基于蒸发冷却的半导体制冷装置制冷性能研究

姜 坪 魏晓雯 穆宜轩

(浙江理工大学建筑环境与能源应用工程系 杭州 310018)

1 引言

半导体制冷(也称热电制冷,thermo electric cooler,TEC)装置具有体积小、无运动部件、无噪音、无制冷剂、制冷速度快、易于维护等优点,并且可组合成多级半导体制冷系统实现低温制冷,半导体制冷技术被认为是最具潜力的制冷技术之一。研究者发现一种电子迁移现象,在电流密度较高的金属上,由于电子迁移所产生的动量会使得金属原子逃逸金属表面,长此以往会对金属造成不可逆的影响,且温度越高,电子迁移的速率就越快,长时间会导致材料烧毁[1]。实际应用的半导体制冷装置的冷、热端需要不断地热交换才能保持正常工作。工作时,半导体制冷片的冷、热端面的散热密度可以达到104W/m2[2]。半导体制冷片的冷、热端换热性能的好坏直接影响整个制冷系统的运行。

提高半导体制冷片制冷效果的关键是:

(1)半导体材料的开发。半导体制冷技术发展的瓶颈之一在于材料的优值系数低,同晶类化合物形成类质同晶固溶体,可使晶格热导率降低,从而使得材料优值系数增加[3]。S W Kim 等以TiNiSn 为基底,在惰性气体环境下,结合热压成型和粉末冶金技术,实现了超高热电性能合金材料的制造,其优值系数高达0.7—0.8,热电性能提高较为显著[4]。

(2)提高热端散热效率。由于半导体制冷片的厚度很小,在工作时热端产生的热量如果没有及时散去很容易通过半导体制冷片本身渗透到冷端,影响制冷效果[5]。半导体制冷常见的散热方式有:自然对流散热、气体强制对流散热、液体对流散热、相变散热[6]等。因自然对流的散热强度无法满足半导体制冷片热端的散热,所以气体强制对流散热在半导体制冷装置中应用较为广泛。D Astrain 等利用热虹吸管强化热端的散热,该情况下热端热阻比一般翅片换热器减少36%,制冷系数提高32%[7]。李茂德等对半导体制冷片在第三类边界条件下进行求解,得出制冷性能与热端散热强度之间的解析关系式,同时得出随着热端散热强度的增强,制冷性能有所提升,但不可无限制通过提高热端散热强度来提高半导体制冷片的制冷性能[8]。

目前对半导体制冷装置热端散热的研究主要集中在风冷、水冷热端散热方式对制冷性能的影响上。在实际应用中,风冷的散热强度有限,水冷可较好地解决热端散热问题,但其缺点是需要额外的装置对循环水进行能量补偿,循环水的降温也会带来额外的能耗和运行成本。采用热端蒸发冷却的方式,只需增加较小的水泵功耗,无需对冷却水进行降温处理,便可有效降低热端温度。本文通过实验测试,对比分析了两种风速情况下强制对流散热、加装超声波加湿器散热、加装喷水器喷淋散热对半导体制冷装置制冷性能的影响,同时测试分析了半导体制冷装置热端进出口温度随不同散热方式的变化规律。

2 实验方案

2.1 实验装置

实验采用的半导体制冷片的型号是CL-C067,其性能参数见表1。实验装置包括半导体制冷装置、两台超声波加湿器、电动喷水器、轴流风机、调速水泵、直流稳压电源盒、温湿度记录仪、功率测试仪、水箱等,实验仪器的性能参数见表2。其中半导体制冷装置由两片CL-C067 型半导体制冷片和冷热端换热器所组成,冷热端换热器与半导体制冷片之间均匀涂抹导热硅胶,以减少接触热阻。半导体制冷装置的热端换热器为铝制肋片型散热器,在外侧加设一个可改变风量的轴流风机,可调节风量和风速。半导体制冷装置的冷端换热器为铝制四流程水冷换热器,水箱中的水通过水泵进入铝制水冷换热器进行冷量的传递,为尽可能减少冷量的散失,在流道外加贴保温层。直流稳压电源盒为半导体制冷装置提供稳定的直流电,功率测试仪测试半导体制冷装置的功耗,实验装置构成如图1 所示。水箱1 内为普通自来水,为冷端提供进水,与冷端换热后的冷冻水排入水箱2,通过测量水的流量及水温变化可计算制冷量的大小。热端进出口空气状态由温湿度记录仪测得,在强制对流散热和加装喷水器喷淋散热的实验中,在热端散热器进出口各设置一个温度测点,在加装超声波加湿器散热的实验中,在超声波加湿器前加设一个测点。

