基于ANSYS Workbench軟件的半導(dǎo)體制冷器性能模擬研究

武衛(wèi)東,　申　瑞,　姜同玲,　于子淼

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海　200093)

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基于ANSYS Workbench軟件的半導(dǎo)體制冷器性能模擬研究

武衛(wèi)東,申瑞,姜同玲,于子淼

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海200093)

摘要：利用ANSYS Workbench數(shù)值模擬軟件研究了輸入電壓、熱端溫度、半導(dǎo)體單元屬性、半導(dǎo)體電偶臂及級間絕緣材料屬性等因素對二級半導(dǎo)體制冷器冷端溫度、冷端冷量及制冷系數(shù)等性能的影響.研究表明:在一定范圍內(nèi),保持半導(dǎo)體制冷器熱端溫度不變,冷端溫度隨著輸入電壓的增大而遞減;保持輸入電壓不變,冷端溫度隨著熱端溫度的升高而遞增;保持輸入電壓和熱端溫度不變,冷端冷量隨著冷端溫度的升高而遞增;在冷端溫度、熱端溫度一定時,制冷系數(shù)ε隨著輸入電壓的增大而迅速減小;半導(dǎo)體單元高度的增加和單元間距的減小都可以使冷端達(dá)到更低溫度;隨著半導(dǎo)體電偶臂及級間絕緣材料屬性即熱導(dǎo)率、高度的增加,冷端溫度均呈遞增趨勢.模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比顯示,兩者具有較好的吻合性.

關(guān)鍵詞：ANSYS Workbench軟件; 半導(dǎo)體制冷器; 性能; 數(shù)值模擬; 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

半導(dǎo)體制冷也稱為溫差電制冷或者熱電制冷,是建立在珀?duì)柼?yīng)基礎(chǔ)上的制冷技術(shù)[1].同常規(guī)的壓縮式制冷方式相比,它具有噪聲低、壽命長、易于微型化及反應(yīng)敏捷等優(yōu)勢[2].

對不同型式的半導(dǎo)體制冷器的相關(guān)性能進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)往往需要較大的人力和物力,尤其對于結(jié)構(gòu)和工藝相對復(fù)雜的多級半導(dǎo)體制冷器,具有一定的難度和復(fù)雜性.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日臻成熟,人們開始著手利用功能全面的模擬軟件對半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模與優(yōu)化.許多學(xué)者選擇從傳熱學(xué)與熱力學(xué)角度進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬研究.吳麗清等[3]利用非平衡態(tài)熱力學(xué)理論對包含3種熱電效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器件建立了模型,發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體的實(shí)際循環(huán)中湯姆遜效應(yīng)是不可忽視的.黃煥文等[4]運(yùn)用ANSYS軟件對風(fēng)冷式半導(dǎo)體制冷器散熱片的翅片長度、底座厚度等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).王太峰等[5]研制了一種主要用于血液保存的半導(dǎo)體制冷保溫容器的制冷系統(tǒng),通過對其不同工作電壓、環(huán)境溫度及外部散熱條件的研究,找出了影響半導(dǎo)體制冷性能的主要因素.Cheng等[6]分別用三維建模和實(shí)驗(yàn)的方法研究了半導(dǎo)體制冷器的輸入電流、熱電元件高度等參數(shù)對制冷器性能的影響.同時針對半導(dǎo)體熱電臂進(jìn)行了三維建模,對其瞬態(tài)傳熱特性進(jìn)行了理論分析.趙舉等[7]運(yùn)用ANSYS軟件在3種工況下,對4種熱電制冷器的熱電距離和外界環(huán)境對熱電制冷器制冷溫度的影響進(jìn)行了模擬分析,并用實(shí)驗(yàn)的方法對比了不同工況和不同散熱溫度下的模擬結(jié)果.安景飛[8]用ANSYS軟件模擬介質(zhì)熱阻、冷熱端溫差對半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的影響,總結(jié)了介質(zhì)熱阻和冷熱端溫差半導(dǎo)體制冷的影響并提出了優(yōu)化建議.趙舉等[9]運(yùn)用ANSYS軟件模擬研究了四級熱電制冷器的制冷溫度,結(jié)果表明,受環(huán)境溫度的影響,熱電制冷器的制冷溫度隨著熱端溫度的升高而增高且隨著熱電對高度增高而降低,因此,必須保證熱端散熱良好.Hwang等[10]分別用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究了六級平板型半導(dǎo)體制冷器,將其利用在MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))裝置的冷卻方面,在68mW的負(fù)荷下得到了51K的溫差.Antonova等[11]利用ANSYS軟件主要對單級半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行了模擬,最新的熱電模塊集成了焦耳熱、電效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng),發(fā)現(xiàn)單級半導(dǎo)體制冷器模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本吻合.近年來出現(xiàn)的ANSYSWorkbench軟件平臺可以精確地簡化各種仿真應(yīng)用的工作流程,整個過程都以圖形的形式一目了然且操作過程更為簡便.然而,目前尚鮮有文獻(xiàn)報(bào)道基于ANSYSWorkbench軟件對多級半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行數(shù)值模擬研究.

半導(dǎo)體制冷器的冷端溫度、冷端冷量是衡量半導(dǎo)體制冷性能的重要指標(biāo).影響半導(dǎo)體制冷性能的因素包括外界因素和內(nèi)部因素.外界因素包括:輸入電壓、熱端溫度和換熱條件.內(nèi)部因素包括:N型、P型半導(dǎo)體單元屬性,如N型、P型半導(dǎo)體熱導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)，N型、P型半導(dǎo)體單元高度和間距;半導(dǎo)體制冷器其他配件屬性,如半導(dǎo)體電偶臂屬性、級間導(dǎo)熱絕緣材料屬性.

