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【摘要】半导体制冷应用热电偶对元件，可通过电流方向的改变，控制元件的冷端与热端，即在电流增加后，制冷量也会随着增加。因此，为进一步提高半导体制冷的效果，我们需要通过对半导体制冷最佳特性的分析，并研讨热端散热方式的合理选择。
【关键词】半导体制冷；最佳特性；热端散热
1.半导体制冷最佳特性分析
半导体制冷技术，融合了多种热电效应，譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等，基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性，可分别从一般工况、最大制冷量工况、最大制冷系数工况等方面进行分析。
（1）一般工况最佳特性。热电制冷是通过冷端、铜连接片、热端等，发挥吸热和放热的功能效应，在直流电源接通后，热端和冷端的温差会逐渐增大，前者温度上升而放热，后者温度下降而吸热，当两者趋于平衡状态，半导体制冷就会表现出最佳特性。在分析最佳特性时，经常需要考量包括电偶臂温差电动势率、接头绝对温度、热导率、电导率等参数，以确定微元体的热平衡与边界条件。
（2）最大制冷量工况最佳特性。在最大制冷量工况条件下，电流与冷端的温度，共同形成制冷量的函数，可藉此求解出电流偏导，当导数趋近于零，半导体制冷就会达到最大制冷量，期间所涉及的参数包括最佳工作电流、最佳工作电压、输入电功率、制冷系数等。
（3）最大制冷系数工况最佳特性。在电流变化之后，半导体制冷的制冷量，以及输入电功率等也会随着变化，当制冷量与输入电功率的比值达到最大状态后，就可以利用制冷系数求出电流导数，当导数趋近于零，制冷系数最会达到最大状态，期间涉及的参数与最大制冷量工况最佳特性分析时的参数一致。
（4）最大温差工况最佳特性。在保持半导体制冷热端与冷端等尺寸恒定的情况下，增加冷端与热端之间的温度差异，判断最大温差情况下，对电流的影响系数，以此保证出现温差时，半导体制冷最佳特性不受影响。
2.半导体制冷热端散热方式研讨
基于半导体制冷最佳特性的分析结果，我们在研讨半导体制冷热端散热方式的时候，应该在综合考虑材料和工艺等因素的情况下，重点解决半导体制冷的散热问题，以此提高制冷的系数，使得半导体制冷的功能处于最佳状态。
2.1自然对流散热
这种散热方式，适用于小型半导体制冷器，利用空气自然对流的原理，以散热片作为热交换器进行对流散热，利用冷端吸热器和空气热交换吸收热量，再经各导热层，将热量传递给热端散热器，以保证制冷的效果。在设计散热器时，我们需要确定散热器与周围空气之间的允许温差、换热系数，以及散热器等的导热系数等，然后根据散热器散热总面积、制冷器传递给散热器总热量等参数，计算出空气自然对流时，对散热器散热面积的利用程度，以此规避受到其他外界因素的干扰。除此之外，散热片的水平放置、垂直向上放置和垂直向下放置等，均可能影响散热的效果，因此我们还可以通过散热器的放置方式调整，提高散热效果控制的自由度。
2.2强迫对流散热
在构建自然对流散热系统之后，在散热片的端部，安装轴流风机，以强迫通风的方式，提高对流换热的系数。强迫对流散热在同样的散热功率条件下，需考虑到散热片的结构尺寸、空气流速和表现粗糙度等，以及缩小散热的相对面积，并利用流体动力学模拟分析的方法，减少对流散热器的电阻，较为适用于小型空调器。关于强迫通风散热系统所构成的半导体制冷模块，包括轴流风机、被致冷件、散热器、热电制冷器等构件，均是提高对流换热系数等的关键。
2.3液体冷却散热
相比于自然风冷散热，水冷换热系数更大，正常情况下，环境温度低于25℃时，制冷系统的COP为0.6，相当于强制冷风COP的2倍。一般情况下，半导体制冷模块的水冷散热器热阻，与水流动速度具有直接关系，后者速度越快，则热阻越低。液体冷却散热，主要依靠循环回路，并将水箱分隔开，形成多个流道，当冷却水经过半导体芯片热端，吸收热量后再流经散热器进行散热。其中关于热端散热器的设置，配置有一定容积的水箱，在散热器的热阻降低到0.5k·kw-1，并且电流为2.5A时，水箱达到最低温度-20℃，此时的散热效果最好。值得注意的是，液体冷却散热对水质的要求比较高，如果发现水冷却面存在结垢，则要及时清理干净，否则会影响散热器的传热性能。
2.4相变散热
相变散热主要依靠相变材料的相态变化吸收热量，适用于配置热管的散热器，同样具有较好的散热效果。相变散热可在气流速度不变的情况下，在冷端利用热虹吸管换热器，为冷端提供储冷能力了，以避免在高峰负荷状态下冷量损失太大，以及在断电时，热端的热量原路传回冷端。关于相变散热的设计，需要通过数值模拟方法，根据不同的制冷工况，掌控散热器表面的温度场分布情况，以保证传热面的均匀性，将散热效果保持在最佳状态。
3.结束语
综上所述，半导体制冷技术，融合了多种热电效应，譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等，基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性，在研讨半导体制冷热端散热方式的时候，应该在综合考虑材料和工艺等因素的情况下，重点解决半导体制冷的散热问题，以此提高制冷的系数。[科]
【参考文献】
［1］杜芳莉,白大雨,房晓平.基于半导体制冷高效热回收装置的研究[J].西安航空学院学报,2014,(1):70-73.
