半導體制冷系統熱端散熱試驗研究

黃雙福，林春深，黃金耀，袁俊威

（1.福州大學 至誠學院，福州 350002；2.福州大學 石油化工學院，福州 350116）

0 引言

半導體制冷又稱熱電制冷或溫差電制冷，是一種將電能轉化為熱能的高熱流密度器件，基本原理是帕爾帖效應［1］。半導體制冷具有：無制冷劑，環保性好：冷熱轉換方便；在小功率制冷時，制冷系數較高；制冷速度快，反映敏捷，可以快速實現大溫差；調節性能好；可以做成各種形狀，易于微型化，滿足各種需要［2-3］。顯然，半導體制冷開辟了制冷技術的新領域，擴大了制冷技術的應用范圍，在某些特殊的場合，有著別的制冷方式所無法替代的作用［4］。然而，在目前的材料水平上，半導體單級制冷最大能達到大約70 K的溫差［5-6］。半導體單級制冷不僅無法實現更大的溫差，而且在較大的溫差下工作時，它的制冷系數迅速下降，制冷工況迅速惡化，強化熱端散熱是目前提高半導體制冷性能的主要手段之一［7-9］。相關學者對半導體制冷熱端散熱做了相關理論研究［10］，同時做了液體冷卻散熱［11］、熱管散熱［12］、蒸發冷卻散熱［3］、熱端散熱優化設計［13］等試驗研究。研究者對熱端散熱改善進行了試驗研究，試驗結果可提高半導體制冷片的制冷性能，獲得較低的冷端溫度，但獲得冷端最低溫度較為有限，難以滿足大溫差工況要求。

本文對單片半導體制冷片熱端散熱進行試驗研究，通過試驗結果，分析了半導體熱端散熱對冷端溫度的影響因素，在測得不同型號半導體制冷片最佳散熱工況基礎上，進一步采用了分離電流輸入兩級制冷散熱試驗研究，可獲得更低的冷端溫度及更大的工作溫差。

1 單片半導體散熱試驗裝置設計與分析

1.1 單片半導體散熱試驗裝置設計

對TEC1-12706 和TEC1-12704 兩種型號半導體制冷片分別進行了散熱器無熱管強制對流、散熱器有熱管強制對流散熱試驗。裝置主要由半導體制冷片、可調電源模塊、電源調壓器、保溫材料、測溫儀和散熱器等6 個部分組成。

散熱器無熱管單片半導體散熱的試驗裝置原理如圖1 所示，半導體制冷片熱端通過導熱膠與鋁翅片無熱管散熱器進行接觸，為了更好接觸散熱和更準確測得熱端溫度，在鋁片上加工一個凹槽放置熱端溫度傳感器，并采用雙風扇進行強制對流散熱。為了更加準確測得冷端溫度，采用導熱系數小的保溫材料進行保溫，并在冷端與保溫材料之間涂層導熱膠，溫度傳感器接頭嵌入導熱膠內。半導體制冷片與風扇電壓由DC 直流電源提供，并通過可調電源模塊對半導體制冷片輸入電流進行調節。散熱器有熱管散熱試驗裝置中其核心部件是熱管，熱管的蒸發段與半導體制冷片的熱面緊貼，冷凝段安裝翅片并采用雙風扇進行強制對流散熱冷凝。除了散熱器外，散熱器有熱管散熱試驗裝置其他設計部分與散熱器無熱管散熱的試驗裝置相同。散熱器有熱管散熱原理如圖2 所示，三維模型如圖3 所示。

圖1 散熱器無熱管散熱試驗裝置Fig.1 Experimental device for heat dissipation of radiator without heat pipe

圖2 散熱器有熱管散熱試驗裝置Fig.2 Experimental device for heat dissipation of radiator with heat pipe

圖3 散熱器有熱管散熱試驗裝置三維模型Fig.3 Three-dimensional model diagram of the experimental device of the heat sink with heat pipe

1.2 單片半導體散熱試驗測試

試驗在室內進行測試，利用室內溫度調節器調整室內溫度趨于固定溫度，利用圖1，2 所示試驗裝置對型號TEC1-12704 和型號TEC1-12706半導體制冷片分別進行散熱器無熱管散熱和散熱器有熱管的散熱試驗，熱端強制對流散熱風扇輸入電壓固定，利用電源調壓器改變半導體制冷片輸入電流，并利用溫度測試儀測得在不同輸入電流下冷端溫度隨時間變化情況，及其穩定工況下冷端溫度。

