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新型散熱器的研發及完成分析
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散熱結構的設計半導體制冷片冷端對像增強器陰極制冷,同時熱端會放出大量的熱。如果熱量無法順利散出,就會導...

新型散熱器的研發及完成分析

2013/3/19   本網原創   點擊數:

  散熱結構的設計半導體制冷片冷端對像增強器陰極制冷,同時熱端會放出大量的熱。如果熱量無法順利散出,就會導致半導體制冷片兩端的溫度同時上升,從而降低降噪的能力。在本文中,將采用散熱片加風冷的方式對半導體制冷片的熱端進行散熱。

  我們自行設計的微光像增強器系統正中間是必須通光的,而半導體制冷片也是環形的,因此考慮散熱片設計為如所示的梭型:散熱片結構示意圖為加工方便,所有的曲線均是規則的圓弧,中間的孔為通光的路徑,兩邊放置散熱風扇。除了焦耳熱,由于半導體材料兩端存在溫差,從熱電對的熱端還會傳遞一部分熱量至冷端:Qk=k(Th-Tc)式中k為熱電元件的總導熱系數。因此,電偶對的制冷量應為帕爾貼效應吸收的熱量減去一半的焦耳熱,再減去冷熱端之間的傳導熱,即:由上式,假設相對焦耳熱冷端吸熱量較少,為做近似,將其忽略,則溫差可由式表示:同理,電偶對的熱端發熱量為:所以熱端發熱量與冷端吸熱量之間正好相差焦耳熱I2R.當冷端吸熱較小或制冷片工作電壓較大時,可近似認為:Q=I2R(另外,加在半導體制冷片兩端的電壓不完全消耗在制冷片電阻的降壓上,其中有一小部分用于抵消溫差電動勢,由下式表示:仿真模型本文中采用COMSOL作為仿真工具,首先,建立模型。我們加上散熱片外端的圓柱型腔體殼,其兩側各有一個30×30mm的方形孔,用于放置散熱風扇,最外層是一個邊長為40cm的正方體空間,其間充滿了標準大氣壓的空氣。由于引入了散熱風扇,在x方向上引入了一定速度的空氣流動以接近實際效果。

  為確定公式的系數,我們對半導體制冷片性能進行了實測,并進行數據擬合。實測數據由所示。將半導體制冷片電壓從0V加至8V,假定空氣溫度為20℃,通過COMSOL軟件仿真半導體制冷片冷端的溫度變化情況。在給定制冷片工作電壓下,我們可以通過式計算其溫差ΔT,通過式計算電流I,通過式計算熱端放熱量Q,再通過COMSOL仿真得到散熱片溫度(即制冷片熱端溫度),兩者相減可得冷端溫度。COMSOL中需輸入的參數是單位面積的散熱功率,因此,Q最后還需除以環形半導體制冷片的面積0.0049m2。不同電壓下的電流和散熱量不同電壓下的溫差和冷熱端溫度通過可以得到冷、熱端的溫度隨半導體制冷1片工作電壓變化地曲線。

  隨著半導體制冷片工作電壓的增加而增加,但是增加的速度逐漸減小;另外,可以看出,當電流I增加的時候,熱端散熱量Q是成2次方增長趨勢的。結合以上兩點,在制冷片工作電壓較小時,熱端溫度上升得較慢,而溫差變化卻顯得很快,所以冷端的溫度也就呈下降趨勢;當制冷片工作電壓較大的時候,焦耳熱變得很明顯,熱端溫度上升得也越來越快,溫差也因為電流的變大而逐漸減小增加的速度,甚至有可能開始減小,這個時候,冷端的溫度又逐漸又開始回升。

  實驗結果及分析。在實際實驗中,對半導體制冷片施加不同的電壓,采用每隔一分鐘測量一個數據點,測量30分鐘的方法測量光陰極(半導體制冷片冷端)溫度的變化情況,制冷片冷端溫度與電壓的關系給半導體制冷片加上某一電壓時,其冷端溫度會迅速下降,繼而慢慢回升;另外,能達到的最低溫度也是逐漸下降的。但是散熱片散熱是一個過程,所以在半導體制冷片工作時,其熱端必然存在熱量的積聚,使得冷端溫度達到一個最低點后會有一定程度的反彈,隨著散熱片和周圍溫度達到一個熱交換平衡時,冷端的溫度才會趨于穩定。對于半導體制冷片兩端電壓為5V和6V的時候,就是這種情況,當散熱時間超過20min,冷端的溫度變化很小或者說已經基本不變了。

  對于一塊特定的散熱片,存在一個最大的散熱功率,當超過這一功率的時候,熱量便越積越多,溫度也持續上升。當半導體制冷片兩端電壓加至7V的時候,此時溫度回升的速度明顯超過了兩端電壓取5V和6V時候的溫度回升速度。當加熱至30min的時候,此時的溫度已經基本和同期半導體制冷片電壓為6V時的冷端溫度持平。此后也是持緩慢增長趨勢。而當電壓取8V時,溫度升高的速度更加明顯。

 



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