（制冷及低温工程专业论文）热管散热型半导体冷箱的理论分析及实验研究.pdf

i，i，-=1i， 摘要 i l u l il l l l lii t l l t l l l li i1 1 111 1l y 17 4 6 3 0 8 摘要 半导体制冷技术是新型环保型制冷技术，热管散热器是一种高效的换热器， 为了体现二者的优越性，把它们结合起来，创造性地制作了热管散热型半导体 冷箱，并在理论分析的基础上进行了实验研究。 运用a n s y s 软件对制冷空间内的温度场分布进行了数值模拟，分析了对流 传热系数和半导体制冷器冷端放置位置对制冷空间温度场的影响。然后对热管 散热型半导体冷箱的研制及工作原理进行介绍，通过改变冷箱冷热端的传热强 度，分析了冷热端换热器对冷箱制冷效果的影响；并且在同一工况下，对比分 析了热管散热型、风冷散热型、水冷散热型三种不同热端散热类型的半导体冷 箱制冷效果。 通过对热管散热型半导体冷箱的性能测试与实验研究，得出：冷箱半导体 制冷系统的最佳工作电压；适当增大冷热端风扇的电压，可有效降低热端温度， 加快冷端散冷效果，从而使冷箱的制冷效率更高；热管散热型半导体冷箱相对 于风冷散热型、水冷散热型冷箱，冷箱内所达到的最低温度更低，制冷效果最 佳，同时也说明了热管散热器是一种高效的换热器。 关键词：半导体制冷；热管散热器；冷箱；实验研究 l l a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o rt e c h n o l o g yi san e we n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y , t h eh e a tp i p er a d i a t o ri sak i n do fh i l g he f f i c i e n c y h e a t e x c h a n g e r t or e f l e c tt h es u p e r i o r i t yo ft h e i r , c o m b i n et h e mi nc r e a t i v ep r o d u c t i o no f t h eh e a tp i p ec o o l i n gt y p es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o rs y s t e m ，a n de a r l yo nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y u s ea n s y ss o f t w a r e p r o d u c t s f o r t h e r e f r i g e r a t i o ns p a c et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i nan u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n da n a l y z et h ei m p a c to fc o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rc o e f n c i e n ta n dt h e r m o e l e c t r i cc o o l e rc o l ds i d eo ft h er e f r i g e r a t i o ns p a c e p l a c e m e n t t h e ni n t r o d u c et h es t r u c t u r eo f t h eh e a tp i p ec o o l i n gt y p es e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t o rs y s t e ma n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，b yc h a n g i n gt h eh e a tt r a n s f e ri n t e n s i t y o fh o ta n dc o l ds i d e ，a n a l y z eo ft h eh o ta n dc o l ds i d eh e a te x c h a n g e ro nt h ec o o l i n g e f f e c t so fr e f r i g e r a t o r ；a n du n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，c o m p a r ea n