［2］尹秀翠，邢世录，杨晓宏等.空气隙膜组件与半导体制冷的耦合设计与研究[J].膜科学与技术，2014，（1）:40-45.
【关键词】半导体制冷；最佳特性；热端散热
1.半导体制冷最佳特性分析
半导体制冷技术，融合了多种热电效应，譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等，基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性，可分别从一般工况、最大制冷量工况、最大制冷系数工况等方面进行分析。
（1）一般工况最佳特性。热电制冷是通过冷端、铜连接片、热端等，发挥吸热和放热的功能效应，在直流电源接通后，热端和冷端的温差会逐渐增大，前者温度上升而放热，后者温度下降而吸热，当两者趋于平衡状态，半导体制冷就会表现出最佳特性。在分析最佳特性时，经常需要考量包括电偶臂温差电动势率、接头绝对温度、热导率、电导率等参数，以确定微元体的热平衡与边界条件。
（2）最大制冷量工况最佳特性。在最大制冷量工况条件下，电流与冷端的温度，共同形成制冷量的函数，可藉此求解出电流偏导，当导数趋近于零，半导体制冷就会达到最大制冷量，期间所涉及的参数包括最佳工作电流、最佳工作电压、输入电功率、制冷系数等。
（3）最大制冷系数工况最佳特性。在电流变化之后，半导体制冷的制冷量，以及输入电功率等也会随着变化，当制冷量与输入电功率的比值达到最大状态后，就可以利用制冷系数求出电流导数，当导数趋近于零，制冷系数最会达到最大状态，期间涉及的参数与最大制冷量工况最佳特性分析时的参数一致。
（4）最大温差工况最佳特性。在保持半导体制冷热端与冷端等尺寸恒定的情况下，增加冷端与热端之间的温度差异，判断最大温差情况下，对电流的影响系数，以此保证出现温差时，半导体制冷最佳特性不受影响。
2.半导体制冷热端散热方式研讨
基于半导体制冷最佳特性的分析结果，我们在研讨半导体制冷热端散热方式的时候，应该在综合考虑材料和工艺等因素的情况下，重点解决半导体制冷的散热问题，以此提高制冷的系数，使得半导体制冷的功能处于最佳状态。
2.1自然对流散热
这种散热方式，适用于小型半导体制冷器，利用空气自然对流的原理，以散热片作为热交换器进行对流散热，利用冷端吸热器和空气热交换吸收热量，再经各导热层，将热量传递给热端散热器，以保证制冷的效果。在设计散热器时，我们需要确定散热器与周围空气之间的允许温差、换热系数，以及散热器等的导热系数等，然后根据散热器散热总面积、制冷器传递给散热器总热量等参数，计算出空气自然对流时，对散热器散热面积的利用程度，以此规避受到其他外界因素的干扰。除此之外，散热片的水平放置、垂直向上放置和垂直向下放置等，均可能影响散热的效果，因此我们还可以通过散热器的放置方式调整，提高散热效果控制的自由度。
2.2强迫对流散热
在构建自然对流散热系统之后，在散热片的端部，安装轴流风机，以强迫通风的方式，提高对流换热的系数。强迫对流散热在同样的散热功率条件下，需考虑到散热片的结构尺寸、空气流速和表现粗糙度等，以及缩小散热的相对面积，并利用流体动力学模拟分析的方法，减少对流散热器的电阻，较为适用于小型空调器。关于强迫通风散热系统所构成的半导体制冷模块，包括轴流风机、被致冷件、散热器、热电制冷器等构件，均是提高对流换热系数等的关键。
2.3液体冷却散热
相比于自然风冷散热，水冷换热系数更大，正常情况下，环境温度低于25℃时，制冷系统的COP为0.6，相当于强制冷风COP的2倍。一般情况下，半导体制冷模块的水冷散热器热阻，与水流动速度具有直接关系，后者速度越快，则热阻越低。液体冷却散热，主要依靠循环回路，并将水箱分隔开，形成多个流道，当冷却水经过半导体芯片热端，吸收热量后再流经散热器进行散热。其中关于热端散热器的设置，配置有一定容积的水箱，在散热器的热阻降低到0.5k·kw-1，并且电流为2.5A时，水箱达到最低温度-20℃，此时的散热效果最好。值得注意的是，液体冷却散热对水质的要求比较高，如果发现水冷却面存在结垢，则要及时清理干净，否则会影响散热器的传热性能。
2.4相变散热
相变散热主要依靠相变材料的相态变化吸收热量，适用于配置热管的散热器，同样具有较好的散热效果。相变散热可在气流速度不变的情况下，在冷端利用热虹吸管换热器，为冷端提供储冷能力了，以避免在高峰负荷状态下冷量损失太大，以及在断电时，热端的热量原路传回冷端。关于相变散热的设计，需要通过数值模拟方法，根据不同的制冷工况，掌控散热器表面的温度场分布情况，以保证传热面的均匀性，将散热效果保持在最佳状态。
3.结束语
综上所述，半导体制冷技术，融合了多种热电效应，譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等，基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性，在研讨半导体制冷热端散热方式的时候，应该在综合考虑材料和工艺等因素的情况下，重点解决半导体制冷的散热问题，以此提高制冷的系数。[科]
【参考文献】
［1］杜芳莉,白大雨,房晓平.基于半导体制冷高效热回收装置的研究[J].西安航空学院学报,2014,(1):70-73.
［2］尹秀翠，邢世录，杨晓宏等.空气隙膜组件与半导体制冷的耦合设计与研究[J].膜科学与技术，2014，（1）:40-45.