隨著(zhù)電子集成技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件也朝著(zhù)小型化、輕量化、智能化方向邁進(jìn)。然而，集成電子器件的小型化在增加功率密度的同時(shí)其散熱量也越來(lái)越大，傳統的冷卻技術(shù)已很難滿(mǎn)足其冷卻要求，所以研究高熱流密度的電子元件散熱尤為重要。本文提出一種風(fēng)冷散熱方法，即在半導體制冷技術(shù)的基礎上，結合泡沫金屬散熱器，設計制冷系統并通過(guò)實(shí)驗模型對其制冷效果進(jìn)行測試。 
　　1、理論基礎與實(shí)驗裝置 
　　半導體制冷片是一個(gè)熱傳遞工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成的熱電偶對中有電流通過(guò)時(shí)，兩端之間就會(huì )產(chǎn)生熱量轉移，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻，當電流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量，影響熱傳遞。兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì )通過(guò)空氣和半導體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，兩種熱傳遞的量相等時(shí)，正逆向熱傳遞相互抵消，此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì )繼續發(fā)生變化。因此為了達到更低的溫度，可采取散熱等方式降低熱端溫度。 
　　泡沫金屬是孔隙度達到90%以上，具有一定強度和剛度的多孔金屬材料。這類(lèi)金屬材料透氣性高，孔隙表面積大，材料容重小。當氣流穿過(guò)時(shí)擁有較大接觸面積，利于換熱。 
　　制冷由半導體制冷片實(shí)現，考慮到半導體制冷片冷面與散熱對象不能直接接觸，且冷面的冷量向空氣的自然對流傳熱效果不顯著(zhù)，故將其貼于泡沫金屬表面，增加換熱面積，達到強化冷量交換效果。制冷半導體和泡沫金屬之間由硅脂粘結，減小接觸熱阻。部分氣流帶走冷量，形成冷風(fēng)并對目標散熱，熱面也同樣由氣流帶走熱量排入環(huán)境。 
　　實(shí)驗用交叉連接雙風(fēng)道，其中一個(gè)用于導出冷風(fēng)，一個(gè)用于導出熱風(fēng)。在冷熱風(fēng)道入口各對接風(fēng)機以提供氣流，并在加工風(fēng)道時(shí)留下必要的測量空、安裝孔等。 
　　制冷半導體通電時(shí)產(chǎn)生溫差，經(jīng)過(guò)冷面的空氣流被冷卻成為冷風(fēng)，經(jīng)過(guò)熱面的空氣流對其降溫并由熱風(fēng)道排出。熱面溫度越低，冷面溫度則越低，冷卻效果越好。冷風(fēng)道出口處布有4個(gè)對稱(chēng)溫度測點(diǎn)（實(shí)驗中記為T(mén)5，T6，T7，T8，單位℃），4個(gè)風(fēng)溫計對稱(chēng)布置測出口風(fēng)溫，而進(jìn)口風(fēng)溫由環(huán)境溫度確定。安置風(fēng)速儀進(jìn)行出口處風(fēng)速測量。另外與半導體冷面接觸的泡沫金屬表面布置中心對稱(chēng)的4個(gè)測點(diǎn)，將4個(gè)熱電偶點(diǎn)焊在銅板上，用于測量泡沫金屬底面所焊銅板溫度，通過(guò)吉士利數據采集系統進(jìn)行采集，采集100次，并分別取平均（實(shí)驗中記為T(mén)1，T2，T3，T4，單位℃），用于計算制冷的相對換熱系數。 
　　此模型的冷風(fēng)道溫度場(chǎng)數值模擬結果：環(huán)境溫度為298K（25℃），其中在400mm*100mm*40mm的模擬冷風(fēng)道內，半導體制冷片工作在12V，6A的額定條件下，泡沫金屬材料為銅，尺寸為100mm*100mm*40mm，且為5個(gè)ppi。從結果中可以肯定制冷的理論效果。 
　　2、實(shí)驗過(guò)程 
　　2.1實(shí)驗器材 
　　有機玻璃交叉風(fēng)道1個(gè)，全銅芯80W調速離心風(fēng)機2個(gè)，制冷半導體（額定工作條件12V，6A）50mm*50mm個(gè)，電子風(fēng)速儀2個(gè)，電子風(fēng)溫計4支，玻璃溫度計1支，銅質(zhì)泡沫金屬若干，PC機，銅康銅熱電偶，冰瓶，吉士利2700數據采集系統，數據采集卡，線(xiàn)性穩壓電源等。 
　　2.3實(shí)驗步驟 
　　按設計搭建試驗臺，讀取室溫Ts（℃），為26.5℃。 
　　風(fēng)機由220V電源帶動(dòng)，制冷半導體由線(xiàn)性穩壓電源供電，風(fēng)速儀分別位于冷、熱風(fēng)道出風(fēng)口處，測得風(fēng)速V1（m/s），V2（m/s）。 
　　保持熱風(fēng)道風(fēng)機風(fēng)速V2不變，調節制冷半導體的工作電壓U或電流I，調節冷風(fēng)道風(fēng)機風(fēng)速V1，依次讀取T1～T8；再改變V2，調節制冷半導體的工作電壓或電流，調節冷風(fēng)道風(fēng)機風(fēng)速V1，依次讀取T1～T8；如上重復，其中V2分別為0.5m/s，1.0m/s，2.0m/s，3.0m/s，4.0m/s，V1分別為0.5m/s，1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，3.5m/s，4.0m/s，（U，I）分別為（1.4V，1.0A），（3.1V，2.0A），（46V，3.0A），（6.3V，4.0A），（8.2V，5.0A）.. 