da n a l y z et h e c o o l i n ge f f e c to ft h eh e a tp i p ec o o l i n gt y p es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o rs y s t e ma n da i r c o o l i n gt y p e ，w a t e rc o o l i n gt y p er e f r i g e r a t o r b y t h eh e a t p i p ec o o l i n gt y p e s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t o rs y s t e m o f s e m i c o n d u c t o rt e s ta n de x p e r i m e n t a ls t u d y , c o n c l u d e d ：t h eb e s to p e r a t i n gv o l t a g eo f t h er e f r i g e r a t o r ；a p p r o p r i a t ei n c r e a s i n gt h ev o l t a g eo ft h eh o ta n dc o l ds i d ef a n s ，c a l l e f f e c t i v e l yr e d u c et h eh o t - s i d et e m p e r a t u r e ，s p e e du pt h ec o o l i n ge f f e c to fc o l d s i d e ， s ot h a tm o r ee f f i c i e n tr e f r i g e r a t i o no ft h er e f r i g e r a t o r ；t h eh e a tp i p ec o o l i n gt y p e s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o rs y s t e mc a nr e a c hal o w e rm i n i m u mt e m p e r a t u r ea n dh a s t h eb e s tc o o l i n ge f f e c tt h a nt h ea i rc o o l i n gt y p e ，w a t e rc o o l i n gt y p er e f r i g e r a t o r a l s o i l l u s t r a t e st h eh e a tp i p er a d i a t o ri sah i g h l ye f f i c i e n th e a te x c h a n g e r k e yw o r d s ： s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o r ；h e a tp i p er a d i a t o r ；r e f r i g e r a t o r ； e x p e r i m e n t a ls t u d y m ； ；一： 芦 ，： i 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 半导体制冷的研究现状2 1 2 1 半导体制冷的应用研究：2 1 2 2 半导体制冷研究热点3 1 2 3 半导体制冷器机构与性能。5 1 3 热管及热管换热器的研究现状6 1 3 1 热管的研究及应用。6 1 3 2 热管换热器的研究及应用。6 1 4 本文主要工作7 第2 章热管散热半导体制冷技术理论：8 2 1 半导体制冷技术概述8 2 1 1 赛贝克效应8 2 1 2 珀耳帖效应9 2 1 3 汤姆逊效应l o 一 2 1 4 焦耳效应l o 2 1 5 傅立叶效应1 l 2 1 6 热电效应间的关系1 1 2 2 半导体制冷工况分析1 2 2 2 1 一般工况：1 2 2 2 2 最大制冷量工况及最佳工作电流1 5 2 3 半导体制冷系统散热方式。1 6 2 4 热管及其工作原理概述1 7 2 5 热管换热器的类型与结构1 8 2 6 热管换热器的设计计算1 9 i v 目录 2 7 本章小结2 4 第3 章半导体冷箱温度场的数值模拟2 5 3 1 引言2 5 3 2 数学模型的建立2 5 3 2 1 物理建模2 5 3 2 2 数学建模2 6 3 2 3 控制方程2 6 3 2 4 定解条件及物性参数2 6 3 3 数值模拟结果及分析2 8 3 3 1 对流换热系数对半导体冷箱内部温度场的影响2 9 3 3 2 冷端位置对半导体冷箱内部温度场的影响3 l 3 4 本章小结3 3 第4 章热管散热半导体冷箱的研制3 4 4 1 半导体冷箱的结构设计3 4 4 2 半导体冷箱工作参数的确定3 5 4 3 半导体冷箱热负荷计算。