LED照明系统的半导体制冷散热设计.pdf

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太阳能LED照明系统的应用符合这一战略决策的发展趋势。然而,LED照明系统的发展在很大程度上受到了散热问题的影响。文章介绍了半
从而实现对目标的控制。基于ADUC824的半导体制冷控制原理框图如图2所示[]。 冷端 N型及 SS4一绝缘体 P型半导体 (陶瓷片 (碲化協 NIPINPIINIPINIP 金属导体 热端E 七扰电子开发网 直流电源 图2半导体制冷控制原理框图 2.3半导伓制冷系统的设计模型 由文章前面部分的分析可知:利用直流电通过N结就可以使热量由髙温物体传向低温 物体,改变电流的流向就可以很方便的实现制冷和制热的转換。用半导体制冷不用考虑因制 冷剂泄漏闻导致的环境污染问题,并且整个系统无焊接管路ε图3为半导伓制冷系统的模型 结构图。它是由许多N型和P型半导体颗粒互相排列而成,而N-P之间以一般的导体相连接 而形成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最后用两片陶瓷片夹起来。接通育流电源 后,电了由负极(-)出发,首先经过P型半导体,在此吸收热量,到了N型半导体,又将热量放出 炣经过一个N-P模组,就有热量由一边被送到另外一边,造成温差,从而形成冷热端。 3.半导体制冷系统的特性分析 3.1半导体制冷系统的优点 (1)尺寸小,重量轻,适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境 (2)不使用制冷剂,故无泄漏,对环境无污染。 (3)无运动部件,因而工作时无噪声,无磨损,寿命长,可靠性高。 (4)半导体制冷系统参数不受空间方向的影响,即不受重力场影响,在航天航空领域中 有广泛的应用。 (5)作用速度快,工作可靠,使用寿命长,易控制,调节方便,可通过调节工作电流大 小来调节制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的工作状态。 基于以上特点可将其应用于解决太阳能LED照明系统的散热问题。 3.2半导体制冷系统的工作特性 半导体制冷系统由热电堆、冷端换热器、热端换热器及控訇器组成,其中热电堆是制冷器件 由于热电堆是由多对电偶组成,且对电流而言,各电偶对是串联的;而对热流,各电偶对是 并联的。因此,分析热电堆的性能时,只需分析电偶对的制冷性能即可。一对电偶的制冷量 电压、输出功率和制冷系数分别为[2] Q=AT-K△T-IR/2(W)( V=IR+A△T NEWT wYw. 515ai fa, com =工R+AI△忧率时开发网8 4T-K△T-2R/2 I2R+4I△T 其中Q为电偶对的制冷量(W);Ⅰ为工作电流(A);K为电偶对的导热率(W/K);T为冷热端 温差(K);R为电偶对的电阻(g);A为电偶对的温差电势率(/K);Tc为电偶对冷端温度(K) 4.半导体制冷系统的散热效果 早在20世纪50年代就曾经掀起过一股半导体制冷热潮。但由于当时元件性能较差(即 制冷系数人低)而未能进入实用化[引]。半导体制冷材料和工艺是决定这一技术兴衰的关键, 主要是提高半导体材料的优值系数 优值系数Z是用来衡量半导体材料制冷性能的一个技术指标[6],它决定制冷元件所能 达到的最大温差。优值系数越高,制冷性能越好,效率也越高。优佰系数主要由半导体材料 的温差电刁势率a、半导体材料的总导热系数k、电阻率r等参数决定,其公式为:=k 随着载流子浓度的増人,温差电动势率α减小,而电阻率r也减小,总导热系数k与 载流子浓度,使Z达到最大。当载流孑浓度接近1019cm-3时,半导体材料的优值系数最高。 半导体材料的优值系数Z是一个随温度而改变的函数,所以选择半导体材料时不仅要求 其优值系数要尽可能大,而且还要求在使用温区内优值系数变化不大,且能始终保持较高值, 并满足杋械强度、耐热冲击、可焊接性及材料来源和造价等方面的要求。尽量釆用性价比较 高的半导体材料来提高制冷能力。 5.仿真实验 实验器材主要用:半导体制冷系统、太阳能LED照明系统、控制器、隔热板、温度传感 器、温度采集仪器、计算机、导热砷胶等。 实验步骤和方法:将半导体制冷系统的冷端安装在太阳能LED照明系统内,把热端放在 照明系统外部,使得它能与外部环境直接接触。再在照明系统的内部安置一个温度传感器, 控制器和温度采样伩器π以通过温度传感器实时得到照明系统内部的温度。最后,将安装好 导体制冷系统和温度传感器的照明系统密闭好,目的是使其不受外界温度影响。如图4 所示,为该仿真实验的系统图 先让照明系统工作30分钟,测得内部温度为69.3℃,这时让半导体制冷系统开始工作 经过15分钟的制冷,发现照明系统内部的温度降为39℃。实验证明,半导体制冷系统能很 好地解决太阳能LED照明系统的散热问题 蓄电池 电池板 太阳能LED照明 www.51kaifa.rc 系统 玩忧电子开发限 控制器 半导体制 冷系统 温度传 感器 计算机实时显示 温度采样仪器 图4实验系统图 6.结论 在过去的几十年里,半导体制冷材料及其器件的研究取得了很人的进展,该技术的商品化 直成为世界共冋探讨的课题。要想制造岀性能优良的半导体制冷组件,制冷材料必须只有较 髙的优值系数(Z)。目前世界上较髙的Z值的半导体制冷材料是Bi2Te3合金。最近,在半导 体制冷领域,世界上出现了对两种新犁半导体制冷材料及其器件的研究热潮,并取得了一定 的进展,使这一项技术得以商品化。 本文作者创新点:当前,太阳能LED照明系统的发展在很大程度上受到了散热问题的影 响,将半导体制冷技术应用到解决这个问题上是一个独创的新思想。经过理论论证和多次的 实验,这项技术的应用将越来越成熟。

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2019-09-05
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