半导体制冷系统热端散热试验研究

黄双福，林春深，黄金耀，袁俊威

（1.福州大学 至诚学院，福州 350002；2.福州大学 石油化工学院，福州 350116）

0 引言

半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，是一种将电能转化为热能的高热流密度器件，基本原理是帕尔帖效应［1］。半导体制冷具有：无制冷剂，环保性好：冷热转换方便；在小功率制冷时，制冷系数较高；制冷速度快，反映敏捷，可以快速实现大温差；调节性能好；可以做成各种形状，易于微型化，满足各种需要［2-3］。显然，半导体制冷开辟了制冷技术的新领域，扩大了制冷技术的应用范围，在某些特殊的场合，有着别的制冷方式所无法替代的作用［4］。然而，在目前的材料水平上，半导体单级制冷最大能达到大约70 K的温差［5-6］。半导体单级制冷不仅无法实现更大的温差，而且在较大的温差下工作时，它的制冷系数迅速下降，制冷工况迅速恶化，强化热端散热是目前提高半导体制冷性能的主要手段之一［7-9］。相关学者对半导体制冷热端散热做了相关理论研究［10］，同时做了液体冷却散热［11］、热管散热［12］、蒸发冷却散热［3］、热端散热优化设计［13］等试验研究。研究者对热端散热改善进行了试验研究，试验结果可提高半导体制冷片的制冷性能，获得较低的冷端温度，但获得冷端最低温度较为有限，难以满足大温差工况要求。

本文对单片半导体制冷片热端散热进行试验研究，通过试验结果，分析了半导体热端散热对冷端温度的影响因素，在测得不同型号半导体制冷片最佳散热工况基础上，进一步采用了分离电流输入两级制冷散热试验研究，可获得更低的冷端温度及更大的工作温差。

1 单片半导体散热试验装置设计与分析

1.1 单片半导体散热试验装置设计

对TEC1-12706 和TEC1-12704 两种型号半导体制冷片分别进行了散热器无热管强制对流、散热器有热管强制对流散热试验。装置主要由半导体制冷片、可调电源模块、电源调压器、保温材料、测温仪和散热器等6 个部分组成。

散热器无热管单片半导体散热的试验装置原理如图1 所示，半导体制冷片热端通过导热胶与铝翅片无热管散热器进行接触，为了更好接触散热和更准确测得热端温度，在铝片上加工一个凹槽放置热端温度传感器，并采用双风扇进行强制对流散热。为了更加准确测得冷端温度，采用导热系数小的保温材料进行保温，并在冷端与保温材料之间涂层导热胶，温度传感器接头嵌入导热胶内。半导体制冷片与风扇电压由DC 直流电源提供，并通过可调电源模块对半导体制冷片输入电流进行调节。散热器有热管散热试验装置中其核心部件是热管，热管的蒸发段与半导体制冷片的热面紧贴，冷凝段安装翅片并采用双风扇进行强制对流散热冷凝。除了散热器外，散热器有热管散热试验装置其他设计部分与散热器无热管散热的试验装置相同。散热器有热管散热原理如图2 所示，三维模型如图3 所示。

图1 散热器无热管散热试验装置Fig.1 Experimental device for heat dissipation of radiator without heat pipe

图2 散热器有热管散热试验装置Fig.2 Experimental device for heat dissipation of radiator with heat pipe

图3 散热器有热管散热试验装置三维模型Fig.3 Three-dimensional model diagram of the experimental device of the heat sink with heat pipe

1.2 单片半导体散热试验测试

试验在室内进行测试，利用室内温度调节器调整室内温度趋于固定温度，利用图1，2 所示试验装置对型号TEC1-12704 和型号TEC1-12706半导体制冷片分别进行散热器无热管散热和散热器有热管的散热试验，热端强制对流散热风扇输入电压固定，利用电源调压器改变半导体制冷片输入电流，并利用温度测试仪测得在不同输入电流下冷端温度随时间变化情况，及其稳定工况下冷端温度。

