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水冷式热电制冷器工作特性的实验分析
发布时间：2017-11-27 点击次数：次
现代科技的发展促使电子元器件向微型化、轻型化、高集成、高性能的多功能综合方向发展，再加上逐渐加快的芯片运算速度，导致芯片的功耗和热流密度也越来越大，过高的温度会使元器件承受过量的热膨胀应力而致热失效，导致其失去电子功能。因此，为了保证电子芯片的正常运行，使其维持在一定温度范围内正常地、可靠地工作，迫切需要使用高效合理的散热技术。
热电制冷（也称半导体制冷）是建立于帕尔贴效应基础上的新型制冷技术。对于电子部件，尤其是高功率密度集成电路部件的制冷，传统的散热技术已无法满足芯片发热量日益增长的要求，而热电制冷则具有结构尺寸小、无活动部件、无污染、可靠性高、控制灵活，并且能够在特定的区域有效的对高热流区域进行冷却等诸多突出的优点，因此广泛应用于光电器件、电子器件的温度控制。
近年来热电制冷的应用受到学者广泛关注，运用热电制冷技术对大功率LED 的散热问题进行了实验研究，结果表明，采用热电制冷器可以使LED 的基板温度降低36% 以上。采用热电制冷装置和热管装置分别来对大功率LED 进行强化散热，结果发现热电制冷装置可以使LED 基板温度降至15 ℃左右，而采用热管装置只能将LED 基板温度维持在28 ℃左右。采用热电制冷装置对电脑CPU 进行散热，测试结果表明在环境温度为12 ℃，CPU 负载为65 W 时，可以将CPU 的温度维持在50 ℃。
本文设计了一种热电制冷液体冷却散热装置，并通过实验研究了不同电压、不同热端换热系数和冷端负载对热电制冷器的制冷性能的影响，为热电制冷器的应用提供理论依据。
1、实验系统
实验系统采用水冷散热系统为测试载体，实验系统如图1 所示。实验系统主要包括：热电制冷模块、散热和模拟热源系统、数据采集系统。半导体制冷片选用的是纳米克公司生产的TEC1-12706，尺寸为40 mm（L） 40 mm（W） 3.8 mm（H）。
半导体制冷片的热端与水冷散热器连接，冷端与陶瓷热阻发热器（模拟热源）连接，其加热电阻为R = 24 Ω， 尺寸为40 mm（L） 40 mm（W） 2 mm（H），可通过调节电压电流来改变发热功率，即改变半导体制冷片的制冷量。为了降低热损失保证整个测试系统的绝热性，整个测试段四周用5 mm 厚的保温材料包裹。另外，为了减小接触热阻，各接触表面均匀的涂上导热性能比较好的含银导热硅脂，其导热系数为 k = 4.15W·m-1K-1。
图1 实验系统图
本次实验温度测量采用标定后的直径为0.1 mm的Omega T 型热电偶，测量精度为±0.1 ℃，分别用来测量半导体制冷片冷端温度 、热端温度 、水冷器进出口水温以及环境温度 。电源采用的是型号为TASI-1305 的直流可调稳压电源，电压调节范围0~60 V，电流额定输出范围0~10 A，分别为半导体制冷片、模拟热源供电。数据采集仪采用Agilent34980A 系列数据采集系统，实验数据由数据采集仪采集（数据采集时间间隔为1 s）并传输到计算机中进行实时监控和记录。通过观察测点温度波动幅度小于0.2 ℃时即认为达到稳定运行状态。
2、实验结果与分析
半导体制冷片的最大工作电压为16 V，为了防止半导体制冷片在电压过大时烧毁，实验输入电压的变化范围为0~21 V，实验过程中室内环境温度维持在20±0.5 ℃。在实验过程中，当各个测点温度波动幅度小于0.2 ℃时，即可认为系统已达到稳定状态。
2.1 电压的影响
