi)中心不同兩點(diǎn)溫度的變化.由圖4可知，熱管與風(fēng)冷組合散熱方式最佳，箱內(nèi)溫度持續(xù)下降，最終達(dá)到5.7 ℃和5.9 ℃左右，達(dá)到了小型冷藏冰箱的設(shè)計(jì)要求.其余兩種散熱方式下變化趨勢(shì)大致相同，箱內(nèi)最終溫度分別穩(wěn)定在10.8 ℃和7.2 ℃左右.

如圖5所示，Tz1、Tz2、Tz3分別代表風(fēng)冷散熱、熱管散熱及熱管與風(fēng)冷組合散熱方式下制冷系統(tǒng)周圍環(huán)境溫度的變化曲線，由圖5可以看出，Tz1的波動(dòng)幅度較大，而Tz2、Tz3的波動(dòng)相對(duì)較平穩(wěn)，當(dāng)環(huán)境溫度降低到17 ℃左右，兩種曲線處于平穩(wěn)的變化狀態(tài)，且熱管與風(fēng)冷組合散熱方案使周圍環(huán)境溫度下降的更多，由此可以得出熱管與風(fēng)冷組合方案產(chǎn)生的冷量更多，制冷效果更明顯.

將三種散熱方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶入半導(dǎo)體制冷的基本計(jì)算公式[6-7]中，可以得到三種散熱方式下各參數(shù)的變化情況，如表2所示.

表2 三種散熱方式下各參數(shù)的對(duì)比分析情況表

綜上所述，蓄冷箱實(shí)際運(yùn)行時(shí)的熱端散熱方式，熱管和風(fēng)冷組合散熱優(yōu)于熱管單獨(dú)散熱，優(yōu)于風(fēng)冷散熱，制冷效率較高.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)特定的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)影響半導(dǎo)體制冷效率的重要因素之一熱端散熱方式，進(jìn)行深入研究.在對(duì)三種常用的散熱方式進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了綜合實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在小型半導(dǎo)體冷藏箱制冷系統(tǒng)中，熱管與風(fēng)冷組合散熱方式最佳，制冷效率最高并節(jié)能環(huán)保.

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