半导体冷藏箱热端最佳散热方式的实验研究

王 莹，吕志家

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨150028)

半导体制冷热电堆是一种高热流密度器件，其主要原理是冷端吸收周围环境的热量而产生制冷效果，相应地热端需要释放出大量的热[1].据半导体制冷规律可知，半导体制冷过程中，热端温度的高低，对半导体制冷的冷量传递有极大的影响.热端散热不良好，则会引起热端温度上升到很高，降低半导体制冷系统的制冷能力，从而降低半导体冷藏箱的整体运行效率.只有将热端释放的热量及时带走，半导体制冷装置的制冷效果才会理想.因此，选择合适且高效的热端散热方式对于提高半导体冷藏箱制冷效率来说是至关重要的.

1 三种散热方式的理论分析

为了使半导体蓄冷箱热端能够有效地散热，本文针半导体冷藏箱独有的特点[2]，在目前常见的散热方式中选取风冷散热、热管散热、热管和风冷组合散热三种散热方式下，进行综合实验研究.

1.1 风冷散热

风冷散热(强制对流散热)，在半导体制冷热电堆的热端采用肋片散热器及风扇组合的方式进行散热.将肋片散热器均匀涂抹导热硅脂后，与半导体热电堆的热端紧密相连，并用螺丝固定在冷端铜块上，轴流风扇紧贴着散热肋片，使周围空气能够加快流动，提高散热效率.

这种散热方式的传热效果较好，而且价格便宜，在小功率场合应用较为广泛，如小型空调器、冷风机及空气冷却除湿机等[3].但是这种方式只能适用于热端温度不高的场合,对于热端热量很大,需要及时散出的情况下,散热效果非常不好，设计计算较为复杂，必须考虑许多影响因素，但是这种风冷散热方式的设计计算较为复杂[4].

1.2 热管散热

热管是一种新型的具有高导热性能的传热元件[5]，利用热管技术制成的热管式散热器一般由液态工质、管芯和管壳3部分构成.液态工质是在将管体抽真空后注入其中，管体在充入工质之后进行密封.

热管的工作原理可以简单概括为依靠工质的相变过程，因此传热效率很高.热管散热器具有体积小、质量轻、传热能力强的优点，作为半导体制冷器的散热是十分理想的.但热管有个缺点，原理上热管可以在任何方向上工作，但由于要克服重力工作时，其性能将会下降.

1.3 热管和风冷组合散热

热管单独散热时，热量散出的比较缓慢，如果配合合适的风扇使用，就会把热量充分并迅速的散发到周围环境中，因此本课题将热管与风扇组合在一起进行，通过实验观察其散热效果.

2 实验系统的建立

如图1所示为半导体制冷装置热端散热整个实验系统，主要包括冷藏箱壳体、半导体制冷热电堆、散热装置和测量系统4部分.实验采用400 mm×240 mm×240 mm的冷藏箱壳体，箱内填有30 mm厚的聚氨酯保温材料，箱体侧壁面有一面积约为80 mm×60 mm的矩形凹槽，用来安置半导体制冷装置及导冷块.

图1 半导体制冷装置热端散热实验系统图

本实验采用的是哈尔滨晶体管厂产的TEC1-12708型半导体制冷片，具体参数如表1所示，TEC1-12705半导体制冷片的基本性能参数.

表1 TEC1-12705半导体制冷片的基本性能参数

3 实验方案的确定

3.1 风冷实验方案

风冷装置的设计尺寸为140 mm×140 mm ×30 mm的风扇，电压是DC12 V，风量为75 CFM，将散热翅片和风扇以导热硅脂固化的方式连接在半导体制冷片的热端，然后将半导体制冷片和散热器整体用螺丝固定在冷端铜块上.

3.2 热管实验方案

热管散热装置选用的是深圳超频三科技公司生产的型号为HP-1204S的热管散热器，其散热量为60W.热管散热器直接与半导体制冷片的热端相接触，并在相接处的表面均匀涂抹导热硅脂，由于热管受重力作用，实验中注意使热管散热器垂直放置.

3.3 热管与风冷组合散热方案

热管与风冷组合散热的实验是采用上述两种装置的组合，在上述热管散热实验的基础上，在紧贴热管散热器处放置风扇，及时的将热管散热器的热量散发到周围环境中去.

4 综合实验结果与对比分析

半导体热端散热的优劣直接影响蓄冷箱的实际运行性能，因此，针对不同的散热方式，我们对数百组实验数据进行分析和研究，并绘制成曲线图，如图2～5分别给出三种散热方式下，蓄冷箱制冷系统冷端温度变化、热端温度变化、箱内温度变化及制冷系统周围环境温度的变化情况.

