半導體制冷系統制冷效率影響因素的研究

王宜志 陳德根 馮婧 劉霞

摘 要：本文在對半導體制冷物理模型的分析的基礎上，對半導體制冷過程中的影響因素進行了研究，研究結果表明，在半導體制冷過程中，電流的變化以及冷熱端散熱的效果，對半導體制冷系數有較大影響。通過建立實際半導體制冷實驗平臺，測試了半導體制冷在電流變化以及不同散熱方式下的制冷效率，為半導體制冷裝置的設計提供了一定的指導作用。

關鍵詞：半導體制冷；制冷量；散熱效果；電流

0 引言

半導體制冷是利用電熱效應實現的一種制冷方式，半導體制冷沒有復雜的轉動元件，因此具有工作穩定、清潔的優點。此外，尺寸小，溫度控制精確也是半導體制冷的顯著優點，目前已廣泛應用于電子器件、精密醫療器械、軍工特殊需要的微小空間散熱。在過去幾十年里，半導體制冷方面的學者主要集中于半導體制冷材料方面的研究，重點研究提高制冷器優值系數。近些年，隨著制冷器優值系數的提高，部分學者的研究方向轉向了對半導體制冷系統的研究，主要集中于半導體制冷結構和控制上的研究：熱電臂幾何尺寸，散熱強度對半導體制冷效率影響，半導體制冷級聯等。

1 熱平衡理論與半導體制冷器的物理模型

半導體制冷的原理是把P型半導體元件和N型半導體元件組合成一對熱電偶對，一對熱電偶稱為一個半導體熱電單元，由于單個的熱電偶對制冷效果不能滿足使用，所以工業化的半導體制冷片就是把 多個熱電單元在電路上進行串聯，然后利用具有良好散熱性能的陶瓷片進行封裝。在半導體制冷片上接通直流電源，由于存在帕爾貼效應，在陶瓷偏上就會產生冷熱端。如果電流從N端流向P端，陶瓷面向空氣吸收熱量，溫度降低，也就是形成了我們所謂的制冷端；若電流從P端流向N端，陶瓷面向空氣釋放熱量，溫度上升并形成熱端，借助各種散熱方式，將半導體制冷片上冷端和熱端的熱量通過各種方式傳遞到我們需要制冷或者加熱的空間，就實現了半導體制冷。在半導體制冷過程中除了有帕爾貼效應外，還有塞貝克效應，湯姆遜效應，傅里葉效應，焦耳效應。根據半導體制冷片制冷材料的以及對熱交換的研究，可以得到以下公式：

2 半導體制冷效果影響因子分析

在半導體制冷片的結構已經確定的情況下，半導體制冷的效果分別受到了半導體制冷片電流、冷熱端散熱方式的影響較大。下面對這兩個方面分別分析：

2.1 電流對半導體制冷過程的影響

根據半導體制冷片的物理模型，由式（2）可以看出，影響半導體制冷的制冷量的最大因素是通電電流。通過對TEC12706進行測試，在半導體熱端散熱情況相同的條件下，半導體制冷片的制冷量隨電流的變化而變化，但是在變化過程中有一個最佳制冷系數點，在該點的半導體制冷的制冷效率最高，如圖1所示。

2.2 冷熱端散熱效果對半導體制冷過程的影響

半導體熱端散熱效果直接影響到的就是制冷過程中的半導體進行熱交換時的熱阻，從上式（2）可見，半導體制冷片的冷熱端熱阻是能夠影響制冷量 的重要參數，通過小型半導體制冷空間在不同散熱方式下制冷量的測試，測試結果如圖2可以看出，熱端散熱效果越好，制冷系統的制冷量越大。在強迫風冷測試中，改變熱端的風量，可以顯著提高最大制冷工況。而在水冷測試過程中，減小冷卻水的溫度和增大水流量，也可以提高半導體制冷片的最大制冷工況。

3 總結

本文對半導體制冷的物理模型進行了分析，分析了半導體制冷的制冷量受到電流和熱端散熱強度的影響。電流在半導體制冷過程中是一個可控因素，在設計和制作小型制冷空間過程中，可以通過對電流的控制，實現對半導體制冷設備制冷量的調節，從而實現對制冷溫度的調節，但在調節過程中需要注意電流不能超過最佳工作點，否則會影響制冷效率的下降。而半導體制冷片制冷過程中，熱端的散熱效果是影響制冷量的一個重要因素，在半導體制冷裝置中，做好熱端的散熱和冷端熱交換，可以很好地提高制冷效率。

參考文獻

[1]毛佳妮，申麗梅，李愛博，等.半導體制冷器制冷性能的綜合影響因素探討及其優化設計分析[J].流體機械，2010，（7）：68-72.

[2]李愛博.單級半導體制冷器制冷特性分析及研究[D].華中科技大學，2011.

[3]半導體制冷技術及應用[J].機械工程與自動化，2013，8（4）：219-211.

（作者單位：廣東科技學院 機電工程系）