表1 CL-C067 半导体制冷片性能参数Table 1 Parameters of CL-C067 semiconductor refrigeration chip

表2 实验仪器性能参数Table 2 Performance parameters of experimental instruments

图1 实验装置构成Fig.1 Experimental setup

2.2 实验工况参数

实验分3 种工况进行,工况1 测试半导体制冷装置在不同强制对流风速下的制冷性能;工况2 测试加装超声波加湿器散热的半导体制冷装置在不同强制对流风速下的制冷性能;工况3 测试加装喷水器喷淋散热的半导体制冷装置在不同喷水量及强制对流风速下的制冷性能,3 组实验工况的实验参数见表3。

3 实验结果与分析

3.1 实验数据处理

通过测试冷端循环水泵的流量及冷端换热器的进出口的温度,可得半导体制冷装置输出的制冷量,制冷量的计算公式为:

式中:Q为半导体制冷装置的制冷量,W;c为水的比热容,J/(kg·℃),取4.2 ×103J/(kg·℃);m为水的质量流量,g/s;Δt为冷端换热器进出口的水的温差,℃。

半导体制冷装置的COP为半导体制冷装置所输出的制冷量与半导体制冷装置输入的功率之比,COP的计算公式为:

式中:COP为半导体制冷装置的性能系数;P1为半导体制冷装置的输入功率,W。

半导体制冷系统的EER为半导体制冷装置所输出的制冷量与整个系统消耗的功率之比,EER的计算公式为:

表3 三种实验工况在不同风速下的实验参数Table 3 Experimental parameters of three experimental conditions under different wind speeds

式中:EER为半导体制冷系统的能效比;P2为半导体制冷装置散热系统的输入功率,W。

将实验所测冷端换热器进出口水温、半导体制冷装置功耗及散热装置的功耗代入式(1)—式(3),得到各实验工况下的制冷量、COP和EER,如表4所示。

表4 不同实验工况下半导体制冷装置的制冷量、COP 和EERTable 4 Refrigeration capacity,COP and EER of semiconductor refrigeration device under different experimental conditions

3.2 热端散热器不同散热强度实验结果分析

由表4 可见,随着强制对流风速的增大,半导体制冷装置的制冷量、COP和EER均有所提高,与小风速工况相比,大风速工况下制冷量、COP和EER分别增加了29.4%、26.3%、22.4%,说明增强强制对流强度,能够有效提高半导体制冷装置的制冷性能。在强制对流散热工况下,热端散热器进出口温度如图2所示,大约在实验进行了600 s 时,热端散热器的进出口温度逐渐趋于稳定,小风速情况下,热端进口温度维持在30.6 ℃,热端出口温度维持在39.5 ℃,热端散热器进出口温差约为8.9 ℃,大风速情况下,热端进口温度维持在29.1 ℃,热端出口温度维持在36.1 ℃,热端散热器进出口温差约为7.0 ℃。

图2 强制对流散热工况下热端进出口温度Fig.2 Inlet and outlet temperature of hot side under forced convection

增强强制对流强度,可减小热端散热器进出口空气的温差,使热端温度降低,可减小冷热端之间的热传递,冷量的损失减小。因此在实际工程应用中,应确保热端散热能满足半导体制冷装置的散热要求,避免因热量堆积而造成制冷效率过低。

3.3 加装超声波加湿器散热工况下半导体制冷装置的制冷性能

在轴流风机的吸入口前,加设两台小型超声波加湿器,超声波加湿器通过其内部水槽的振荡片所产生的高频震荡,将水珠打散成直径为5 μm 左右的均匀雾状水粒,增大蒸发表面积,可通过水雾蒸发带走热量。