1.3 單片半導體制冷片試驗結果與分析

在相同的環境溫度下，本試驗分別采用不同輸入電流、在散熱器無熱管、散熱器有熱管條件下對TEC1-12704 和TEC1-12706 兩種不同型號的單片半導體制冷片進行了試驗測試，采集了其冷端溫度隨電流變化情況如圖4，5 所示。散熱器無熱管工況下對應輸入電流的最低溫度與穩定溫度見表1。

圖4 不同電流下TEC1-12704 半導體制冷片熱端散熱工況Fig.4 TEC1-12704 semiconductor cooling chip hot end heat dissipation under different currents

圖5 不同電流下TEC1-12706 半導體制冷片熱端散熱情況Fig.5 TEC1-12706 semiconductor cooling chip hot end heat dissipation under different currents

表1 散熱器無熱管散熱試驗冷端溫度情況Tab.1 The temperature of the cold end of the radiator without heat pipe cooling experiment

1.3.1 電流對冷端溫度的影響分析

圖4（a）示出TEC1-12704 型號半導體制冷片在散熱器無熱管散熱條件下，冷端溫度隨時間和輸入電流的變化情況，結果顯示，在任意輸入電流情況下經過一段時間后半導體冷端溫度都可以趨于穩定；結合表1 所示，在小于2 A 電流輸入時，冷端溫度隨著時間下降直至穩定，而當輸入電流大于2 A 時，其冷端溫度先下降至一個最低溫度后再上升，最后溫度也趨于穩定；從圖4（c）可看出，冷端最終穩定溫度隨著輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-3.1 ℃，所對應的輸入電流2.2 A。圖4（b）示出了TEC1-12704 型號半導體制冷片在散熱器有熱管散熱條件下，冷端溫度隨時間和輸入電流的變化情況，從圖可以看出，在任意輸入電流情況下冷端溫度隨時間不斷下降，經過80 s 后都趨于穩定；從圖4（d）可看出，半導體冷端最終溫度隨著輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-7.5 ℃，所對應的輸入電流2.5 A。

圖5（a）示出TEC1-12706 型號半導體制冷片在散熱器無熱管散熱條件下，冷端溫度隨時間和輸入電流的變化情況，試驗結果顯示，在任意輸入電流情況下經過一段時間冷端溫度都可以趨于穩定；結合表1 所示，在小于2.8 A 電流輸入時，冷端溫度隨著時間下降直至穩定，而當輸入電流大于2.8 A 時，其冷端溫度先下降至一個最低溫度后再上升，最后溫度也趨于穩定；從圖5（c）可看出，半導體冷端最終穩定溫度隨著輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-7.8 ℃，所對應的輸入電流2.8 A。圖5（b）示出TEC1-12706 型號半導體制冷片在散熱器有熱管散熱條件下，半導體冷端溫度隨時間和輸入電流的變化情況，從圖可以看出，在任意輸入電流情況下冷端溫度隨時間不斷下降，經過70 s 后都趨于穩定；從圖5（d）可看出，冷端最終溫度隨著輸入電流的增加而減少，最低溫度為-13.3 ℃，所對應的輸入電流3.5 A。

1.3.2 不同散熱方式對冷端溫度的影響分析

從圖4，5 可看出，在輸入電流0～3.7 A 范圍中，同種型號半導體制冷片在散熱器有熱管散熱比無熱管散熱能夠獲得的冷端最低溫度更低，且所對應的工作電流更大，這是因為熱管具有較大的熱流密度，提高熱端的散熱強度，熱端熱量對冷端影響較小，所以冷端最低溫度更低。

從圖4（a）和5（a）可看出，當工作電流達到一定時，其冷端溫度隨時間變化是先降低再增大最后穩定。這是因為在較小的電流工況下，熱端產生的熱量不大，散熱器無熱管散熱能夠及時將大部分熱量帶走，冷熱端溫差小，以導熱形式傳遞給冷端的熱量小，冷端制冷量大于熱端導熱熱量，所以在低電流輸入情況下冷端溫度隨時間降低，冷端溫度持續降低冷熱端溫差增大，通過熱端傳遞給冷端的熱量增加，同時冷端溫度持續降低，制冷量也減小，當通過熱端傳遞過來的熱量等于冷端的制冷量，這時溫度達到穩定。但是，當工作電流增大到一定程度后，在對應工作電流下冷端溫度快速降低到一定值，這時翅片無熱管強制對流散熱的熱流密度小，散熱速率小于產熱速率，導致熱端在瞬態時冷熱端溫差大，積累的熱量通過導熱形式將熱量傳遞給冷端，傳遞熱量大于冷端的制冷量，使得冷端溫度上升，冷端溫度上升后，冷熱端溫差減少，熱端傳遞到冷端的熱量減少，當冷端產生量與熱端導熱過來的熱量相等時，這時溫度達到穩定。