图2 为冷端无负载，循环水的温度为20 ℃时，不同电压下冷端温度随时间的变化曲线。由图2 可以看出在不同电压下冷端温度表现出相同的变化趋势，均在较短的时间内达到稳定。当输入电压小于12 V 时，热电模块冷端温度在帕尔贴效应的作用下温度迅速降低，并且电压越大温度下降的速度越快，然后维持在一个稳定温度，并在12 V 时冷端温度达到最低；当输入电压大于12 V 时，此时焦耳热（与电压呈二次方关系）急剧增加，同时热端的帕尔贴热也随着电压的升高而逐渐增加，使得传递到冷端的傅里叶热也逐渐增加，最终在帕尔贴热、焦耳热以及傅里叶热的综合影响下导致冷端温度随电压的增大而升高。
图2 QC=0 W 时不同输入电压下热电模块冷端温度的瞬态变化
2.2 冷端负载的影响
图3 表示循环水的温度为20 ℃时，在不同冷端负载的情况下冷端温度随输入电压的变化曲线。由图3 可以看出，在给定的冷端负载Qc，冷端温度的变化趋势大体相同，随着输入电压的增加表现出先减小后增大的趋势，即均在12 V 时冷端温度达到最低，此时的电压为最佳工作电压。Qc 为0 W、10 W、20 W 时最佳工作电压所对应的冷端温度分别-26.8 ℃、-9.9 ℃、3.7 ℃。当输入电压小于最佳工作电压时，随着电压的增加制冷量也随着增加，冷端温度逐渐降低；当电压大于最佳工作电压时，在制冷量增加的同时，焦耳热也随着电压的增加而急剧增加，最终在焦耳热的影响下冷端温度逐渐上升。另外，当冷端负载为20 W 时，热电制冷器不工作时冷端温度为58 ℃，而在最佳工作电压下运行时可将冷端温度降至3.7 ℃，由此可以说明将热电制冷器应用于电子元器件时，可以很好地起到降温效果。
图3 不同冷端负载下冷端温度随电压变化曲线
2.3 循环水温的影响
为了研究热端换热强度对热电制冷性能的影响，在实验过程中通过改变循环水温的方式来实现。在实验过程中保持冷端负载为零，分别选取循环水的温度为20 ℃、25 ℃、30 ℃。由图4 可以看出在不同水温下，随着电压的增加，热端温度逐渐增加，冷端温度先减小后增大并在12 V 时温度最低，而冷热端温差表现出先增加后减小的趋势并在15 V 时冷热端温差达到最大。此外，当工作电压大于12 V 时，热端温度的变化速率越来越快。这是因为随着电压的升高，热端散热条件有限，使得焦耳热无法及时散发到环境中，最终导致热端温度急剧增加。另外，在同一电压下随着水温的升高，冷端所能达到的最低温度也逐渐升高，分别为-26.8 ℃、-23.2 ℃、-19.2 ℃。
因此，在实际工程应用中可以通过降低循环水温度或增加热端换热系数的方式来提高热电制冷系统的制冷性能。
图4 不同水温下冷端温度随电压变化曲线
2.4 制冷性能
循环水的温度为25 ℃时，制冷温度分别为5 ℃、10 ℃、15 ℃时，热电制冷器的制冷量和制冷系数随电压的变化情况。从图5 中可以看出制冷量和制冷系数随着制冷温度的升高而增加，最大制冷量分别为18.4 W、22.4 W、26 W。制冷温度越高，热电制冷器的制冷量与制冷系数越大，说明此时制冷性能越好，反之则越差，工作电压过小或过大时，制冷器将会失去制冷能力。另一方面，从图5 中可以看出最大制冷量和最大制冷系数所对应的工作电压并不相同，当制冷量达到最大时制冷效率很低，而当制冷效率达到最大时制冷量却很小，因此在实际应用时，为了平衡制冷量和制冷系数之间的关系，热电制冷器的工作电压一般选取在Ucop，max、U ，max 之间。
图5 不同制冷温度下制冷量和制冷系数随电压变化曲线
3、结论
通过实验研究了不同工作电压、冷端负载以及热端换热系数对热电制冷性能的影响，得到以下结论：工作电压对热电制冷性能的影响远大于冷端负载和热端换热系数的影响。对于给定的制冷片均存在最佳工作电压，在此工作电压下制冷温度最低，制冷量最大，因此在实际应用中应该使热电制冷器在最佳工作电压下运行，对提升其制冷性能尤为重要。另外，适当的增加制冷温度以及热端换热系数可以有效的提高热电制冷器的制冷性能。