3 6 4 4 半导体冷箱组件的设计与选择- ：3 9 4 4 1 半导体制冷元件的选择3 9 4 4 2 冷端散热系统的设计_ 4 0 4 4 3 热端热管散热器循环水系统的设计。4 0 4 5 半导体冷箱的组装。4 l 4 6 本章小结。4 3 第5 章热管散热型半导体冷箱性能测试实验4 4 5 1 实验目的4 4 5 2 实验环境与仪器。4 4 5 3 实验方法4 4 5 4 实验结果及数据分析4 5 5 4 1 半导体制冷系统最佳工作电压及电流k 4 5 5 4 2 改变热端换热强度4 6 v 目录 5 4 3 改变冷端换热强度4 7 5 4 4 不同热端散热方式的比较4 8 5 5 本章小结二4 9 第6 章结论与展望5 0 6 1 工作总结5 0 6 2 前景展望5 0 致谢5 3 参考文献5 3 攻读学位期间的研究成果5 3 v i 一 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 半导体制冷还称热电制冷或温差制冷，因系统中用到的材料为半导体材料， 故而得名。它是一种新型的制冷方式，是珀耳帖效应在制冷技术中的应用。早 在上世纪5 0 年代，半导体制冷技术便兴起，并且引发了热潮。它是介于制冷技 术与半导体技术之间的一门学科，它利用半导体材料制作的热电偶对，产生珀 耳帖效应，从而达到制冷的目的。其原理是通过半导体材料的温差效应，当直 流电经过不同半导体材料组成的电偶对时，电偶对的两端就会吸收或者释放出 能量。假如在热端放置散热装置，及时散出多余热量，冷端同时吸收空间热量， 从而形成简易的新型制冷装置，当改变直流电的方向的时候，又会达到制热的 效果。 半导体制冷与蒸汽压缩式、蒸汽喷射式、吸附式和吸收式等传统的制冷方 式相比，优点很多，如：制冷系统只由冷端、热端、电源、电路等组成，结构 简单，且无机械运动部件，无磨损，无噪声，寿命长；系统无需制冷剂，从而 免除因制冷剂泄漏而对环境造成污染的问题；体积小，重量轻，可根据实际情 况随意布置；制冷片热惯性小，制冷制热转换速度快，并且冷却速度可以通过 调节直流电压进行控制，灵活方便；可冷却特定的电子元件，从而在微制冷领 域应用广泛；可快速进行冷热转换，从而达到其他制冷方式无法达到的效果； 虽然半导体制冷元件的制冷功率很小，但可以组成多级电堆，从而实现不同的 制冷功率。 热管是一种具有极高导热性能的传热元件，受到广泛的关注。美国人 g a u g l e r 在1 9 4 2 年提出了热管这一全新的概念。2 0 世纪7 0 年代以来，因宇宙 航天器对传热元件提出的特殊要求，加之热管在节约能源方面所起的作用巨大， 使热管理论研究和工程应用得到快速的发展。2 0 世纪8 0 年代初，我国把热管 研究的重点转向节约能源和能源的合理利用上，相继研发了热管气气换热器、 热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器和高温热管热风炉等各类产品n 1 。随着科 学技术水平的不断提高，热管的应用范围已经从航天、航天器中的均温和控温， 第1 章绪论 扩展到了工业技术的各个领域，化工、能源、动力、冶金、电子、机械及医疗 等各个部门都已应用了热管技术乜1 。 根据热管研发的热管换热器具有优良的换热能力， 量较轻，体积偏小，工质在热管内循环无须消耗能量， 擦，无噪声，可靠性很高，易维修等特点。 正是基于半导体制冷技术与热管技术的这些优点， 管散热型半导体冷箱。 1 2 半导体镧冷的研究现状 1 2 1 半导体制冷的应用研究 并且结构相对简单，重 无相对运动部件，无摩 本文创造性的研制了热 半导体制冷技术的应用领域很广，在低温生物学、超导技术、低温科学、 通讯技术、以及空间技术等工农业、医疗、科研、国防等众多领域具有广泛的 应用。目前，世界上半导体制冷技术已经有数十个项目正在进行中，还有无数 的新项目正在不断的研发之中口。5 1 。 半导体制冷技术最先应用在航天技术和军事领域，主要是对红外探测器， 激光器等光电元件的制冷，后来普遍应用到常用电子元件上。有研究表明，电 子元件会随着温度的升高，可靠性及效率有所降低。要想提高电子元件的可靠 性及效率，那就要对电子元件进行散热降温，从而使半导体元件能够有效的工 作。这样，适用于小范围内冷却散热的半导体制冷就能充分的发挥作用，像显 卡、电阻、电容、c p u 、晶体管、石英晶体等要求在恒温或低温下工作的电子 元件，就很适合用半导体制冷。 半导体制冷技术用来制作低温实验仪器，因半导体元件体积小，操作简单， 并且能控制在特定的温度下，可用来储存特定的试验物品。 