從圖4（b）和5（b）可看出，在電流下其冷端溫度均逐漸降低。這是因為熱管散熱器其熱流密度大，散熱效果好，導致熱端溫度上升速度慢，因此冷熱端溫差增大的速率比較小，在這過程中半導體冷端的產生量大于熱端導熱到冷端的熱量，所以冷端溫度持續降低。但是，隨著冷熱端溫差增加，熱端導熱到冷端熱量增加，同時隨著冷端溫度降低，產生量也減小，當制冷量減小到與增加的導熱量相等時，這時冷端溫度達到穩定。

1.3.3 同種散熱條件下不同功率半導體冷端溫度分析

從圖4（b）和圖5（b）可看出，在散熱器有熱管強制對流散熱、任何電流輸入條件下其冷端溫度均逐漸降低，但是大功率TEC1-12706 型半導體片冷端溫度隨電流增大而減少，小功率TEC1-12704 型半導體片冷端溫度隨電流增大先增大后減少。這是因為，隨著輸入電流增加大功率功率半導體制冷片產生熱量增加，但是增加到最大值時，以散熱器的熱流密度和結構形狀能夠帶走產生的大部分熱量，對冷端溫度影響較小。小功率半導體制冷片其熱端產生熱量相對大功率半導體制冷片多，當工作電流達到一定值時，積累在熱端的熱量大，熱管散熱器熱流量有限，不能夠及時散走大部分熱量，對冷端溫度影響凸顯，導致冷端溫度不能夠隨電流增加而繼續下降。

2 分離電流輸入兩級制冷散熱試驗裝置設計與分析

圖6 兩級制冷散熱器有熱管散熱試驗原理及裝置Fig.6 Experimental device of radiator with heat pipes for two-stage refrigeration heat dissipation

2.1 分離電流輸入兩級制冷散熱試驗裝置設計

對單片半導體片進行試驗得到冷端最低溫度較為有限，為了獲得更低制冷溫度，本文設計了分離電流輸入兩級制冷，采用一片半導體的冷端制冷量來對另一片半導體的熱端進行散熱的試驗裝置，并通過調節輸入電流進行試驗研究。本文選擇 了TEC1-12706 與TEC1-12706，TEC1-12706與TEC1-12704 兩組型號組合試驗。由前文4 種試驗工況可知，TEC1-12706 型號半導體制冷片采用散熱器有熱管強制對流散熱工況獲得的溫度最低為-13.3 ℃，對應輸入電流3.5 A，因此，在2組試驗中本文將該工況的冷端制冷量作為另一片半導體制冷片的散熱器。為了區分半導體片，作為散熱器的半導體片記為TEC1-12706 半導體片A，另一片作為制冷端的記為半導體片B，TEC1-12706 半導體片A 冷端面與半導體片B 熱端面緊貼，同時對半導體片B 冷端進行保溫。通過調壓模塊調節兩片半導體片輸入電流，測得半導體片B 冷端溫度隨電流變化情況。試驗原理及裝置如圖6 所示。

2.2 分離電流輸入兩級制冷試驗測試與結果分析

對TEC1-12706 與TEC1-12706 組合半導體制冷片進行兩級制冷試驗，試驗開始時，將散熱風扇打開，調節輸入電流使得半導體片A 工作電流為3.5 A，測得半導體制冷片B 冷端的溫度，然后調壓器調節制冷片B 輸入電流從0 開始，每調節一次電流半導體片B 冷端溫度會發生變化，待其穩定測得對應的溫度。試驗結果如圖7（a）所示，半導體片B 冷端的溫度隨著其輸入電流的增加先減小后增大，最低溫度為-35.6 ℃，所對應半導體片B 輸入電流為1.6 A。這是因為在低電流輸入時，半導體片A 制冷量大于半導體片B 的散熱量，但是隨著輸入電流的增加，半導體片B 的散熱量增加，導致制冷效果變差，溫度升高。