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您只要致电：021-60641703 021-60766769 (0)15216837090(张经理)
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热电制冷（也称半导体制冷）是建立于帕尔贴效应基础上的新型制冷技术。对于电子部件，尤其是高功率密度集成电路部件的制冷，传统的散热技术已无法满足芯片发热量日益增长的要求，而热电制冷则具有结构尺寸小、无活动部件、无污染、可靠性高、控制灵活，并且能够在特定的区域有效的对高热流区域进行冷却等诸多突出的优点，因此广泛应用于光电器件、电子器件的温度控制。
近年来热电制冷的应用受到学者广泛关注，运用热电制冷技术对大功率LED 的散热问题进行了实验研究，结果表明，采用热电制冷器可以使LED 的基板温度降低36% 以上。采用热电制冷装置和热管装置分别来对大功率LED 进行强化散热，结果发现热电制冷装置可以使LED 基板温度降至15 ℃左右，而采用热管装置只能将LED 基板温度维持在28 ℃左右。采用热电制冷装置对电脑CPU 进行散热，测试结果表明在环境温度为12 ℃，CPU 负载为65 W 时，可以将CPU 的温度维持在50 ℃。
本文设计了一种热电制冷液体冷却散热装置，并通过实验研究了不同电压、不同热端换热系数和冷端负载对热电制冷器的制冷性能的影响，为热电制冷器的应用提供理论依据。
1、实验系统
实验系统采用水冷散热系统为测试载体，实验系统如图1 所示。实验系统主要包括：热电制冷模块、散热和模拟热源系统、数据采集系统。半导体制冷片选用的是纳米克公司生产的TEC1-12706，尺寸为40 mm（L） 40 mm（W） 3.8 mm（H）。
半导体制冷片的热端与水冷散热器连接，冷端与陶瓷热阻发热器（模拟热源）连接，其加热电阻为R = 24 Ω， 尺寸为40 mm（L） 40 mm（W） 2 mm（H），可通过调节电压电流来改变发热功率，即改变半导体制冷片的制冷量。为了降低热损失保证整个测试系统的绝热性，整个测试段四周用5 mm 厚的保温材料包裹。另外，为了减小接触热阻，各接触表面均匀的涂上导热性能比较好的含银导热硅脂，其导热系数为 k = 4.15W·m-1K-1。
图1 实验系统图
本次实验温度测量采用标定后的直径为0.1 mm的Omega T 型热电偶，测量精度为±0.1 ℃，分别用来测量半导体制冷片冷端温度 、热端温度 、水冷器进出口水温以及环境温度 。电源采用的是型号为TASI-1305 的直流可调稳压电源，电压调节范围0~60 V，电流额定输出范围0~10 A，分别为半导体制冷片、模拟热源供电。数据采集仪采用Agilent34980A 系列数据采集系统，实验数据由数据采集仪采集（数据采集时间间隔为1 s）并传输到计算机中进行实时监控和记录。通过观察测点温度波动幅度小于0.2 ℃时即认为达到稳定运行状态。
2、实验结果与分析
半导体制冷片的最大工作电压为16 V，为了防止半导体制冷片在电压过大时烧毁，实验输入电压的变化范围为0~21 V，实验过程中室内环境温度维持在20±0.5 ℃。在实验过程中，当各个测点温度波动幅度小于0.2 ℃时，即可认为系统已达到稳定状态。
2.1 电压的影响
图2 为冷端无负载，循环水的温度为20 ℃时，不同电压下冷端温度随时间的变化曲线。由图2 可以看出在不同电压下冷端温度表现出相同的变化趋势，均在较短的时间内达到稳定。当输入电压小于12 V 时，热电模块冷端温度在帕尔贴效应的作用下温度迅速降低，并且电压越大温度下降的速度越快，然后维持在一个稳定温度，并在12 V 时冷端温度达到最低；当输入电压大于12 V 时，此时焦耳热（与电压呈二次方关系）急剧增加，同时热端的帕尔贴热也随着电压的升高而逐渐增加，使得传递到冷端的傅里叶热也逐渐增加，最终在帕尔贴热、焦耳热以及傅里叶热的综合影响下导致冷端温度随电压的增大而升高。