对于空间很小，要求精度高的恒温槽，可以用半导体制冷元件制成，并能 使温度稳定达o 5 0 0 0 5 ，从而使装置的精度更高。 半导体制冷元件还可做成露点湿度计，其结构简单，精度高。经常用在冶 金、化工中对气体湿度的测定方面。， 半导体制冷在生物、医学方面应用也相当广泛。在生物实验时，常常要使 被观察的物体保持温度不变，且多数要求在低温的条件下。在显微镜载物台上 2 第1 章绪论 加装半导体制冷装置，就可以使温度控制在2 5 1 2 5 ( 2 范围内的某一温度下，精 度为士0 1 。医学上，应用更加广泛，做外科手术时，在对浅表的腔壁很薄 的小脓肿进行冷却麻醉时，可以用半导体制冷装置代替氯乙烷，这样更加安全， 方便。还可做成药用半导体冷藏箱，用来储存血清、药品、血液等，既安全又 方便。 半导体制冷技术还应用到空调器上。目前国内外市场上都有半导体冷藏箱， 用来冷却饮料、水果、蔬菜等，并可在野营时携带，十分方便。 1 2 2 半导体制冷研究热点 目前，半导体制冷应用十分广泛，引起国内外的重视，很多机构都在研究 半导体制冷技术，并期待有新的突破。 。 当前研究的热点在半导体制冷材料上，因为半导体制冷技术很大程度要靠 半导体材料的发展，同时半导体制冷的效果又与制冷效率、制冷温差有关。而 这两者又都与材料优质系数有关，图1 1 是三者的关系图1 。 图1 1c o p - a t 关系图 上图中给出了不同z 值时，半导体制冷装置与机械压缩制冷系统比较后的 3 制冷系数 叩 第1 章绪论 结果。我们可以看出，半导体制冷装置要想达到机械压缩制冷系统相当的制冷 效率，其材料的优值系数必须达到l o x x l o 一。所以，各国把半导体研究热点主 要集中在材料方面，希望通过对材料的改进，使得半导体制冷有更大的发展。 早在十九世纪初，德国科学家a l t e n k i r c h 就建立热电理论，表明优良的 热点材料必须要有较高的s e e b e c k 系数( s ) ，来保证良好的热电效应，较小的 热导率( 入) ，从而保留接点的热量，而高的电导率( 0 ) 来减少j o u l e 热损失， 即材料热电性能的优劣取决于热电优值z 口1 。表示如下式： z = s 20 入( 1 1 ) m o l e 阳1 等认为，减少声子传导率，即可大大提高半导体制冷堆的优值系数： 而b o f f 等提出，半导体制冷系数提高到2 0 以上，则其优值系数需提高到1 3 1 0 - 3 k 叫的水平。 然而，直到现在，世界各国所研究的半导体制冷元件优值系数仍然不是很 理想。例如，俄罗斯b a 兹hep 研究的结果为z p ( 3 0 3 5 ) 1 0 _ 3 k 一；z n 3 o 1 0 - 3 k ；美国的r c a 实验室j i m l 阳1 研究为z p ( 3 4 i 0 _ 3 k ；z n 3 2 1 0 _ 3 k ；英国通用电气公司g o l dc f f o d l n 们研究得到的是z p - 3 3 1 0 3 k 一； z n - 3 o x1 0 _ 3 k ；中国半导体研究所的研究为z p ( 3 3 3 5 ) 1 0 3 k ；z n ( 3 0 - 3 3 ) 1 0 一3 k 。 直到二十世纪六十年代，科学家才发现具有较高优值系数的半导体材料， 半导体材料有了巨大的发展。科学家经过测试，发现b i s b t e 系固溶体材料的 热电性能相当好，然而，最近几十年，科学家对半导体材料的研究并未有很大 突破。 现在，有三类典型的热电材料，b i s b t e 系，s i g e 系，p b t c 系合金1 。 b i s b t c 系的b i 2 t e 。的热电性能最好，他们适合在1 0 0 k - - 4 0 0 k 范围，并已经 被广泛应用。由b i 。t e 。组成的固溶体( - - 元b i 。t e 。- s b 。t e 。和b i 。t e 。- s b 。s e 。，三元 b i ：t e 。- s b ：t e 。一s b ：s e 。) ，优值系数更高。s i g e 系材料也是很好的热电材料，特 别是在中高温温差发电中，现在采用放射性同位素作为热源的温差发电器中适 用的p ，n 型s i g e 系热电材料，其热电转换效率大致为7 n 羽。 还有几种新材料，如填充s k u t t e r u d i t e 化合物、低维热电材料、氧化物热电 材料等。s k u t t e m d i t e 就是指c o s b 。，是一种矿物，俗称方钴矿n 羽。在其晶胞的 孔隙中填入直径较大的稀土原子，热导率大幅降低。还有n 型b i - s b 合金材料， 优值系数很高，其中b i 筋s b 。在8 0 k 时的z 值可以达到6 5 1 0 _ 3 k _ n 钔。 第1 章绪论 总之，通过科学家的不断努力，定能找到具有良好优值系数的材料，让半 导体制冷技术飞速发展。 