基于蒸發(fā)冷卻的半導(dǎo)體制冷裝置制冷性能研究

姜 坪 魏曉雯 穆宜軒

(浙江理工大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系 杭州 310018)

1 引言

半導(dǎo)體制冷(也稱熱電制冷,thermo electric cooler,TEC)裝置具有體積小、無運(yùn)動(dòng)部件、無噪音、無制冷劑、制冷速度快、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),并且可組合成多級(jí)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低溫制冷,半導(dǎo)體制冷技術(shù)被認(rèn)為是最具潛力的制冷技術(shù)之一。研究者發(fā)現(xiàn)一種電子遷移現(xiàn)象,在電流密度較高的金屬上,由于電子遷移所產(chǎn)生的動(dòng)量會(huì)使得金屬原子逃逸金屬表面,長此以往會(huì)對(duì)金屬造成不可逆的影響,且溫度越高,電子遷移的速率就越快,長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致材料燒毀[1]。實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體制冷裝置的冷、熱端需要不斷地?zé)峤粨Q才能保持正常工作。工作時(shí),半導(dǎo)體制冷片的冷、熱端面的散熱密度可以達(dá)到104W/m2[2]。半導(dǎo)體制冷片的冷、熱端換熱性能的好壞直接影響整個(gè)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行。

提高半導(dǎo)體制冷片制冷效果的關(guān)鍵是:

(1)半導(dǎo)體材料的開發(fā)。半導(dǎo)體制冷技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一在于材料的優(yōu)值系數(shù)低,同晶類化合物形成類質(zhì)同晶固溶體,可使晶格熱導(dǎo)率降低,從而使得材料優(yōu)值系數(shù)增加[3]。S W Kim 等以TiNiSn 為基底,在惰性氣體環(huán)境下,結(jié)合熱壓成型和粉末冶金技術(shù),實(shí)現(xiàn)了超高熱電性能合金材料的制造,其優(yōu)值系數(shù)高達(dá)0.7—0.8,熱電性能提高較為顯著[4]。

(2)提高熱端散熱效率。由于半導(dǎo)體制冷片的厚度很小,在工作時(shí)熱端產(chǎn)生的熱量如果沒有及時(shí)散去很容易通過半導(dǎo)體制冷片本身滲透到冷端,影響制冷效果[5]。半導(dǎo)體制冷常見的散熱方式有:自然對(duì)流散熱、氣體強(qiáng)制對(duì)流散熱、液體對(duì)流散熱、相變散熱[6]等。因自然對(duì)流的散熱強(qiáng)度無法滿足半導(dǎo)體制冷片熱端的散熱,所以氣體強(qiáng)制對(duì)流散熱在半導(dǎo)體制冷裝置中應(yīng)用較為廣泛。D Astrain 等利用熱虹吸管強(qiáng)化熱端的散熱,該情況下熱端熱阻比一般翅片換熱器減少36%,制冷系數(shù)提高32%[7]。李茂德等對(duì)半導(dǎo)體制冷片在第三類邊界條件下進(jìn)行求解,得出制冷性能與熱端散熱強(qiáng)度之間的解析關(guān)系式,同時(shí)得出隨著熱端散熱強(qiáng)度的增強(qiáng),制冷性能有所提升,但不可無限制通過提高熱端散熱強(qiáng)度來提高半導(dǎo)體制冷片的制冷性能[8]。

