半导体制冷系统制冷效率影响因素的研究

王宜志 陈德根 冯婧 刘霞

摘 要：本文在对半导体制冷物理模型的分析的基础上，对半导体制冷过程中的影响因素进行了研究，研究結果表明，在半导体制冷过程中，电流的变化以及冷热端散热的效果，对半导体制冷系数有较大影响。通过建立实际半导体制冷实验平台，测试了半导体制冷在电流变化以及不同散热方式下的制冷效率，为半导体制冷装置的设计提供了一定的指导作用。

关键词：半导体制冷；制冷量；散热效果；电流

0 引言

半导体制冷是利用电热效应实现的一种制冷方式，半导体制冷没有复杂的转动元件，因此具有工作稳定、清洁的优点。此外，尺寸小，温度控制精确也是半导体制冷的显著优点，目前已广泛应用于电子器件、精密医疗器械、军工特殊需要的微小空间散热。在过去几十年里，半导体制冷方面的学者主要集中于半导体制冷材料方面的研究，重点研究提高制冷器优值系数。近些年，随着制冷器优值系数的提高，部分学者的研究方向转向了对半导体制冷系统的研究，主要集中于半导体制冷结构和控制上的研究：热电臂几何尺寸，散热强度对半导体制冷效率影响，半导体制冷级联等。

1 热平衡理论与半导体制冷器的物理模型

半导体制冷的原理是把P型半导体元件和N型半导体元件组合成一对热电偶对，一对热电偶称为一个半导体热电单元，由于单个的热电偶对制冷效果不能满足使用，所以工业化的半导体制冷片就是把 多个热电单元在电路上进行串联，然后利用具有良好散热性能的陶瓷片进行封装。在半导体制冷片上接通直流电源，由于存在帕尔贴效应，在陶瓷偏上就会产生冷热端。如果电流从N端流向P端，陶瓷面向空气吸收热量，温度降低，也就是形成了我们所谓的制冷端；若电流从P端流向N端，陶瓷面向空气释放热量，温度上升并形成热端，借助各种散热方式，将半导体制冷片上冷端和热端的热量通过各种方式传递到我们需要制冷或者加热的空间，就实现了半导体制冷。在半导体制冷过程中除了有帕尔贴效应外，还有塞贝克效应，汤姆逊效应，傅里叶效应，焦耳效应。根据半导体制冷片制冷材料的以及对热交换的研究，可以得到以下公式：

2 半导体制冷效果影响因子分析

在半导体制冷片的结构已经确定的情况下，半导体制冷的效果分别受到了半导体制冷片电流、冷热端散热方式的影响较大。下面对这两个方面分别分析：

2.1 电流对半导体制冷过程的影响

根据半导体制冷片的物理模型，由式（2）可以看出，影响半导体制冷的制冷量的最大因素是通电电流。通过对TEC12706进行测试，在半导体热端散热情况相同的条件下，半导体制冷片的制冷量随电流的变化而变化，但是在变化过程中有一个最佳制冷系数点，在该点的半导体制冷的制冷效率最高，如图1所示。

2.2 冷热端散热效果对半导体制冷过程的影响

半导体热端散热效果直接影响到的就是制冷过程中的半导体进行热交换时的热阻，从上式（2）可见，半导体制冷片的冷热端热阻是能够影响制冷量 的重要参数，通过小型半导体制冷空间在不同散热方式下制冷量的测试，测试结果如图2可以看出，热端散热效果越好，制冷系统的制冷量越大。在强迫风冷测试中，改变热端的风量，可以显著提高最大制冷工况。而在水冷测试过程中，减小冷却水的温度和增大水流量，也可以提高半导体制冷片的最大制冷工况。

3 总结

本文对半导体制冷的物理模型进行了分析，分析了半导体制冷的制冷量受到电流和热端散热强度的影响。电流在半导体制冷过程中是一个可控因素，在设计和制作小型制冷空间过程中，可以通过对电流的控制，实现对半导体制冷设备制冷量的调节，从而实现对制冷温度的调节，但在调节过程中需要注意电流不能超过最佳工作点，否则会影响制冷效率的下降。而半导体制冷片制冷过程中，热端的散热效果是影响制冷量的一个重要因素，在半导体制冷装置中，做好热端的散热和冷端热交换，可以很好地提高制冷效率。

参考文献

[1]毛佳妮，申丽梅，李爱博，等.半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析[J].流体机械，2010，（7）：68-72.

[2]李爱博.单级半导体制冷器制冷特性分析及研究[D].华中科技大学，2011.

[3]半导体制冷技术及应用[J].机械工程与自动化，2013，8（4）：219-211.

（作者单位：广东科技学院 机电工程系）