1 2 3 半导体镧冷置机构与性能 n 型和p 型半 缘陶瓷片 属导体 直漉毫源 一 图1 2 半导体制冷器结构示意图 半导体制冷器的发展取决于半导体材料的发展。上图1 2 为半导体结构示 意图，我们可以看到，半导体制冷器由许多p 、n 型温差电对，通过导线，用 串并联的形式，把这些温差电对连接成一个整体。 半导体制冷主要就是依靠热电堆，为了提高其性能，科学家们做了很多工 作，并取得了可喜成果。宣向春等n 钉提出可在普通温差电偶对的p 、n 型电偶 臂之间淀积一层厚度适当的银膜，提高电偶对的制冷性能。陈振林等n 叼对多级 制冷器相关公式进行推导，并得出关于多级半导体制冷器的一些重要结论。 对半导体制冷器的性能研究与最佳工作状态的优化分析，科学家也做了深 入的研究。卢希红n 7 3 对半导体制冷器的电臂在稳态条件下温度分布情况进行了 数值分析；吴清丽n 踟将汤姆逊效应对半导体制冷器性能的影响进行了研究；李 茂德n 钔分析了散热强度对制冷器的影响。 在国外半导体制冷的研究也达到相当水平。j g s t o c k h o l m 等科学家通过 建立数学模型的方式侧，从热力学与传热学的角度对半导体制冷运行过程作了 深入的理论讨论，并研究电流、空气流量、热电材料的厚度及特性对半导体制 冷性能的影响；t a y l o r 乜妇建立半导体制冷设备在非稳态状况下温度场的简单模 型；u l r i c h 等n 们将半导体制冷与固态热离子制冷进行比较，并认为对于现有已 知的材料而言，半导体制冷更有效。 5 第1 章绪论 1 3 热管及热管换热嚣的研究现状 1 3 1 热蕾的研究及应用 热管做为高效的传热元件，应用的研究不断加深，热管市场呈现出兴旺的 形势。热管技术在各个行业都有着广泛的应用。如口2 2 3 1 ：在动力工程的核反应 堆中运用高温液态金属热管，航天飞行器里用高温热管来做热离子换热器和热 电发生器的重要部件，用高温热管对高温热能回收利用；在电子元件中，中温 热管运用很多，对集成电路冷却，用中温热管冷却涡轮机叶轮、发电机、电动 机等；而低温热管在医学方面冷却手术刀，对电子芯片、电脑c p u ，电路板， 显卡也有极好的冷却作用。随着热管技术的不断飞速发展，热管在工业、农业 等众多领域都将起到举足轻重的作用。 1 3 2 热鲁换热罱的研究及应用 当今社会，能源消耗不断增大，能源紧缺，各国都意识到节约能源与新能 源开发利用的重要性。而热管以其优良的性能，组成热管换热器可以节约能源， 回收废热，得到社会的高度重视。 现在世界上对热管换热器的研究取得了很大的成果，应用到的场合很多， 大致有航天器、工业锅炉、暖通空调及电子元件等。 热管换热器应用在对航天器元件的均温、控温。太空中的飞行器面向太阳 的一侧备受高温，而另一侧则要面临低温的问题，致使飞行器的两侧温差很大， 可能高达3 0 0 。这样，就可能使航天器变形，造成重大损失，利用热管就可 以消除飞行器向阳面与被阴面巨大温差的问题，。 热管换热器可回收工业锅炉的余热嘶3 。工业锅炉产生的废气高达上百度， 利用热管空气预热器来回收废气的热量，这样不仅能够加热空气，做为助燃空 气使用，而且减少了对环境的污染。空气预热器在热回收利用方面，应用广泛， 得到人们的好评。 热管换热器可对电子元件和仪器散热哺1 。电子元件大多比较小，并且放置 在壳体内，那就要求壳体内的电子元件的热量必须及时散出，从而使其有个良 好的工作环境，热管散热器以其高效，简单的特点，便可迅速的将能量释放到 6 第1 章绪论 壳体外。因此，对电子元件散热，热管散热器是首选。 热管换热器还应用在化学工程中心7 1 。化学反应时，往往有大量的热量释放 出来，那就要求热量快速的释放出去，这样才能维持化学反应的正常进行。利 用热管换热器，便可把热量快速的传递出去，从而使化学反应顺利进行，既简 单又方便。 热管换热器还应用在太阳能热水器，空调器上啪瑚1 。热管式太阳能热水器 是一种高效的热水器，经过大量研究，已经得到普及。空调耗能备受关注，约 占建筑耗能3 0 , - 4 0 ，而空调系统中回风的热量或冷量大多白白浪费，因而通 过热管换热器，对回风系统的热量或冷量加以回收利用，能很好的节约能源， 保护环境，具有重要意义。 1 4 本文主要工作 目前，半导体制冷技术与热管换热器的理论研究取得了较大发展，但是工 程应用主要集中在高温环境下，对中低温环境下的应用还很少。鉴于此，本课 题主要是做实验研究，搭建实物模型，制作一台热管散热型半导体冷箱样机， 在常温下，能够使样机的制冷效果达到预期的目的。 应用a n s y s 软件，对半导体制冷系统封闭空间的强制对流换热工况进行数 值模拟，从而使制冷系统内部温度场分布均匀、合理。 半导体制冷系统的最佳工作参数随着环境变化而变化。要想确定半导体制 冷系统在一定环境下的最佳工作参数，在设计中是个难点，制约着半导体制冷 技术的应用推广。半导体制冷系统主要参数与冷热端的散热情况，电源的电压、 电流有关，通过深入的研究，找到确定最佳工作参数的途径，对以后半导体制 冷技术的研究具有深远意义。 