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详细分析新型散热器的研发及完成效果

2019/8/18 标签:新型散热器的研发及完成效果 阅读:7369次
    散热结构的设计半导体制冷片冷端对像增强器阴极制冷,同时热端会放出大量的热。如果热量无法顺利散出,就会导致半导体制冷片两端的温度同时上升,从而降低降噪的能力。在本文中,将采用散热片加风冷的方式对半导体制冷片的热端进行散热。
    我们自行设计的微光像增强器系统正中间是必须通光的,而半导体制冷片也是环形的,因此考虑散热片设计为如所示的梭型:散热片结构示意图为加工方便,所有的曲线均是规则的圆弧,中间的孔为通光的路径,两边放置散热风扇。除了焦耳热,由于半导体材料两端存在温差,从热电对的热端还会传递一部分热量至冷端:Qk=k(Th-Tc)式中k为热电元件的总导热系数。因此,电偶对的制冷量应为帕尔贴效应吸收的热量减去一半的焦耳热,再减去冷热端之间的传导热,即:由上式,假设相对焦耳热冷端吸热量较少,为做近似,将其忽略,则温差可由式表示:同理,电偶对的热端发热量为:所以热端发热量与冷端吸热量之间正好相差焦耳热I2R.当冷端吸热较小或制冷片工作电压较大时,可近似认为:Q=I2R(另外,加在半导体制冷片两端的电压不完全消耗在制冷片电阻的降压上,其中有一小部分用于抵消温差电动势,由下式表示:仿真模型本文中采用COMSOL作为仿真工具,首先,建立模型。我们加上散热片外端的圆柱型腔体壳,其两侧各有一个30×30mm的方形孔,用于放置散热风扇,最外层是一个边长为40cm的正方体空间,其间充满了标准大气压的空气。由于引入了散热风扇,在x方向上引入了一定速度的空气流动以接近实际效果。
    为确定公式的系数,我们对半导体制冷片性能进行了实测,并进行数据拟合。实测数据由所示。将半导体制冷片电压从0V加至8V,假定空气温度为20℃,通过COMSOL软件仿真半导体制冷片冷端的温度变化情况。在给定制冷片工作电压下,我们可以通过式计算其温差ΔT,通过式计算电流I,通过式计算热端放热量Q,再通过COMSOL仿真得到散热片温度(即制冷片热端温度),两者相减可得冷端温度。COMSOL中需输入的参数是单位面积的散热功率,因此,Q最后还需除以环形半导体制冷片的面积0.0049m2。不同电压下的电流和散热量不同电压下的温差和冷热端温度通过可以得到冷、热端的温度随半导体制冷1片工作电压变化地曲线。
    随着半导体制冷片工作电压的增加而增加,但是增加的速度逐渐减小;另外,可以看出,当电流I增加的时候,热端散热量Q是成2次方增长趋势的。结合以上两点,在制冷片工作电压较小时,热端温度上升得较慢,而温差变化却显得很快,所以冷端的温度也就呈下降趋势;当制冷片工作电压较大的时候,焦耳热变得很明显,热端温度上升得也越来越快,温差也因为电流的变大而逐渐减小增加的速度,甚至有可能开始减小,这个时候,冷端的温度又逐渐又开始回升。
    实验结果及分析。在实际实验中,对半导体制冷片施加不同的电压,采用每隔一分钟测量一个数据点,测量30分钟的方法测量光阴极(半导体制冷片冷端)温度的变化情况,制冷片冷端温度与电压的关系给半导体制冷片加上某一电压时,其冷端温度会迅速下降,继而慢慢回升;另外,能达到的最低温度也是逐渐下降的。但是散热片散热是一个过程,所以在半导体制冷片工作时,其热端必然存在热量的积聚,使得冷端温度达到一个最低点后会有一定程度的反弹,随着散热片和周围温度达到一个热交换平衡时,冷端的温度才会趋于稳定。对于半导体制冷片两端电压为5V和6V的时候,就是这种情况,当散热时间超过20min,冷端的温度变化很小或者说已经基本不变了。
    对于一块特定的散热片,存在一个最大的散热功率,当超过这一功率的时候,热量便越积越多,温度也持续上升。当半导体制冷片两端电压加至7V的时候,此时温度回升的速度明显超过了两端电压取5V和6V时候的温度回升速度。当加热至30min的时候,此时的温度已经基本和同期半导体制冷片电压为6V时的冷端温度持平。此后也是持缓慢增长趋势。而当电压取8V时,温度升高的速度更加明显。
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