运用泡沫金属的新型半导体制冷系统研究

      随着电子集成技术的快速发展，电子器件也朝着小型化、轻量化、智能化方向迈进。然而，集成电子器件的小型化在增加功率密度的同时其散热量也越来越大，传统的冷却技术已很难满足其冷却要求，所以研究高热流密度的电子元件散热尤为重要。本文提出一种风冷散热方法，即在半导体制冷技术的基础上，结合泡沫金属散热器，设计制冷系统并通过实验模型对其制冷效果进行测试。 
　　1、理论基础与实验装置 
　　半导体制冷片是一个热传递工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻，当电流经过时会产生热量，影响热传递。两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，两种热传递的量相等时，正逆向热传递相互抵消，此时冷热端的温度就不会继续发生变化。因此为了达到更低的温度，可采取散热等方式降低热端温度。 
　　泡沫金属是孔隙度达到90%以上，具有一定强度和刚度的多孔金属材料。这类金属材料透气性高，孔隙表面积大，材料容重小。当气流穿过时拥有较大接触面积，利于换热。 
　　制冷由半导体制冷片实现，考虑到半导体制冷片冷面与散热对象不能直接接触，且冷面的冷量向空气的自然对流传热效果不显著，故将其贴于泡沫金属表面，增加换热面积，达到强化冷量交换效果。制冷半导体和泡沫金属之间由硅脂粘结，减小接触热阻。部分气流带走冷量，形成冷风并对目标散热，热面也同样由气流带走热量排入环境。 
　　实验用交叉连接双风道，其中一个用于导出冷风，一个用于导出热风。在冷热风道入口各对接风机以提供气流，并在加工风道时留下必要的测量空、安装孔等。 
　　制冷半导体通电时产生温差，经过冷面的空气流被冷却成为冷风，经过热面的空气流对其降温并由热风道排出。热面温度越低，冷面温度则越低，冷却效果越好。冷风道出口处布有4个对称温度测点（实验中记为T5，T6，T7，T8，单位℃），4个风温计对称布置测出口风温，而进口风温由环境温度确定。安置风速仪进行出口处风速测量。另外与半导体冷面接触的泡沫金属表面布置中心对称的4个测点，将4个热电偶点焊在铜板上，用于测量泡沫金属底面所焊铜板温度，通过吉士利数据采集系统进行采集，采集100次，并分别取平均（实验中记为T1，T2，T3，T4，单位℃），用于计算制冷的相对换热系数。 
　　此模型的冷风道温度场数值模拟结果：环境温度为298K（25℃），其中在400mm*100mm*40mm的模拟冷风道内，半导体制冷片工作在12V，6A的额定条件下，泡沫金属材料为铜，尺寸为100mm*100mm*40mm，且为5个ppi。从结果中可以肯定制冷的理论效果。 
　　2、实验过程 
　　2.1实验器材 
　　有机玻璃交叉风道1个，全铜芯80W调速离心风机2个，制冷半导体（额定工作条件12V，6A）50mm*50mm个，电子风速仪2个，电子风温计4支，玻璃温度计1支，铜质泡沫金属若干，PC机，铜康铜热电偶，冰瓶，吉士利2700数据采集系统，数据采集卡，线性稳压电源等。 
　　2.3实验步骤 
　　按设计搭建试验台，读取室温Ts（℃），为26.5℃。 
　　风机由220V电源带动，制冷半导体由线性稳压电源供电，风速仪分别位于冷、热风道出风口处，测得风速V1（m/s），V2（m/s）。 
　　保持热风道风机风速V2不变，调节制冷半导体的工作电压U或电流I，调节冷风道风机风速V1，依次读取T1～T8；再改变V2，调节制冷半导体的工作电压或电流，调节冷风道风机风速V1，依次读取T1～T8；如上重复，其中V2分别为0.5m/s，1.0m/s，2.0m/s，3.0m/s，4.0m/s，V1分别为0.5m/s，1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，3.5m/s，4.0m/s，（U，I）分别为（1.4V，1.0A），（3.1V，2.0A），（46V，3.0A），（6.3V，4.0A），（8.2V，5.0A）.. 
　　冷风道出口平均温度Tb=（T5+T6+T7+T8）/4，半导体冷面接触的泡沫金属底面铜板平均温度Ta=（T1+T2+T3+T4）/4；由公式h*ΔTa*S=Q=Cp*（m/t）*ΔTb，计算制冷功率Q及相对换热系数h，其中等式左边为冷面换热功率，右边为由空气冷却算出的制冷功率。S–泡沫金属底面面积，ΔTa=Ts-Ta，h为以S为换热面积的实际换热系数，Cp为空气室温下比热，取1.004KJ/ 
　　从图2～图4中得出，随着冷风道风速越低，出口风温越低，冷却效果越好。制冷片功率的越高，冷风道出口风温越低，但当功率达到实验最大时冷风道出口风温又会升高，因为热面的散热条件有限，温度升高，冷面的温度也相应回升。 
　　由于实验受仪器、环境等影响，曲线虽有一定波动，但总体结论为随热风道风速V2的上升，冷风道出口风温Tb下降，冷却效果好。 
　　经过实验数据计算，可得到以S为换热面积的冷面实际换热系数h，制冷功率Q，制冷半导体功率W。对数据分析得知，当仅改变冷风道出口风速流量，即q增大，则出口风温上升，制冷功率Q上升；当仅改变冷半导体功率，即W增大，则出口风温下降，制冷功率Q上升；当仅改变热风道风速，即V2增大，则出口风温下降，制冷功率Q上升。以S为换热面积的冷面实际换热系数h，h随V1增大而增大，随V2增大而增大；但当制冷半导体功率W增大，h逐渐减小。 
　　实验中制冷功率Q最高值是在V2=3m/s，U=6.3V，I=4A，V1=4m/s状态下测得，证明制冷功率需综合考虑散热条件是否满足所对应功率、气流质量流量大小、散热风速等各种因素。 
　 3、结论 
　　本文设计了运用泡沫金属半导体制冷系统的实验原型，根据实验效果，统计分析数据，得出如下结论： 
　　（1）相同情况下，冷风风速越低，出口风温越低；制冷半导体电功率越高，出口风温越低；热风道风速上升，冷风道出口风温下降。 
　　（2）相同情况下，冷风道出口风速增大，出口风温上升，制冷功率Q上升；冷半导体功率W增大，出口风温下降，制冷功率上升；热风道风速增大，出口风温下降，制冷功率上升。 
　　（3）以S为换热面积的冷面实际换热系数h随V1增大而增大，随V2增大而增大；制冷半导体功率增大，h逐渐减小。 
　　（4）对于较低制冷功率，可选择较低的冷风风速，较高的热风风速和电功率；对于较高制冷功率，则选择较高的冷风风速及热风速，较高电功率。