　　冷風(fēng)道出口平均溫度Tb=（T5+T6+T7+T8）/4，半導體冷面接觸的泡沫金屬底面銅板平均溫度Ta=（T1+T2+T3+T4）/4；由公式h*ΔTa*S=Q=Cp*（m/t）*ΔTb，計算制冷功率Q及相對換熱系數h，其中等式左邊為冷面換熱功率，右邊為由空氣冷卻算出的制冷功率。S–泡沫金屬底面面積，ΔTa=Ts-Ta，h為以S為換熱面積的實(shí)際換熱系數，Cp為空氣室溫下比熱，取1.004KJ/ 
　　從圖2～圖4中得出，隨著(zhù)冷風(fēng)道風(fēng)速越低，出口風(fēng)溫越低，冷卻效果越好。制冷片功率的越高，冷風(fēng)道出口風(fēng)溫越低，但當功率達到實(shí)驗最大時(shí)冷風(fēng)道出口風(fēng)溫又會(huì )升高，因為熱面的散熱條件有限，溫度升高，冷面的溫度也相應回升。 
　　由于實(shí)驗受儀器、環(huán)境等影響，曲線(xiàn)雖有一定波動(dòng)，但總體結論為隨熱風(fēng)道風(fēng)速V2的上升，冷風(fēng)道出口風(fēng)溫Tb下降，冷卻效果好。 
　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗數據計算，可得到以S為換熱面積的冷面實(shí)際換熱系數h，制冷功率Q，制冷半導體功率W。對數據分析得知，當僅改變冷風(fēng)道出口風(fēng)速流量，即q增大，則出口風(fēng)溫上升，制冷功率Q上升；當僅改變冷半導體功率，即W增大，則出口風(fēng)溫下降，制冷功率Q上升；當僅改變熱風(fēng)道風(fēng)速，即V2增大，則出口風(fēng)溫下降，制冷功率Q上升。以S為換熱面積的冷面實(shí)際換熱系數h，h隨V1增大而增大，隨V2增大而增大；但當制冷半導體功率W增大，h逐漸減小。 
　　實(shí)驗中制冷功率Q最高值是在V2=3m/s，U=6.3V，I=4A，V1=4m/s狀態(tài)下測得，證明制冷功率需綜合考慮散熱條件是否滿(mǎn)足所對應功率、氣流質(zhì)量流量大小、散熱風(fēng)速等各種因素。 
　 3、結論 
　　本文設計了運用泡沫金屬半導體制冷系統的實(shí)驗原型，根據實(shí)驗效果，統計分析數據，得出如下結論： 
　?。?）相同情況下，冷風(fēng)風(fēng)速越低，出口風(fēng)溫越低；制冷半導體電功率越高，出口風(fēng)溫越低；熱風(fēng)道風(fēng)速上升，冷風(fēng)道出口風(fēng)溫下降。 
　?。?）相同情況下，冷風(fēng)道出口風(fēng)速增大，出口風(fēng)溫上升，制冷功率Q上升；冷半導體功率W增大，出口風(fēng)溫下降，制冷功率上升；熱風(fēng)道風(fēng)速增大，出口風(fēng)溫下降，制冷功率上升。 
　?。?）以S為換熱面積的冷面實(shí)際換熱系數h隨V1增大而增大，隨V2增大而增大；制冷半導體功率增大，h逐漸減小。 
　?。?）對于較低制冷功率，可選擇較低的冷風(fēng)風(fēng)速，較高的熱風(fēng)風(fēng)速和電功率；對于較高制冷功率，則選擇較高的冷風(fēng)風(fēng)速及熱風(fēng)速，較高電功率。