热管散热半导体制冷系统的实验研究

　　制冷技术可实现食品的冷储存，为食品保鲜创造适宜的温度条件，但传统的食品冷藏技术一般为蒸汽压缩式制冷，存在结构复杂、噪声大、制冷速度慢、 制冷效率随容量的减小而降低等缺陷。与蒸汽压缩式制冷相比，半导体制冷系统有以下优点: 结构简单，体积小，重量轻，布置灵活; 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的污染; 制冷片热惯性小，制冷速度快，且冷却速度可通过调节直流电压进行灵活控制; 虽然半导体制冷元件的制冷功率很小，但通过组成多级电堆可满足较大制冷量的需要，有效地解决了现有冷藏食品技术的不足[1 -3]。在半导体制冷系统的工作过程中，热量不断地从冷端转移到热端，已有研究表明: 热端的热量需要及时有效地被释放，否则会对制冷性能产生不利的影响[4 -6]。早期的半导体制冷系统主要采用风冷散热方式，其热端散热效果因气体的换热系数较小而受到影响; 随后出现了水冷散热半导体制冷系统，使热端散热效果得到了一定的改善，但热端吸热后的水是通过与空气进行显热交换来冷却，使水的循环冷却效果不甚理想，影 响了系统的制冷性能和运行的稳定性; 热管作为一种高效的换热元件，将其用于半导体制冷系统热端散热，可大幅度提高热端散热强度[7 -8]。因此，研制一台热管散热半导体冷箱，通过热管散热器中介质的相变换热来冷却水，再利用冷却水带走热端产生的热量，大幅度改善半导体制冷系统热端的 散热条件，使得系统的制冷能力提高并且运行稳定。

　　1 热管散热半导体制冷系统的结构及原理

　　1.1 结构组成

　　半导体制冷系统的结构原理[9]如图1所示，主要由DC电源、半导体热电堆、热端散热系统、冷端冷却器及风机组成; 半导体制冷系统的冷端设置在冷箱内，热端设置在冷箱的后壁外部，冷端与热端之间设有隔热层，可防止半导体热电堆的冷热端之间发生热短路和冷量损失。热管散 热半导体制冷系与传统的风冷、水冷散热半导体制冷系统相比，在结构上的创新主要体现在热端散热系统上，该系统主要由水冷式散热器、冷却水回路、水泵、热管 散热器组成，详见图2。其中，热管散热器主要由热管、散热翅片、水箱及风机组成，热管的蒸发段与水箱相连，冷凝段套上散热翅片，并用冷却风机来加快散热。

　　1.2 工作原理

　　当热管散热半导体制冷系统接通直流电源时，热电堆开始工作，其冷端吸收热量，并利用冷端冷却器和风机的强制对流使冷箱内部温度迅速降低; 同时在热电堆的热端放出热量，水冷式散热器中的低温水吸收这些热量变为热水，通过循环水泵将热水输送到热管散热器中冷却，再由热管散热器将热量转移到外部 环境，降温后的低温冷却水重新回到水冷式散热器中吸收热电堆热端产生的热量，从而使冷端持续不断地吸热制冷，如此循环往复，冷箱内的温度降低并保持低温， 在环境温度32 ℃的情况下，可使其温度维持在2 ~10 ℃左右。