1.3 单片半导体制冷片试验结果与分析

在相同的环境温度下，本试验分别采用不同输入电流、在散热器无热管、散热器有热管条件下对TEC1-12704 和TEC1-12706 两种不同型号的单片半导体制冷片进行了试验测试，采集了其冷端温度随电流变化情况如图4，5 所示。散热器无热管工况下对应输入电流的最低温度与稳定温度见表1。

图4 不同电流下TEC1-12704 半导体制冷片热端散热工况Fig.4 TEC1-12704 semiconductor cooling chip hot end heat dissipation under different currents

图5 不同电流下TEC1-12706 半导体制冷片热端散热情况Fig.5 TEC1-12706 semiconductor cooling chip hot end heat dissipation under different currents

表1 散热器无热管散热试验冷端温度情况Tab.1 The temperature of the cold end of the radiator without heat pipe cooling experiment

1.3.1 电流对冷端温度的影响分析

图4（a）示出TEC1-12704 型号半导体制冷片在散热器无热管散热条件下，冷端温度随时间和输入电流的变化情况，结果显示，在任意输入电流情况下经过一段时间后半导体冷端温度都可以趋于稳定；结合表1 所示，在小于2 A 电流输入时，冷端温度随着时间下降直至稳定，而当输入电流大于2 A 时，其冷端温度先下降至一个最低温度后再上升，最后温度也趋于稳定；从图4（c）可看出，冷端最终稳定温度随着输入电流的增加先减小后增大，最低温度为-3.1 ℃，所对应的输入电流2.2 A。图4（b）示出了TEC1-12704 型号半导体制冷片在散热器有热管散热条件下，冷端温度随时间和输入电流的变化情况，从图可以看出，在任意输入电流情况下冷端温度随时间不断下降，经过80 s 后都趋于稳定；从图4（d）可看出，半导体冷端最终温度随着输入电流的增加先减小后增大，最低温度为-7.5 ℃，所对应的输入电流2.5 A。

图5（a）示出TEC1-12706 型号半导体制冷片在散热器无热管散热条件下，冷端温度随时间和输入电流的变化情况，试验结果显示，在任意输入电流情况下经过一段时间冷端温度都可以趋于稳定；结合表1 所示，在小于2.8 A 电流输入时，冷端温度随着时间下降直至稳定，而当输入电流大于2.8 A 时，其冷端温度先下降至一个最低温度后再上升，最后温度也趋于稳定；从图5（c）可看出，半导体冷端最终稳定温度随着输入电流的增加先减小后增大，最低温度为-7.8 ℃，所对应的输入电流2.8 A。图5（b）示出TEC1-12706 型号半导体制冷片在散热器有热管散热条件下，半导体冷端温度随时间和输入电流的变化情况，从图可以看出，在任意输入电流情况下冷端温度随时间不断下降，经过70 s 后都趋于稳定；从图5（d）可看出，冷端最终温度随着输入电流的增加而减少，最低温度为-13.3 ℃，所对应的输入电流3.5 A。

1.3.2 不同散热方式对冷端温度的影响分析

从图4，5 可看出，在输入电流0～3.7 A 范围中，同种型号半导体制冷片在散热器有热管散热比无热管散热能够获得的冷端最低温度更低，且所对应的工作电流更大，这是因为热管具有较大的热流密度，提高热端的散热强度，热端热量对冷端影响较小，所以冷端最低温度更低。

从图4（a）和5（a）可看出，当工作电流达到一定时，其冷端温度随时间变化是先降低再增大最后稳定。这是因为在较小的电流工况下，热端产生的热量不大，散热器无热管散热能够及时将大部分热量带走，冷热端温差小，以导热形式传递给冷端的热量小，冷端制冷量大于热端导热热量，所以在低电流输入情况下冷端温度随时间降低，冷端温度持续降低冷热端温差增大，通过热端传递给冷端的热量增加，同时冷端温度持续降低，制冷量也减小，当通过热端传递过来的热量等于冷端的制冷量，这时温度达到稳定。但是，当工作电流增大到一定程度后，在对应工作电流下冷端温度快速降低到一定值，这时翅片无热管强制对流散热的热流密度小，散热速率小于产热速率，导致热端在瞬态时冷热端温差大，积累的热量通过导热形式将热量传递给冷端，传递热量大于冷端的制冷量，使得冷端温度上升，冷端温度上升后，冷热端温差减少，热端传递到冷端的热量减少，当冷端产生量与热端导热过来的热量相等时，这时温度达到稳定。