加装超声波加湿器散热工况下,热端散热器进出口温度如图3 所示。从图3 中可以看出,在环境温度基本保持不变的情况下,热端进口温度因为超声波加湿器所产生的水雾蒸发而降低。当实验进行约210 s时,热端进出口测点的温度趋于稳定。在小风速情况下,因为水雾的蒸发冷却作用,热端散热器入口的温度约为22.4 ℃,较环境温度低3.3 ℃,热端散热器出口温度约为35.9 ℃,而相同风速下强制对流散热工况的热端散热器出口温度约为39.5 ℃,加装超声波加湿器可使热端散热器出口温度降低约3.6 ℃;在大风速情况下,热端散热器入口温度约为22.6 ℃,较环境温度低3.1 ℃,热端散热器出口温度约为34.3 ℃,而相同风速下强制对流散热工况的热端散热器出口温度约为36.1 ℃,增设超声波加湿器可使热端散热器出口温度降低约1.8 ℃。与强制对流散热的装置相比,在小风速条件下,增加超声波加湿器可使制冷量、COP和EER分别增加10.2%、9.6%、7.4%;在大风速条件下,3 者分别增加6.4%、6.4%、4.4%。

图3 加装超声波加湿器散热工况下热端进出口温度Fig.3 Inlet and outlet temperature of hot side with ultrasonic humidifier

3.4 加装喷水器喷淋散热工况下半导体制冷装置的制冷性能

通过加装喷水器来实现热端的蒸发冷却,喷淋的冷却水水温维持在26.5 ℃,热端散热器进口空气温度维持在27.1 ℃左右,热端散热器出口空气温度如图4 所示。从图4 中可以看出,随着风速的增大或喷水量的加大,热端散热器的出口温度均随之下降。当实验进行时间约为240 s 时,热端出口的温度逐渐趋于稳定。在大风速且喷水量为最大(7.73 g/s)时,热端出口温度最低,约为33.8 ℃;在小风速且喷水量为最小(4.17 g/s) 时,热端出口温度最高,约为38.5 ℃。由表4 的数据可得,与强制对流工况相比,在喷水量为7.73 g/s 时,制冷效果最佳,制冷量、COP分别增加18.9%、11.0%,这是因为喷水器所喷淋的水量越多且风速越大时,翅片表面的蒸发吸热速度越快,蒸发冷却的效果越好。通过加装喷水器喷淋散热可提高半导体制冷装置的COP,与强制对流散热相比,在小风速情况下,调节三档不同喷水量,COP分别提高5.2%、13.3%、15.0%;在大风速情况下,随着喷水量的增加,COP分别提高1.3%、5.9%、6.9%。随着喷水量的加大,COP的提升速率变缓,这是因为半导体制冷装置的制冷性能还受材料等因素的限制,并不能无限制通过提高热端散热强度来提高制冷装置的COP。

图4 加装喷水器喷淋散热工况下热端出口温度Fig.4 Outlet temperature of hot side with sprinkler

加装喷水器喷淋散热对于EER的提升效率最大仅为3.3%,甚至会出现能效比低于强制散热工况的情况。虽然制冷性能与散热强度正相关,但是伴随着半导体制冷装置散热系统输入功率的增加,也就是增加的喷淋水泵的功耗抵消了COP的提高。加装超声波加湿器散热的装置,其EER 在3 种实验工况中最高,这是因为热端蒸发冷却提高了半导体制冷装置的制冷量,在散热系统输入功率方面,超声波加湿器仅增加3.5 W 的输入功率,而喷水器最少需要增加17.0 W的输入功率,且喷水器所产生的是水滴,而超声波加湿器产生的是粒径更小的水雾,水雾与空气的接触面积更大,蒸发冷却的效果也更好。加装超声波加湿器散热的半导体制冷装置能实现最高的能效比。

4 结论

(1)对半导体制冷装置的热端用超声波加湿器进行喷雾加湿或进行水喷淋,可以强化热端的散热效率。与强制对流散热工况相比,热端用超声波加湿器喷雾可使半导体制冷装置的COP最大提高9.6%,EER最大可提高7.4%;热端喷淋水可使半导体制冷装置的COP最大提高15.0%,EER最大可提高3.3%。

(2)利用超声波加湿器喷雾冷却半导体制冷装置的热端,可有效提高半导体制冷的COP和EER。该方法具有加装方便、成本低、功耗小、适用范围广的优点,具有良好的实际应用价值。

(3)增强半导体制冷装置热端的强制对流强度,可降低热端温度,提高制冷性能。热端强制对流风速从1.52 m/s 提高到1.87 m/s 时,热端散热器的进出口温度差从8.9 ℃降低到7.0 ℃,COP和EER分别提高了26.3%和22.4%。