目前對(duì)半導(dǎo)體制冷裝置熱端散熱的研究主要集中在風(fēng)冷、水冷熱端散熱方式對(duì)制冷性能的影響上。在實(shí)際應(yīng)用中,風(fēng)冷的散熱強(qiáng)度有限,水冷可較好地解決熱端散熱問題,但其缺點(diǎn)是需要額外的裝置對(duì)循環(huán)水進(jìn)行能量補(bǔ)償,循環(huán)水的降溫也會(huì)帶來額外的能耗和運(yùn)行成本。采用熱端蒸發(fā)冷卻的方式,只需增加較小的水泵功耗,無需對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫處理,便可有效降低熱端溫度。本文通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)比分析了兩種風(fēng)速情況下強(qiáng)制對(duì)流散熱、加裝超聲波加濕器散熱、加裝噴水器噴淋散熱對(duì)半導(dǎo)體制冷裝置制冷性能的影響,同時(shí)測(cè)試分析了半導(dǎo)體制冷裝置熱端進(jìn)出口溫度隨不同散熱方式的變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的半導(dǎo)體制冷片的型號(hào)是CL-C067,其性能參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)裝置包括半導(dǎo)體制冷裝置、兩臺(tái)超聲波加濕器、電動(dòng)噴水器、軸流風(fēng)機(jī)、調(diào)速水泵、直流穩(wěn)壓電源盒、溫濕度記錄儀、功率測(cè)試儀、水箱等,實(shí)驗(yàn)儀器的性能參數(shù)見表2。其中半導(dǎo)體制冷裝置由兩片CL-C067 型半導(dǎo)體制冷片和冷熱端換熱器所組成,冷熱端換熱器與半導(dǎo)體制冷片之間均勻涂抹導(dǎo)熱硅膠,以減少接觸熱阻。半導(dǎo)體制冷裝置的熱端換熱器為鋁制肋片型散熱器,在外側(cè)加設(shè)一個(gè)可改變風(fēng)量的軸流風(fēng)機(jī),可調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)速。半導(dǎo)體制冷裝置的冷端換熱器為鋁制四流程水冷換熱器,水箱中的水通過水泵進(jìn)入鋁制水冷換熱器進(jìn)行冷量的傳遞,為盡可能減少冷量的散失,在流道外加貼保溫層。直流穩(wěn)壓電源盒為半導(dǎo)體制冷裝置提供穩(wěn)定的直流電,功率測(cè)試儀測(cè)試半導(dǎo)體制冷裝置的功耗,實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成如圖1 所示。水箱1 內(nèi)為普通自來水,為冷端提供進(jìn)水,與冷端換熱后的冷凍水排入水箱2,通過測(cè)量水的流量及水溫變化可計(jì)算制冷量的大小。熱端進(jìn)出口空氣狀態(tài)由溫濕度記錄儀測(cè)得,在強(qiáng)制對(duì)流散熱和加裝噴水器噴淋散熱的實(shí)驗(yàn)中,在熱端散熱器進(jìn)出口各設(shè)置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),在加裝超聲波加濕器散熱的實(shí)驗(yàn)中,在超聲波加濕器前加設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

表1 CL-C067 半導(dǎo)體制冷片性能參數(shù)Table 1 Parameters of CL-C067 semiconductor refrigeration chip

表2 實(shí)驗(yàn)儀器性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of experimental instruments

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成Fig.1 Experimental setup

2.2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

實(shí)驗(yàn)分3 種工況進(jìn)行,工況1 測(cè)試半導(dǎo)體制冷裝置在不同強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)速下的制冷性能;工況2 測(cè)試加裝超聲波加濕器散熱的半導(dǎo)體制冷裝置在不同強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)速下的制冷性能;工況3 測(cè)試加裝噴水器噴淋散熱的半導(dǎo)體制冷裝置在不同噴水量及強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)速下的制冷性能,3 組實(shí)驗(yàn)工況的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過測(cè)試?yán)涠搜h(huán)水泵的流量及冷端換熱器的進(jìn)出口的溫度,可得半導(dǎo)體制冷裝置輸出的制冷量,制冷量的計(jì)算公式為:

式中:Q為半導(dǎo)體制冷裝置的制冷量,W;c為水的比熱容,J/(kg·℃),取4.2 ×103J/(kg·℃);m為水的質(zhì)量流量,g/s;Δt為冷端換熱器進(jìn)出口的水的溫差,℃。

半導(dǎo)體制冷裝置的COP為半導(dǎo)體制冷裝置所輸出的制冷量與半導(dǎo)體制冷裝置輸入的功率之比,COP的計(jì)算公式為:

式中:COP為半導(dǎo)體制冷裝置的性能系數(shù);P1為半導(dǎo)體制冷裝置的輸入功率,W。

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的EER為半導(dǎo)體制冷裝置所輸出的制冷量與整個(gè)系統(tǒng)消耗的功率之比,EER的計(jì)算公式為:

表3 三種實(shí)驗(yàn)工況在不同風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters of three experimental conditions under different wind speeds

式中:EER為半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的能效比;P2為半導(dǎo)體制冷裝置散熱系統(tǒng)的輸入功率,W。

將實(shí)驗(yàn)所測(cè)冷端換熱器進(jìn)出口水溫、半導(dǎo)體制冷裝置功耗及散熱裝置的功耗代入式(1)—式(3),得到各實(shí)驗(yàn)工況下的制冷量、COP和EER,如表4所示。

