半导体制冷强化传热研究

　　1 前言

　　1834年,法国科学家帕尔帖发现了热电制冷和制热现象—金属温差电效应或称帕尔帖效应。半导体制冷(Thermoelectric cooler,TEC)是利用/塞贝克效应0的逆效应/珀尔帖效应0达到制冷目的。20世纪50年代末期,随着半导体材料技术的大力发展,解决了早期系统制冷效率低的问题。特别是美、英、日等国在这一领域做了大量研究, 60年代末热电制冷即已达到实用化阶段^[1]。因其具有结构简单、无噪声无污染等优点,自其出现以来慢慢得到利用,并且目前已广泛用于航空、航天、红外探测、医疗设备等领域^[2-4]。随着技术的不断进步,半导体制冷技术已开始广泛地应用于家庭用的电冰箱、空调及其它一些制冷设备中^[5]。

　　然而,由于半导体材料、电源和热端散热等方面的影响,热电制冷与常规的压缩制冷相比,仍然存在着制冷效率低(半导体制冷器最初的制冷系数只有0.9左右,目前实验室产品可达2.0,而常规压缩式空调的制冷系数为2.5~3.0)^[6]、制冷温差小等问题。另外,由于半导体制冷片的厚度很小,其工作时热端产生的热量如果没有能够很好地散发出去就会很容易通过制冷片本身渗透到冷端去,从而在很大程度上影响制冷效果,因此,其热端散热问题需要妥善解决。本文从半导体制冷散热优化入手,着眼于寻求其最优化的散热方式,从而提高半导体制冷效率。

　　2 半导体制冷片的稳态传热分析

　　以一对电偶对为例进行分析,将电偶臂作为有均匀内热源的一维稳态导热处理,并对电偶臂做以下假设:电偶臂均为等截面臂,电偶臂周围绝热,半导体材料均质,导热系数K为常数。如图1所示,当制冷片稳定工作时,由热传导方程可得热源:

　　另外,均匀内热源:qv=I²R /Al

　　其中,K-导热系数; l-电偶对臂长;A-电偶对截面积;I-工作电流;ρ-电导率;T-各截面温度;R-电偶电阻。

　　由热源方程并结合边界条件得热电制冷电偶对内温度分布为^[7]

　　因此可以得到电偶热冷端的散热或制冷量为^[7]:

　　半导体制冷片的制冷系数为:

　　对半导体制冷器性能的优化设计,一方面可从材料本身着手,寻求优值系数(Z)高且耐高温的半导体材料。对于给定的半导体材料,应优化元件的几何结构。当P型和N型半导体的长度l和横截面积S与材料的电阻率ρ和热传导率k满足式子时,Z达到最大值,其制冷性能比较好^{[8, 9]};另外一方面就是提高这冷散热效果,从而提高制冷效率。

　　3 半导体制冷的强化传热方式

　　半导体制冷热端散热有以下几种散热方式^[6]:空气自然对流、空气强迫对流、接触导热、相变传热或高热容物质吸热、热管传热及液体循环冷却。