从图4（b）和5（b）可看出，在电流下其冷端温度均逐渐降低。这是因为热管散热器其热流密度大，散热效果好，导致热端温度上升速度慢，因此冷热端温差增大的速率比较小，在这过程中半导体冷端的产生量大于热端导热到冷端的热量，所以冷端温度持续降低。但是，随着冷热端温差增加，热端导热到冷端热量增加，同时随着冷端温度降低，产生量也减小，当制冷量减小到与增加的导热量相等时，这时冷端温度达到稳定。

1.3.3 同种散热条件下不同功率半导体冷端温度分析

从图4（b）和图5（b）可看出，在散热器有热管强制对流散热、任何电流输入条件下其冷端温度均逐渐降低，但是大功率TEC1-12706 型半导体片冷端温度随电流增大而减少，小功率TEC1-12704 型半导体片冷端温度随电流增大先增大后减少。这是因为，随着输入电流增加大功率功率半导体制冷片产生热量增加，但是增加到最大值时，以散热器的热流密度和结构形状能够带走产生的大部分热量，对冷端温度影响较小。小功率半导体制冷片其热端产生热量相对大功率半导体制冷片多，当工作电流达到一定值时，积累在热端的热量大，热管散热器热流量有限，不能够及时散走大部分热量，对冷端温度影响凸显，导致冷端温度不能够随电流增加而继续下降。

2 分离电流输入两级制冷散热试验装置设计与分析

图6 两级制冷散热器有热管散热试验原理及装置Fig.6 Experimental device of radiator with heat pipes for two-stage refrigeration heat dissipation

2.1 分离电流输入两级制冷散热试验装置设计

对单片半导体片进行试验得到冷端最低温度较为有限，为了获得更低制冷温度，本文设计了分离电流输入两级制冷，采用一片半导体的冷端制冷量来对另一片半导体的热端进行散热的试验装置，并通过调节输入电流进行试验研究。本文选择 了TEC1-12706 与TEC1-12706，TEC1-12706与TEC1-12704 两组型号组合试验。由前文4 种试验工况可知，TEC1-12706 型号半导体制冷片采用散热器有热管强制对流散热工况获得的温度最低为-13.3 ℃，对应输入电流3.5 A，因此，在2组试验中本文将该工况的冷端制冷量作为另一片半导体制冷片的散热器。为了区分半导体片，作为散热器的半导体片记为TEC1-12706 半导体片A，另一片作为制冷端的记为半导体片B，TEC1-12706 半导体片A 冷端面与半导体片B 热端面紧贴，同时对半导体片B 冷端进行保温。通过调压模块调节两片半导体片输入电流，测得半导体片B 冷端温度随电流变化情况。试验原理及装置如图6 所示。

2.2 分离电流输入两级制冷试验测试与结果分析

对TEC1-12706 与TEC1-12706 组合半导体制冷片进行两级制冷试验，试验开始时，将散热风扇打开，调节输入电流使得半导体片A 工作电流为3.5 A，测得半导体制冷片B 冷端的温度，然后调压器调节制冷片B 输入电流从0 开始，每调节一次电流半导体片B 冷端温度会发生变化，待其稳定测得对应的温度。试验结果如图7（a）所示，半导体片B 冷端的温度随着其输入电流的增加先减小后增大，最低温度为-35.6 ℃，所对应半导体片B 输入电流为1.6 A。这是因为在低电流输入时，半导体片A 制冷量大于半导体片B 的散热量，但是随着输入电流的增加，半导体片B 的散热量增加，导致制冷效果变差，温度升高。