图2 QC=0 W 时不同输入电压下热电模块冷端温度的瞬态变化
2.2 冷端负载的影响
图3 表示循环水的温度为20 ℃时，在不同冷端负载的情况下冷端温度随输入电压的变化曲线。由图3 可以看出，在给定的冷端负载Qc，冷端温度的变化趋势大体相同，随着输入电压的增加表现出先减小后增大的趋势，即均在12 V 时冷端温度达到最低，此时的电压为最佳工作电压。Qc 为0 W、10 W、20 W 时最佳工作电压所对应的冷端温度分别-26.8 ℃、-9.9 ℃、3.7 ℃。当输入电压小于最佳工作电压时，随着电压的增加制冷量也随着增加，冷端温度逐渐降低；当电压大于最佳工作电压时，在制冷量增加的同时，焦耳热也随着电压的增加而急剧增加，最终在焦耳热的影响下冷端温度逐渐上升。另外，当冷端负载为20 W 时，热电制冷器不工作时冷端温度为58 ℃，而在最佳工作电压下运行时可将冷端温度降至3.7 ℃，由此可以说明将热电制冷器应用于电子元器件时，可以很好地起到降温效果。
图3 不同冷端负载下冷端温度随电压变化曲线
2.3 循环水温的影响
为了研究热端换热强度对热电制冷性能的影响，在实验过程中通过改变循环水温的方式来实现。在实验过程中保持冷端负载为零，分别选取循环水的温度为20 ℃、25 ℃、30 ℃。由图4 可以看出在不同水温下，随着电压的增加，热端温度逐渐增加，冷端温度先减小后增大并在12 V 时温度最低，而冷热端温差表现出先增加后减小的趋势并在15 V 时冷热端温差达到最大。此外，当工作电压大于12 V 时，热端温度的变化速率越来越快。这是因为随着电压的升高，热端散热条件有限，使得焦耳热无法及时散发到环境中，最终导致热端温度急剧增加。另外，在同一电压下随着水温的升高，冷端所能达到的最低温度也逐渐升高，分别为-26.8 ℃、-23.2 ℃、-19.2 ℃。
因此，在实际工程应用中可以通过降低循环水温度或增加热端换热系数的方式来提高热电制冷系统的制冷性能。
图4 不同水温下冷端温度随电压变化曲线
2.4 制冷性能
循环水的温度为25 ℃时，制冷温度分别为5 ℃、10 ℃、15 ℃时，热电制冷器的制冷量和制冷系数随电压的变化情况。从图5 中可以看出制冷量和制冷系数随着制冷温度的升高而增加，最大制冷量分别为18.4 W、22.4 W、26 W。制冷温度越高，热电制冷器的制冷量与制冷系数越大，说明此时制冷性能越好，反之则越差，工作电压过小或过大时，制冷器将会失去制冷能力。另一方面，从图5 中可以看出最大制冷量和最大制冷系数所对应的工作电压并不相同，当制冷量达到最大时制冷效率很低，而当制冷效率达到最大时制冷量却很小，因此在实际应用时，为了平衡制冷量和制冷系数之间的关系，热电制冷器的工作电压一般选取在Ucop，max、U ，max 之间。
图5 不同制冷温度下制冷量和制冷系数随电压变化曲线
3、结论
通过实验研究了不同工作电压、冷端负载以及热端换热系数对热电制冷性能的影响，得到以下结论：工作电压对热电制冷性能的影响远大于冷端负载和热端换热系数的影响。对于给定的制冷片均存在最佳工作电压，在此工作电压下制冷温度最低，制冷量最大，因此在实际应用中应该使热电制冷器在最佳工作电压下运行，对提升其制冷性能尤为重要。另外，适当的增加制冷温度以及热端换热系数可以有效的提高热电制冷器的制冷性能。
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