PDF《工作电压对半导体冷藏箱运行性能的影响》

工作电压对半导体冷藏箱运行性能的影响 张奕, 杨节标, 汤雯雯, 王卉(南京师范大学 动力工程学院, 江苏 南京 210042) [ 摘要 ] 针对设计制造的水冷式半导体冷藏箱实验系统, 通过实验测量及理论计算, 研究了冷藏箱运 行性能与半导 体制冷片 工作电压的关系.

结果表明, 工作电压越高, 半导体耗电量越大. 制冷片存在最大制冷 量工况, 制冷温度 随着工作电压 的增加而 降低,

12 V是半导体获得较大制冷量和较低制冷温度的最佳工作电压. 半导体热端向冷端的导热量随 工作电压的增 加而增加, 因此半导体在较低工作电压下具有更高的制冷系数. 研究结果可为半导体冷藏箱选择合适的工作电压提供依据. [ 关键词 ] 半导体制冷, 工作电压, 制冷量, 制冷温度, 制冷系数 [ 中图分类号 ] TU831 [文献标识码 ] A [文章编号 ] 1672-1292( 2008)

03 -0017-04 Impact of Operating Voltage on Performance of a Sem iconductor Refrigerator Zhang Y , i Yang Jieb iao , TangW enw en, W ang Hu i ( School of Pow er Engineering, Nanjing Nor malU niversity, N anjing 210042, China) Abstract : A se m iconductor refrigeratorw ith a w ater -cooled hot s ide w as designed and constructed to investigate i mpact of operating voltage on perfor m ance of the refrigerator . Relationship bet w een perfor mance of the refrigerator and operating voltage was analyzed by experi m ental data and theoretical calcu lation resu lts . Results sho w that electricity consum ed by the refrigerator increases w ith operating voltage . The refrigerator can reach lo w er te mperature w ith higher operating vol- t age . W hen the operating voltage is 12V, the refrigerator can ach ieve highest refrigerating output and low est te m perature . The refrigerator operates at lower COP level wh ile operating voltage is h igher . The results are usefu l for the design and operation of se m iconductor refrigerator . K ey words : se m - i conductor refrigeration, operating voltage , refrigerating output , refrigeration temperatu re , coefficient of perfor m ance( COP) 收稿日期:

2008 -05-16 . 基金项目: 江苏省普通高等学校自然科学研究计划 ( 06K J D480097)资助项目. 通讯联系人: 张奕,副教授. 研究方向: 建筑节能与储能. E-m ai: l zhangy@ i njnu. edu . cn 半导体和金属组成的电路中接入直流电, 在金属与半导体的接触处将产生明显的珀尔帖效应, 即半导 体和金属的一个接触面温度下降, 低于环境温度成为冷端, 另一个接触面温度上升, 高于环境温度成为热 端. 改变直流电的方向, 半导体冷端、 热端位置同时改变 [ 1] . 所以半导体可以作为制冷、 制热元件使用. 相比于蒸汽压缩等制冷方式, 半导体制冷具有无需压缩机、 制冷剂, 制冷启动迅速, 结构简单, 噪音小 等优点. 虽然半导体制冷的制冷系数远小于蒸汽压缩制冷, 由于半导体制冷具有制冷器体积小、 安装方便 等优点, 因此在电子元件冷却、 小型制冷设备、 军事、 医疗设备、 科研等领域都有很多应用. 特别是近年来随 着我国人民生活水平的提高, 半导体制冷在小型 /移动冰箱、 饮水机、 除湿机等家用领域的应用迅速推广. 工作电压对半导体冷藏箱运行性能具有重要影响. Huang B J等[2]对热电制冷的制冷量、 制冷系数、 耗 电量、 冷、 热端温度及温度差和半导体工作电压、 电流的关系进行了研究, 并提供了半导体制冷系统的优化 设计方法. V ian J G [ 3] 对二级半导体制冷除湿器中当二级半导体分别处于不同电压时, 除湿器的 COP、 除 湿量的情况进行了研究, 提出了半导体运行最佳电压的计算方法. 王宏杰等 [ 4, 5] 提出了热电制冷系统设计 的两个优化准则, 并给出确定半导体最佳工作电流范围的方法. 王凯等 [

6 ] 对小型半导体制冷装置的工作 电流、 功耗与制冷系数、 制冷量、 冷热端温度差的关系进行了实验研究. 任欣等 [ 7] 给出了半导体制冷器在 最佳工况下运行时, 工作电流和制冷量的近似公式.

