半导体制冷的热管式散热器传热研究

    半导体制冷技术是随半导体技术发展而发展起来的一项新型制冷技术,与常规的压缩制冷相比较,具有质量轻、尺寸小、无转动部件、可靠性高和维护方便等优点.

    半导体制冷器件是一种高热流密度固体器件组件,半导体制冷过程相对较为简单,从半导体制冷组件的冷端(即吸热段)吸收的热量,通过电偶转移到热端(即散热 段),由安装在热端面上的散热器将热量散掉.这一过程的制冷系数η主要取决于选取合适的冷、热端面的温差及冷、热端面的散热、吸热方式.在这里主要研究散 热段采用热管的传热问题.

    热管是一种新型的具有高导热性能的传热元件[1],利用热管技术制成的热管式散热器,可以发挥热管的高传热性能,获得较大的有效散热面积,且具有重量轻、热阻小,比常规的铝挤压成形翅片式散热器散热效率高的优点.

    1 热管式散热器的传热特性

    1.1 热管式散热器的传热模型

    半导体制冷组件热管式散热器的结构形式如图1所示.热管的热端外部处于恒热流密度导热边界条件;热管的冷段外部处于强迫对流换热边界条件,其端部为绕平板 强迫对流换热,侧面为绕流螺旋翅片管强迫对流换热.热管内部为工质的相变传热,传热热阻很小,处于等温状态.假定:

    1)端面传热 由于厚度较薄,沿厚度方向传热远大于沿长宽方向的传热,可视为稳态大平壁传热.

    2)侧面传热 由于管壁较薄,沿径向传热远大于沿管长方向的传热,可视为稳态长圆筒壁带环状翅片传热.

    传热数学模型可表述为

    热管热端(见图2)

    式中,T为温度;A_h为热管热端面积;h_h为热管内沸腾换热系数;δ为平壁厚度;Q_h为热管热端输入功率;x为直角坐标系自变量;k为铝导热系数.

    热管冷段:可分为两部分,一是端面作为大平壁传热,二是侧面作为长圆筒壁带环状翅片传热.

    大平壁传热(见图3)

    式中,Ac热管冷端面面积.

    长圆筒壁带环状翅片传热(见图4)

    式中,Ae为热管冷侧面有效面积;Acp为热管冷侧光管面积;η_fc为环状翅片效率;A_fc为热管冷侧翅片面积;r为柱坐标系自变量.热平衡方程

    式中,Q_c2为热管散热器侧面散热功率;Q_c1为热管散热器端面散热功率;Q_cp为热管散热器散热功率; Q_in为半导体制冷组件输入功率; Q_re为半导体制冷组件制冷量.