目前对半导体制冷系统热端散热主要采用强制风冷散热，少数运用水冷方 式，而对于运用热管换热器对热端散热还是个空白，亟待研究。 因此，本文研究运用热管换热器，其由重力热管设计制作而成，对半导体 制冷装置的热端进行散热处理，加大换热效果，使半导体制冷效果更佳。 经过本文的研究，不仅能推动半导体制冷技术的产业化进程，而且为以后 热管换热器应用到半导体制冷系统中奠定基础，而且能够加快热管换热器的研 究应用速度，具有重大的经济与社会价值。 7 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 第2 章热管散热半导体制冷技术理论 2 1 半导体制冷技术概述 图2 - 1 半导体制冷原理图 半导体制冷系统就是用热电效率高的半导体热电偶对构成的。如图2 1 ，在 连接成电偶对的p 、n 极两端接通直流电源，接头处就产生了能量的转移。在上 面的接头处，电流的方向是由n 到p ，温度下降，吸收热量，便是冷端；下面 的接头处正好相反，电流由p 到n ，温度升高，放出热冷，便是冷端。转换直 流电的正负极，冷热端也随之转变，这就是半导体制冷的可逆性。 半导体制冷技术是新型制冷技术，它是建立在赛贝克效应、珀耳帖效应、 汤姆逊效应、焦耳效应和傅立叶效应的基础之上的。需要指出的是，塞贝克效 应、珀耳帖效应和汤姆逊效应是最基本的三个效应，表明了电能与热能相互转 换的直接可逆性，焦耳效应与傅立叶效应表明了热的不可逆性。 2 1 1 赛贝克效应 如图2 2 所示，赛贝克发现，当两种不同的金属a 与b 组成闭合的回路时， 假如两金属的接头处温度瓦与瓦不同，那么在闭合回路中就会产生电流，这就 是赛贝克效应。其中温差电动势e ，两金属接头的温差丁= ( 互一瓦) 与金属温差 电动势率口满足以下关系：e = a a t 。 8 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 2 1 2 珀耳帖效应 t i 图2 2 赛贝克效应示意图 t 2 1 8 3 4 年，法国著名的物理学家珀耳帖在实验中发现了个有趣的现象，当有 外部直流电通过由两种不同的金属组成的闭合回路时，一个接头会放出热量， 一个接头会吸收热量，我们把这种放出或者吸收的热量叫做珀耳帖热。 图2 3 珀耳帖效应的示意图 如上图2 3 所示，为珀耳帖效应示意图。当系统接通电源后，冷端的热量就 会被转移到热端，从而导致冷端温度降低，而热端的温度就会升高，这便是珀 耳帖效应。这个现象起初没得到重视与应用，直到半导体制冷器的发明，才得 以应用推广。 系统回路中的电流方向决定了哪端吸收热量，哪端放出热量，热量与电流 之间的关系： q = 对 ( 2 1 ) 上式中，7 是指珀耳帖系数，它与温差电动势率有关，万= ( 一吃) 丁，喁和 是指组成回路的两种金属的温差电动势率。 珀耳帖效应是由于不同金属中自由电子数密度的不同，从而导致两种金属 9 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 在接触时发生自由电子扩散，形成了与金属材料及温度有关的珀耳帖电动势。 珀耳帖热仅与相互接触的两种导体的性质、接头温度有关，而与导体另外 部分无关。当忽略焦尔热和热传导等不可逆因素的影响后，珀耳帖效应是可逆 的。 2 1 3 汤姆逊效应 珀耳帖效应被发现十几年后，汤姆逊发现了赛贝克效应与珀耳帖效应之间 的关系，而且从理论上进行了推导，并且预言还有第三种热电现象存在，这就 是汤姆逊效应。汤姆逊发现，当有电流通过存在温度梯度的均匀导体时，除了 会产生与电阻有关的那些不可逆焦耳热外，还伴随着可逆的热效应产生，导体 要从环境吸收或者放出热量，这就是汤姆逊效应。产生的这些热量就是汤姆逊 热量，由于这种效应在半导体中相当微弱，因此可以忽略不计。 图2 4 汤姆逊效应示意图 通过实验得出，单位长度的导体吸收或者放出的汤姆逊热与电流、温度梯 度的乘积成正比，即： j 个 d q r ：玎兰 ( 2 2 ) d x 上式中：，【是指汤姆逊系数，当电流流向热端时，d t o ，t o ，d o o ，就 会吸热。导体的温差越大，汤姆逊现象就越明显。 2 1 4 焦耳效应 直流电通过导体时，单位时间内产生的热量等于电阻与电流平方的乘积 1 0 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 q j = 1 2 r = 1 2 型s ( 2 3 ) 在半导体制冷p 、n 电偶对中，p 、n 电偶对的一端是冷端，另一端是热端， 所以p 、n 电偶对两端存在着温差。同时电流在通过电偶臂时产生焦耳热，从而 局部的温度会上升，热量就由热端向冷端扩散。