图2 三种散热方式下半导体制冷系统冷端温度随时间的变化

图3 三种散热方式下半导体制冷系统热端温度随时间的变化

图4 三种散热方式下蓄冷箱中心不同两点温度随时间的变化

图5 三种散热方式下半导体制冷系统周围环境温度随时间的变化

如图2所示，Tc1、Tc2、Tc3分别代表风冷散热、风冷和热管组合散热及热管散热的冷端温度的变化曲线.由图可知，实验开始后，热电堆及箱内各元件和辅助设备正常工作，冷端温度呈下降趋势.研究热管与风冷组合散热方式下，冷端温度从18 ℃开始下降，在40 min内迅速下降至8 ℃左右，之后缓慢下降，120 min后，冷端温度开始趋于稳定在3.8 ℃之间.其余两种散热方式下变化趋势大致相同.最终三种散热方式分别稳定在8.9、5.7、3.8 ℃左右.

如图3所示，Th1、Th2、Th3分别代表风冷散热、风冷和热管组合散热及热管散热的热端温度的变化曲线.由图可知，实验开始后，研究热管与风冷组合散热方式下，热端温度呈迅速上升趋势.热端温度从18 ℃开始上升，在15 min内迅速上升至24.8 ℃左右，之后趋于稳定状态，20 min后，热端温度开始趋于稳定在24.9 ℃之间，其余两种散热方式下变化趋势大致相同.最终三种散热方式的热端温度分别稳定在38.2、30.2、24.9 ℃之间.

如图4所示为三种散热方式下，蓄冷箱内温度的变化曲线，Tn1、Tn2代表风冷散热下箱内中心不同两点温度的变化，Tn3、Tn4代表热管散热方式下箱内中心不同两点温度的变化，Tn5、Tn6代表热管和风冷组合散热下箱内中心不同两点温度的变化.由图4可知，热管与风冷组合散热方式最佳，箱内温度持续下降，最终达到5.7 ℃和5.9 ℃左右，达到了小型冷藏冰箱的设计要求.其余两种散热方式下变化趋势大致相同，箱内最终温度分别稳定在10.8 ℃和7.2 ℃左右.

如图5所示，Tz1、Tz2、Tz3分别代表风冷散热、热管散热及热管与风冷组合散热方式下制冷系统周围环境温度的变化曲线，由图5可以看出，Tz1的波动幅度较大，而Tz2、Tz3的波动相对较平稳，当环境温度降低到17 ℃左右，两种曲线处于平稳的变化状态，且热管与风冷组合散热方案使周围环境温度下降的更多，由此可以得出热管与风冷组合方案产生的冷量更多，制冷效果更明显.

将三种散热方式的实验结果带入半导体制冷的基本计算公式[6-7]中，可以得到三种散热方式下各参数的变化情况，如表2所示.

表2 三种散热方式下各参数的对比分析情况表

综上所述，蓄冷箱实际运行时的热端散热方式，热管和风冷组合散热优于热管单独散热，优于风冷散热，制冷效率较高.

5 结 语

本文针对特定的实验装置，对影响半导体制冷效率的重要因素之一热端散热方式，进行深入研究.在对三种常用的散热方式进行理论分析的基础上，进行了综合实验研究，结果表明在小型半导体冷藏箱制冷系统中，热管与风冷组合散热方式最佳，制冷效率最高并节能环保.

参考文献：

[1]蔡德坡.半导体制冷热端的分析与实验研究[D]. 江西:南昌大学,2010.

[2]周敬雯.利用帕尔贴效应制冷供暖的局部空调设计及性能研究[D]. 上海:上海交通大学, 2013.

[3]MENG F, CHEN L, SUN F. Performance prediction and irreversibility analysis of a thermoelectric refrigerator with finned heat exchanger [J].Acta Physica Polonica A, 2011, 120(3):397-406.

[4]WU Z H, DU R. Design and experimental study of a miniature vapor compression refrigeration system for electronics cooling [J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31:385-390.

[5]曹志高. 热管散热型半导体冷箱的理论分析及实验研究 [D]. 江西:南昌大学, 2010.

[6]侯传勋, 张志利, 赵亮清, 等. 基于典型工况的半导体制冷系统优化方式探讨[J].低温技术, 2011, 39(3):16-22.

[7]殷 刚，庞云凤.小型水冷半导体制冷箱的初步设计[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2011，27(2)：244-247.