為了確定最低溫度所對應的最佳工作電流組合，本文進一步試驗，將半導體片B 輸入電流為1.6 A 保持不變，半導體B 電流從最大3.5A 逐漸降低至0.4 A，結果如圖7（b）顯示，隨著半導體片A 輸入電流減少，其溫度變化從圖7（a）中的最低溫度先小幅度下降至-38.6 ℃后逐步上升，最低溫度所對應的輸入電流為3.1 A。溫度會有小幅下降是因為，當半導體片A 電流輸入減小時，在這樣的組合工況下，制冷量上升，帶走半導體片B熱端的熱量提高，使得半導體片B 冷端溫度下降。同時半導體片A 的冷端即為半導體片B 的熱端，在保證散熱能力下，半導體片B 的熱端溫度相比單片半導體散熱試驗的熱端溫度低，使得最低冷端溫度可比單片半導體散熱的最低冷端溫度低。

利用同樣的方法對TEC1-12706、TEC1-12704 半導體片進行兩級制冷試驗，試驗結果顯示冷端溫度變化趨勢與2 片TEC1-12706 半導體制冷片兩級制冷試驗相似，如圖8 所示。

圖7 雙片TEC1-12706 半導體片兩級制冷冷端溫度變化情況Fig.7 The temperature change at the cold end of two-stage refrigeration of TCE1-12706 semiconductor chip

圖8 TEC1-12706 、TEC1-12704 半導體片兩級制冷冷端溫度變化情況Fig.8 The temperature change at the cold end of two-stage refrigeration of TEC1-12706 and TEC1-12704 semiconductor chip

在相同的輸入電流3.5 A 的初始工況下TEC1-12706 半導體A 冷端對半導體B 熱端進行散熱，TEC1-12704 型半導體B 輸入電流為1.4 A時其冷端最低溫度為-31.7 ℃高于TEC1-12706 型半導體B 輸入電流為1.6 A 的冷端最低溫度-35.6 ℃，主要原因是在相同熱端散熱情況下，小功率半導體制冷片熱端散熱量大，制約著冷端溫度進一步降低。在TEC1-12706 輸入電流為3.3A，TEC1-12704 輸入電流為1.4 A 組合下，獲得的最低溫度為-34.4 ℃。其獲得最低溫度比雙片TEC1-12706 兩級制冷所試驗得到的溫度高。試驗結果顯示，采用分離電流輸入兩級制冷能夠大幅降低冷端溫度，從而提高半導體制冷片的工作溫差，同時在最佳組合輸入電流工況下其冷端溫度可達到最低，制冷功率越大的半導體制冷片進行兩級制冷得到的冷端溫度更低。

3 結論

（1）散熱器無熱管散熱TEC1-12704 和TEC1-12706 型半導體在輸入電流較小時，其冷端溫度都隨時間減小最后趨于穩定，當輸入電流達大于一定值時，冷端溫度隨時間先減小后增大，最后達到穩定；2 種類型半導體的冷端穩定溫度隨輸入電流先減小后增大。

（2）散熱器有熱管散熱隨輸入電流增大TEC1-12704 型半導體冷端穩定溫度先減小后增大，而TEC1-12704 型半導體冷端溫度減小。在某個輸入電流下，2 種類型半導體冷端溫度都隨時間的增大而減小。

（3）散熱器無熱管散熱TEC1-12704 最低溫度為-3.1 ℃對應電流2.2 A，TEC1-12706 最低溫度為-7.5 ℃對應電流2.5 A；散熱器有熱管散熱TEC1-12704 最低溫度為-7.8 ℃對應電流2.8 A，TEC1-12706 最低溫度為-13.3 ℃對應電流3.5 A。顯然散熱器采用有熱管散熱，改善散熱工況降低冷端溫度。

（4）試驗測試分析不同類型單片半導體制冷片的最低冷端溫度的輸入電流和散熱工況，并對應工況下，采用雙片TEC1-12706 型半導體制冷片進行兩級制冷，在輸入電流為1.6 A 和3.1 A 組合下，其冷端溫度可達到-38.6 ℃。試驗顯示，通過半導體的冷端來散熱另一片半導體的熱端可使冷端溫度大幅降低，提高了半導體制冷片的工作溫差，制冷功率越大的半導體制冷片進行兩級制冷可得到更低的冷端溫度。