如果热量在p 、n 电偶对上达到 平衡，则热端传给冷端的热量可以用一维傅立叶方程来表示： 咏= 圭约+ 纬= 丢，2 尺+ k r ( 2 4 ) 2 1 5 傅立叶效应 、 傅立叶效应是指热量在单位时间内经过均匀介质，并沿某一方向传导，是 一种不可逆的热效应。其大小与垂直此方向的面积和这个方向温度梯度的乘积 成正比 q k = 芋( t h t c ) = 脚 ( 2 5 ) 上式中：k 、k 导体的热导率和总热导； t h 热端绝对温度； t 冷端绝对温度； 2 1 6 热电效应问的关系 塞贝克系数、珀耳帖系数与汤姆逊系数，均是表征温差电材料性能的重要 参数。但它们并非各自独立的量，其相互之间存在着某些关系。开耳芬做了这 样的假设：在温差电路中，如果存在着焦耳热和热传导等不可逆效应时，热力 学第一定律和第二定律只可以适应于可逆过程。在这个基础上，就可以导出三 种温差电系数的关系啪1 。 以某一单位电荷围绕电路一周进行热力分析，从而推导三种温差电系数间 的关系。由热力学第一定律，当某一单位电荷围绕电路一周时，塞贝克电动势 e s 对这个电荷所做的功，一定等于这个电荷从周围环境中吸收的热量。假设电 荷q 从导体a 经过温度l 的接头到达导体b 再经过温度t h 的接头，再回到导体 a 时，那么塞贝克电动势对这个电荷所做的功就应该是： 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 w ：q e ( 2 6 ) s a o 电荷q 从导体a 经过温度t 的接头到达导体b 时，吸收的珀耳帖热是： q 1 = q 万a b ( t c ) ( 2 7 ) 同样，电荷q 从导体a 经过温度t h 的接头到达导体b ，放出的珀耳帖热是： 呸= 一g ( 乇) ( 2 8 ) 当电荷q 从导体b 经过温度l 的接头到达导体a 时，所吸收的汤姆逊热是： 丁 q 32 嵯f b q d t ，l 在导体a 中所吸收的汤姆逊热是： ( 2 9 ) p 。：玉f 口衍：一g 玉f 衍 ( 2 1 0 ) 2 秘一g 乞衍 q 1 0 由热力学第一定律可得： 6 = 6 乃一6 砀+ 嚷( 一乙p ( 2 l - ) 假设温度t h 保持不变，将式( 2 1 1 ) 对温度求微分得： 口，：垒：红托一f ( 2 1 2 ) 62 蛩2 等+ 一f a ( 2 1 2 ) 由热力学第二定律可知，在以上条件下，可逆过程中熵的总改变量应是零，即： 2 2 半导体制冷工况分析 厶= 等= o ( 2 1 3 ) 2 2 1 一般工况 半导体制冷器基本元件就是热电偶对，即把一只p 型半导体电偶臂和一只n 型半导体电偶臂连成热电偶，如下图2 5 所示： 1 2 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 图2 5 半导体制冷器的基本兀件 1 冷端2 热端3 p 型电偶臂4 n 型电偶臂5 直流电源 把若干个这样的热电偶对串联在回路上，在传热方面并联就会构成一个半 导体制冷组件或称为热电堆。通过换热器使半导体制冷组件的热端产生的热量 不断散出，并保持一定的温度，而冷端放到一定环境中吸热，就可以使工作环 境保持一定的低温环境，实现制冷。 假设除冷源、热源与热电偶对之间有热量交换外，热电偶对与周围介质间 无热量交换，) g z , 冷端的制冷量q 应等于珀耳贴效应在冷端产生的冷量减去热 电偶对传入冷端的热量q 。即： 包一册一q 1 ( 2 1 4 ) 其中，口。、分别为n 型、p 型电偶臂的温差电动势率，t 为相对应的接 头绝对温度。口p 是正值，是负值，温差电动势率口用= 口p - - a 。 g 则可通过分析含有均匀内热源的等截面棒内温度场来确定。如图2 6 所 示： l 图2 6 含有均匀内热源的等截面棒 设棒长度为l ，截面积为4 ，棒两端的温度为瓦、 r e ，电导率为o t ，热导+ 率为五，电流为i ，除两个端面以外，棒的其他表面跟外界无热量交换，那么在 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 稳定的工况下，对长度为出的微元体，其热平衡公式就应该为： 略2 哆 2 1 6 ) 式中，织微元体两端面处单位时间内导出和导入热量之差，单位w ； 鸩单位时间内微元体内产生的焦耳热，单位w 。 因： 、 嗥= 警出= 爵能罢) h 4 d 扩2 t d r , 式中，t 表示温度，而且： 、 哆= d ( 1 2 r i ) = 1 2 d r i = 1 2 石d r 所以微元体的热平衡方程可以表示为： 一2 ，a ，d 出2 z t 。= 丽1 2 边界条件为： t = t x = lc r ：o = 则棒内的温度分布为： z 2 一( 乇一t c ) 乞x 。+ 互1 瓦1 2 x ( 单位时间内因温度梯度传入冷端的热量q 是： g 1 4 ( 筑= 三，2 南掣 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 上述公式对于p 、n 型半导体臂都适用。