17 第 8卷第 3期2008年 9月 南京师范大学学报 (工程技术版 ) J OURNAL OF NAN JI NG NORMAL UN I VERSI TY ( ENG I NEERI NG AND TECHNOLOGY EDI T I ON ) Vo.l

8 No.

3 Sep,

2008 本文对水冷式半导体冷藏箱在不同电压下工作时, 冷藏箱的耗电量、 制冷量、 制冷系数、 制冷温度、 冷 端温度及热端温度的变化情况进行研究, 以得到工作电压对这种冷藏箱运行性能的影响规律.

1 理论分析 当冷藏箱温度稳定时, 半导体制冷片的制冷量 c等于冷藏箱从箱外环境的吸热量及冷端散热风扇发 热量之和, 即: c = P + KAb ( ts - tb ), ( 1) 式中, P 为冷端散热风扇的电功率;

K 为冷藏箱外环境和箱内空气间的传热系数;

Ab 为冷藏箱传热面积;

ts 为箱外空气温度;

tb 为箱内空气温度. 在半导体制冷片的热端, 热端和冷却水的传热量等于半导体的焦尔热 UI及半导体制冷量 c 之和, 因 此下式成立: c + UI = hhAh ( th - tf ), ( 2) 式中, U、 I为半导体的工作电压和工作电流;

hh 为半导体热端和冷却水间的对流传热系数;

Ah 为热端传热 面积;

th 为半导体热端表面温度;

tf 为热端冷却水温度. 在半导体制冷片的冷端使用肋片式散热器强化传热, 半导体的制冷量 c等于冷端散热器与箱内空气 的传热量, 即: c = hcA c f ( tb - tc ), ( 3) 式中, hc 为箱内空气与冷端散热器的对流传热系数;

A c 为冷端散热器的传热面积;

f 为散热器的肋片效 率;

tc 为半导体的冷端温度. 考虑冷端散热风扇消耗的电能, 半导体冷藏箱的制冷系数 COP由下式计算: COP = c UI + P . ( 4)

2 实验研究 为了研究半导体冷藏箱运行性能和工作电压 的关系, 设计制造了一套水冷式半导体冷藏箱实 验台, 如图

1 所示. 冷藏箱中使用的是 TEC1 12706型半导体制冷片, 外形尺寸为

40 mm

40 mm

3 9 mm;

最大工作电压

15 2 V;

最大工作电 流6A;

最大制冷量

56 5 W;

热端、 冷端最大温差

65 . 冷藏箱由有机玻璃制成, 外敷

5 cm 塑料泡沫 保温. 制冷片冷端用散热翅片 + 风扇进行空气强 迫对流传热, 散热翅片为铝质翅片, 风扇额定工作 电压

12 V, 电流

0 08 A. 使用 testo425型热球风速 仪测量风扇风速, 并由风速计算空气和冷端散热 器的对流传热系数 hc. 制冷片热端用冷却水进行 冷却, 冷却水由 HS- 6型标准恒温浴槽提供, 恒温 浴槽对水温的控制精度为

0 1 . 热端水的流速 用体积法测量, 并由水的流速计算热端对流传热 系数 hh. 使用 APS- 1505型稳压直流电源为半导体提供直流电, AT1501型稳压直流电源为冷端风扇提供电 源. 这两个电源上都具有