为了确定最低温度所对应的最佳工作电流组合，本文进一步试验，将半导体片B 输入电流为1.6 A 保持不变，半导体B 电流从最大3.5A 逐渐降低至0.4 A，结果如图7（b）显示，随着半导体片A 输入电流减少，其温度变化从图7（a）中的最低温度先小幅度下降至-38.6 ℃后逐步上升，最低温度所对应的输入电流为3.1 A。温度会有小幅下降是因为，当半导体片A 电流输入减小时，在这样的组合工况下，制冷量上升，带走半导体片B热端的热量提高，使得半导体片B 冷端温度下降。同时半导体片A 的冷端即为半导体片B 的热端，在保证散热能力下，半导体片B 的热端温度相比单片半导体散热试验的热端温度低，使得最低冷端温度可比单片半导体散热的最低冷端温度低。

利用同样的方法对TEC1-12706、TEC1-12704 半导体片进行两级制冷试验，试验结果显示冷端温度变化趋势与2 片TEC1-12706 半导体制冷片两级制冷试验相似，如图8 所示。

图7 双片TEC1-12706 半导体片两级制冷冷端温度变化情况Fig.7 The temperature change at the cold end of two-stage refrigeration of TCE1-12706 semiconductor chip

图8 TEC1-12706 、TEC1-12704 半导体片两级制冷冷端温度变化情况Fig.8 The temperature change at the cold end of two-stage refrigeration of TEC1-12706 and TEC1-12704 semiconductor chip

在相同的输入电流3.5 A 的初始工况下TEC1-12706 半导体A 冷端对半导体B 热端进行散热，TEC1-12704 型半导体B 输入电流为1.4 A时其冷端最低温度为-31.7 ℃高于TEC1-12706 型半导体B 输入电流为1.6 A 的冷端最低温度-35.6 ℃，主要原因是在相同热端散热情况下，小功率半导体制冷片热端散热量大，制约着冷端温度进一步降低。在TEC1-12706 输入电流为3.3A，TEC1-12704 输入电流为1.4 A 组合下，获得的最低温度为-34.4 ℃。其获得最低温度比双片TEC1-12706 两级制冷所试验得到的温度高。试验结果显示，采用分离电流输入两级制冷能够大幅降低冷端温度，从而提高半导体制冷片的工作温差，同时在最佳组合输入电流工况下其冷端温度可达到最低，制冷功率越大的半导体制冷片进行两级制冷得到的冷端温度更低。

3 结论

（1）散热器无热管散热TEC1-12704 和TEC1-12706 型半导体在输入电流较小时，其冷端温度都随时间减小最后趋于稳定，当输入电流达大于一定值时，冷端温度随时间先减小后增大，最后达到稳定；2 种类型半导体的冷端稳定温度随输入电流先减小后增大。

（2）散热器有热管散热随输入电流增大TEC1-12704 型半导体冷端稳定温度先减小后增大，而TEC1-12704 型半导体冷端温度减小。在某个输入电流下，2 种类型半导体冷端温度都随时间的增大而减小。

（3）散热器无热管散热TEC1-12704 最低温度为-3.1 ℃对应电流2.2 A，TEC1-12706 最低温度为-7.5 ℃对应电流2.5 A；散热器有热管散热TEC1-12704 最低温度为-7.8 ℃对应电流2.8 A，TEC1-12706 最低温度为-13.3 ℃对应电流3.5 A。显然散热器采用有热管散热，改善散热工况降低冷端温度。

（4）试验测试分析不同类型单片半导体制冷片的最低冷端温度的输入电流和散热工况，并对应工况下，采用双片TEC1-12706 型半导体制冷片进行两级制冷，在输入电流为1.6 A 和3.1 A 组合下，其冷端温度可达到-38.6 ℃。试验显示，通过半导体的冷端来散热另一片半导体的热端可使冷端温度大幅降低，提高了半导体制冷片的工作温差，制冷功率越大的半导体制冷片进行两级制冷可得到更低的冷端温度。