用字母p 、n 代替字母i 后，所有 公式就可用于p 、n 型半导体。那么单位时间内从两条臂传入冷端的热量为： 1 4 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 土2 2 r 筹+ 暑 吖竽+ 竽k 乙) 亿2 3 ， i 旯彳 五彳 ll ， l ，l c ， lpp刀刀lp 刀 令k ：二l + 毒l ，灭：j 2 竽a + 半) ia ，r 和k 分别是热电对两臂的总电阻和 力a五a ， pp hh p l i 总热导。那么： q 1 = 专，2 r + k ( 一乙) “ ( 2 2 4 ) 包= 口乃一三2 ，2 尺一k ( 乇一乙) ( 2 2 5 ) 一cchc | 输入电功率p 为： 户= ，2 尺+ 口( 砀一乙) ， ( 2 2 6 ) 制冷系数g 为： 占牛哞一 泣2 7 ， 2 2 2 量大制冷量工况及佳工作电流 由式( 2 2 5 ) 可看出，制冷量q c 是电流i 和冷端温度c 的函数，将此式对 电流i 求偏导，并且令导数等于零，那么就可得最大制冷量状态下的 ( 1 ) 最佳工作电流乇一( 单位a ) ， q m a x：( 垒二垒兰尺 口丁 = 上 ( 2 2 8 ) 尺 ( 2 ) 最佳工作电压一( 单位v ) m 觚= 匆。0 r + 口( 毛一乙) = 口砭 ( 2 2 9 ) 1 5 薹卜 兄行 上能学 五p ，一“” 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 ( 3 ) 獭八电切举p q 一( 旱位w ) p q m a x = 1 2 q 懈r + 口( 砀一乙) 乞一= 百g l - 乇乙 ( 2 3 0 ) ( 4 ) 最大制冷量q q c m 弧= 口名m 酞乙一兰，2 q m 觚r k ( 一乙) ( 2 3 1 ) ( 5 ) 制冷系数龟一 = 譬= 去h ( 瓦一等等) ( 2 3 2 ) 1 d 懈 上u 工c 2 3 半导体制冷系统散热方式 半导体制冷系统中，需要散热器把热端的热量换走，同时把冷端的冷量通 过热交换器，散发到半导体制冷空间中去。在工作过程中，热量不断的从冷端 转移到热端，假设热量不能及时从热端转移，热量就会在热端不断的积累，从 而导致温度升高，最终对制冷效率产生不利影响口。 要想使散热器能够有效的工作，设计时必须要选择适当的散热温度，假如 接近环境温度，散热片温度跟环境温度相差不大，从而导致换热效果差，假如 选比环境温度高很多的，那就会使半导体制冷器的制冷系数明显下降。一般选 热端温度高于环境温度7 1 0 ，最高1 5 口刭。 半导体制冷系统的散热方式主要有：自然对流散热、强迫对流散热、液体 循环冷却散热、相变换热，及接触式导热散热等口3 1 。对于选取哪种散热方式， 要按实际情况而定，要看半导体制冷系统的结构，使用的环境。 自然对流散热就是散热器在无风情况下与周围空气的对流传热。而强迫对 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，目前应用最为广泛。强迫通风 散热同时要考虑很多附加条件，像翅片尺寸、结构、空气的流速等。j e s a r t e 等钔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。对于液体循环冷却散热，常用的是水冷。水冷散热的效 1 6 第2 章热管散热型半导体制冷技术理论 果相当好，比自然对流高1 0 0 - 1 0 0 0 倍口副。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，加强换热。还有些在半导体制冷系统中采 用空气对流散热与水冷散热相结合的形式，进行循环换热啪1 。相变散热是利用 介质发生相变过程中吸收热量，从而达到散热的目的。相变散热主要适合在间 歇性工作场合中应用。其主要的应用是热管散热器，在半导体制冷系统中，热 管散热器可以到达相当理想的制冷效果。s b r i f f a t 等汹1 对半导体制冷系统中 采用相变热虹吸管散热做了大量的研究，发现，假如冷热端没有负载，最大温 差可以达到6 4 ( 1 4 4 v ，8 5 a d c ) 。张建成经过研究得出，热管散热器的散热 能力比翅片式散热的大很多汹1 。j e s a r t e m l 在半导体制系统的冷端，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的提高热流在传热面的均匀性，从 而减小热阻，散热效果较更好。 经过以上对半导体制冷散热方式的分析，我们可以清楚的看出，热管散热 器的效果最佳，是理想的散热方式。 2 4 热管及其工作原理概述 热管由管壳、工质、起毛细管作用的吸液芯构成，吸液芯牢固地粘附在管 壳内壁上，并被工