2 5级的电压表和电流表, 对负荷的电流、 电压进行测量. 使用 3支 K型热电偶对箱外空气、 箱内空气以及热端冷却水温度进行测量. 热电偶、 Agilent34970A 型 数据采集仪及计算机组成温度的测量、 采集和记录系统, 温度测量系统经过精密水银温度计标定, 测温精

18 南京师范大学学报 (工程技术版 ) 第 8卷第 3期(2008年)度为

0 1 . 冷藏箱所处室内环境温度使用空调器控制, 实验中室内温度变化幅度约为

0 5 . 为了研究半导体制冷片工作电压对冷藏箱运行性能的影响, 实验中控制其余参数不变, 仅改变半导体 工作电压, 通过测量制冷温度、 半导体工作电流等参数的变化, 使用式 ( 1) ~式(4)计算半导体冷藏箱运行 性能参数的变化情况.

3 结果与讨论 半导体工作电压的改变会引起半导体工作电流、 耗电量、 制冷量、 制冷温度、 制冷系数、 热端温度、 冷端 温度等一系列运行性能的变化. 图 2是半导体在不同工作电压下, 经测量及计算 得到的半导体耗电量、 制冷量及制冷系数的变化情 况. 从图 2可以看出, 随着半导体工作电压的增加, 半 导体耗电量增加. 工作电压增加的同时, 半导体的工 作电流也变大, 因此工作电压较高时, 耗电量的增加 速率越大. 图 2反映出, 半导体制冷存在着最大制冷量工况, 这和热电制冷的理论分析结果是一致的 [ 1] . 在实验条 件下, 最大制冷量工况对应的工作电压约为 13V. 半导 体在较低的工作电压下, 制冷量增加速率较快. 当电压 在12V ~

14 V之间变化时, 制冷量几乎保持不变. 随着工作电压的增加, 半导体的制冷系数总是减 小的, 在较小的电压下, 半导体具有较高的制冷系数, 并且制冷系数的减小速率也较快. 综合图 2可知, 半导体冷藏箱在实验范围内的最低电压下运行时, 耗电量是最高工作电压时的

19 % , 制冷量是最高电压时的

77 2 % , 制冷系数是最高工作电压时的

3 7倍. 因此, 半导体冷藏箱在较低的工作 电压下运行具有更好的性能. 图 3是不同工作电压下, 制冷温度, 以及半导体冷 端温度和热端温度的变化情况. 由图 3可知, 随着半导 体工作电压的增加, 制冷温度和冷端温度下降. 当电压 在12 V ~

14 V 之间变化时, 制冷温度和半导体冷端温 度几乎不随电压的增加而下降. 增加工作电压时, 热端 温度持续变大, 并且热端和冷端的温差也连续增加. 经 计算, 半导体工作电压为

14 V 时的热端、 冷端温度差是 工作电压为

6 V 时的

1 67倍. 这意味着, 工作电压为

14 V 时热端向冷端的导热量是

6 V 时的

1 67倍, 这显然 不利于半导体获得较高的制冷性能系数. 因此, 在较高的工作电压下, 半导体冷藏箱可以获 得更低的制冷温度. 但当工作电压大于

12 V 时, 增加电 压所导致的制冷温度下降是非常微弱的. 工作电压越 高, 热端向冷端的导热量越大, 这不利于半导体制冷性能系数的提高.

4 结论 工作电压对半导体冷藏箱的工作性能具有非常重要的影响. 在本文所使用的半导体冷藏箱实验装置 及实验方法下, 半导体制冷性能和工作电压间具有以下关系: ( 1) 工作电压越高, 半导体耗电量越大. 半导体存在最大制冷量工况, 在最大制冷量工况附近, 工作电 压改变所引起制冷量的变化很小.

12 V 是实验用半导体制冷片获得较大制冷量所应取的最大工作电压. 工作电压越高, 半导体的工作性能系数越低.

19 张奕, 等: 工作电压对半导体冷藏箱运行性能的影响 ( 2) 工作电压越高, 半导体冷藏箱的制冷温度越低, 但是在

12 V 以上........