表4 不同實(shí)驗(yàn)工況下半導(dǎo)體制冷裝置的制冷量、COP 和EERTable 4 Refrigeration capacity,COP and EER of semiconductor refrigeration device under different experimental conditions

3.2 熱端散熱器不同散熱強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表4 可見,隨著強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)速的增大,半導(dǎo)體制冷裝置的制冷量、COP和EER均有所提高,與小風(fēng)速工況相比,大風(fēng)速工況下制冷量、COP和EER分別增加了29.4%、26.3%、22.4%,說明增強(qiáng)強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)度,能夠有效提高半導(dǎo)體制冷裝置的制冷性能。在強(qiáng)制對(duì)流散熱工況下,熱端散熱器進(jìn)出口溫度如圖2所示,大約在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了600 s 時(shí),熱端散熱器的進(jìn)出口溫度逐漸趨于穩(wěn)定,小風(fēng)速情況下,熱端進(jìn)口溫度維持在30.6 ℃,熱端出口溫度維持在39.5 ℃,熱端散熱器進(jìn)出口溫差約為8.9 ℃,大風(fēng)速情況下,熱端進(jìn)口溫度維持在29.1 ℃,熱端出口溫度維持在36.1 ℃,熱端散熱器進(jìn)出口溫差約為7.0 ℃。

圖2 強(qiáng)制對(duì)流散熱工況下熱端進(jìn)出口溫度Fig.2 Inlet and outlet temperature of hot side under forced convection

增強(qiáng)強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)度,可減小熱端散熱器進(jìn)出口空氣的溫差,使熱端溫度降低,可減小冷熱端之間的熱傳遞,冷量的損失減小。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)確保熱端散熱能滿足半導(dǎo)體制冷裝置的散熱要求,避免因熱量堆積而造成制冷效率過低。

3.3 加裝超聲波加濕器散熱工況下半導(dǎo)體制冷裝置的制冷性能

在軸流風(fēng)機(jī)的吸入口前,加設(shè)兩臺(tái)小型超聲波加濕器,超聲波加濕器通過其內(nèi)部水槽的振蕩片所產(chǎn)生的高頻震蕩,將水珠打散成直徑為5 μm 左右的均勻霧狀水粒,增大蒸發(fā)表面積,可通過水霧蒸發(fā)帶走熱量。

加裝超聲波加濕器散熱工況下,熱端散熱器進(jìn)出口溫度如圖3 所示。從圖3 中可以看出,在環(huán)境溫度基本保持不變的情況下,熱端進(jìn)口溫度因?yàn)槌暡訚衿魉a(chǎn)生的水霧蒸發(fā)而降低。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行約210 s時(shí),熱端進(jìn)出口測(cè)點(diǎn)的溫度趨于穩(wěn)定。在小風(fēng)速情況下,因?yàn)樗F的蒸發(fā)冷卻作用,熱端散熱器入口的溫度約為22.4 ℃,較環(huán)境溫度低3.3 ℃,熱端散熱器出口溫度約為35.9 ℃,而相同風(fēng)速下強(qiáng)制對(duì)流散熱工況的熱端散熱器出口溫度約為39.5 ℃,加裝超聲波加濕器可使熱端散熱器出口溫度降低約3.6 ℃;在大風(fēng)速情況下,熱端散熱器入口溫度約為22.6 ℃,較環(huán)境溫度低3.1 ℃,熱端散熱器出口溫度約為34.3 ℃,而相同風(fēng)速下強(qiáng)制對(duì)流散熱工況的熱端散熱器出口溫度約為36.1 ℃,增設(shè)超聲波加濕器可使熱端散熱器出口溫度降低約1.8 ℃。與強(qiáng)制對(duì)流散熱的裝置相比,在小風(fēng)速條件下,增加超聲波加濕器可使制冷量、COP和EER分別增加10.2%、9.6%、7.4%;在大風(fēng)速條件下,3 者分別增加6.4%、6.4%、4.4%。

圖3 加裝超聲波加濕器散熱工況下熱端進(jìn)出口溫度Fig.3 Inlet and outlet temperature of hot side with ultrasonic humidifier

3.4 加裝噴水器噴淋散熱工況下半導(dǎo)體制冷裝置的制冷性能

通過加裝噴水器來實(shí)現(xiàn)熱端的蒸發(fā)冷卻,噴淋的冷卻水水溫維持在26.5 ℃,熱端散熱器進(jìn)口空氣溫度維持在27.1 ℃左右,熱端散熱器出口空氣溫度如圖4 所示。從圖4 中可以看出,隨著風(fēng)速的增大或噴水量的加大,熱端散熱器的出口溫度均隨之下降。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間約為240 s 時(shí),熱端出口的溫度逐漸趨于穩(wěn)定。在大風(fēng)速且噴水量為最大(7.73 g/s)時(shí),熱端出口溫度最低,約為33.8 ℃;在小風(fēng)速且噴水量為最小(4.17 g/s) 時(shí),熱端出口溫度最高,約為38.5 ℃。由表4 的數(shù)據(jù)可得,與強(qiáng)制對(duì)流工況相比,在噴水量為7.73 g/s 時(shí),制冷效果最佳,制冷量、COP分別增加18.9%、11.0%,這是因?yàn)閲娝魉鶉娏艿乃吭蕉嗲绎L(fēng)速越大時(shí),翅片表面的蒸發(fā)吸熱速度越快,蒸發(fā)冷卻的效果越好。通過加裝噴水器噴淋散熱可提高半導(dǎo)體制冷裝置的COP,與強(qiáng)制對(duì)流散熱相比,在小風(fēng)速情況下,調(diào)節(jié)三檔不同噴水量,COP分別提高5.2%、13.3%、15.0%;在大風(fēng)速情況下,隨著噴水量的增加,COP分別提高1.3%、5.9%、6.9%。隨著噴水量的加大,COP的提升速率變緩,這是因?yàn)榘雽?dǎo)體制冷裝置的制冷性能還受材料等因素的限制,并不能無限制通過提高熱端散熱強(qiáng)度來提高制冷裝置的COP。

圖4 加裝噴水器噴淋散熱工況下熱端出口溫度Fig.4 Outlet temperature of hot side with sprinkler

加裝噴水器噴淋散熱對(duì)于EER的提升效率最大僅為3.3%,甚至?xí)霈F(xiàn)能效比低于強(qiáng)制散熱工況的情況。雖然制冷性能與散熱強(qiáng)度正相關(guān),但是伴隨著半導(dǎo)體制冷裝置散熱系統(tǒng)輸入功率的增加,也就是增加的噴淋水泵的功耗抵消了COP的提高。加裝超聲波加濕器散熱的裝置,其EER 在3 種實(shí)驗(yàn)工況中最高,這是因?yàn)闊岫苏舭l(fā)冷卻提高了半導(dǎo)體制冷裝置的制冷量,在散熱系統(tǒng)輸入功率方面,超聲波加濕器僅增加3.5 W 的輸入功率,而噴水器最少需要增加17.0 W的輸入功率,且噴水器所產(chǎn)生的是水滴,而超聲波加濕器產(chǎn)生的是粒徑更小的水霧,水霧與空氣的接觸面積更大,蒸發(fā)冷卻的效果也更好。加裝超聲波加濕器散熱的半導(dǎo)體制冷裝置能實(shí)現(xiàn)最高的能效比。

4 結(jié)論

(1)對(duì)半導(dǎo)體制冷裝置的熱端用超聲波加濕器進(jìn)行噴霧加濕或進(jìn)行水噴淋,可以強(qiáng)化熱端的散熱效率。與強(qiáng)制對(duì)流散熱工況相比,熱端用超聲波加濕器噴霧可使半導(dǎo)體制冷裝置的COP最大提高9.6%,EER最大可提高7.4%;熱端噴淋水可使半導(dǎo)體制冷裝置的COP最大提高15.0%,EER最大可提高3.3%。

(2)利用超聲波加濕器噴霧冷卻半導(dǎo)體制冷裝置的熱端,可有效提高半導(dǎo)體制冷的COP和EER。該方法具有加裝方便、成本低、功耗小、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(3)增強(qiáng)半導(dǎo)體制冷裝置熱端的強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)度,可降低熱端溫度,提高制冷性能。熱端強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)速從1.52 m/s 提高到1.87 m/s 時(shí),熱端散熱器的進(jìn)出口溫度差從8.9 ℃降低到7.0 ℃,COP和EER分別提高了26.3%和22.4%。