本文考慮以上多種不同的影響因素,基于ANSYSWorkbench軟件中電磁場分析的一個子模塊即熱電模塊,對二級半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行了建模與數(shù)值模擬,同時,將模擬結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析.在此基礎(chǔ)上總結(jié)分析了各因素對二級半導(dǎo)體制冷性能影響的一般規(guī)律,研究結(jié)果對二級半導(dǎo)體制冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)作用.

1半導(dǎo)體制冷器數(shù)值模擬方法

將第二級半導(dǎo)體熱端貼于第一級半導(dǎo)體冷端,則第一級冷端相當(dāng)于第二級的散熱器,便可制作成二級半導(dǎo)體制冷器.ANSYS14.5軟件中的熱電模塊可以耦合熱場和電場.本文采用ANSYS14.5Workbench對二級半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行模擬分析,模擬參數(shù)包括:輸入電壓、熱端溫度、半導(dǎo)體單元屬性、半導(dǎo)體電偶臂屬性和級間導(dǎo)熱絕緣材料屬性.數(shù)值模擬分析過程如下:

a. 將[Thermal-Electric]模塊導(dǎo)入項(xiàng)目流程圖中.

b. 定義模型材料的工程數(shù)據(jù),需定義熱電材料的屬性,如電阻率和熱導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)等,熱電制冷堆模型還需定義級間絕緣導(dǎo)熱層和導(dǎo)線的屬性,如電阻率和熱導(dǎo)率.

c. 導(dǎo)入三維幾何模型.采用AutoCAD建立三維幾何模型,然后將三維模型另存為SAT格式,將二級半導(dǎo)體制冷器模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中.圖1(a)為所建的二級半導(dǎo)體制冷器CAD三維幾何模型,模型模擬基本公式如表1所示.

d. 定義零件行為.

e. 定義連接關(guān)系，接觸關(guān)系應(yīng)考慮熱電效應(yīng).

f. 劃分網(wǎng)格.

g. 建立分析設(shè)置.包括:(a)步長控制[Stepcontrols];(b)采用非線性控制[NonlinearControls],從而可以控制電壓和電流收斂,熱量和溫度收斂,對應(yīng)的非線性算法采用默認(rèn)[Quasi]選項(xiàng);(c)輸出控制[OutputControls],用來定義需要輸出的時間點(diǎn);(d)求解器[SolverControls],其默認(rèn)是直接法(稀疏求解器).

h. 施加載荷和約束,本模擬主要包括電壓、電流、溫度、熱對流、熱輻射及完全絕熱邊界等.

i. 求解.

j. 查看結(jié)果,以云圖的形式顯示熱場及電場的模擬結(jié)果,從圖1中可以直觀地看出溫度分布及電壓分布及冷端冷量分布等.圖1(b)—1(e)為模擬后的溫度、電壓、冷量、熱量、熱端熱量的結(jié)果圖.

表1　半導(dǎo)體制冷器模擬基本公式

Th,Tc分別為半導(dǎo)體制冷器的熱端和冷端溫度,K;

αN,αP分別為N型、P型半導(dǎo)體溫差電動勢率,即P型半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù),V/K;

K為半導(dǎo)體的總熱導(dǎo)率,W/(m·K);

I為通過半導(dǎo)體制冷器的電流,A;

R為半導(dǎo)體制冷器的電阻,Ω.

圖1　模擬的幾何模型圖和結(jié)果云圖

2半導(dǎo)體制冷器的數(shù)值模擬與分析

2.1數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,搭建了二級半導(dǎo)體制冷器性能測試實(shí)驗(yàn)臺,如圖2所示(見下頁).

實(shí)驗(yàn)中采用昆晶冷片(深圳)有限公司生產(chǎn)的二級半導(dǎo)體,其最大輸入電壓為4V.電壓輸入控制模

圖2　二級半導(dǎo)體制冷器性能測試實(shí)驗(yàn)臺

塊采用NFEC1000S型號的可編程直流/交流電源,直流輸出范圍為-190～+190V,精度為1 %.絕熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用導(dǎo)熱性極低的珠光砂,其導(dǎo)熱系數(shù)為0.022～0.025W/(m·K).熱端散熱采用水冷散熱器模塊,通過控制循環(huán)冷卻水的溫度來間接控制熱端溫度,其中,冷卻水回路由上海越平科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的恒溫槽提供,可以提供-5 ～+100 ℃的恒溫環(huán)境.在實(shí)驗(yàn)中,溫度作為主要測量參數(shù).數(shù)據(jù)采集模塊主要由數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶和計(jì)算機(jī)組成.數(shù)據(jù)采集儀采用美國安捷倫公司生產(chǎn)的Agilent34970A;熱電偶采用上海大華-千野儀表有限公司生產(chǎn)的T型熱電偶,精度為±0.5 ℃,電偶絲直徑為0.2mm,其正極材料為純銅,負(fù)極材料為60 %銅和40 %鎳的合金,并經(jīng)二級標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)在恒溫槽上標(biāo)定.

在保證實(shí)驗(yàn)工況與模擬參數(shù)完全相同的情況下,分別進(jìn)行不同輸入電壓與熱端溫度下半導(dǎo)體制冷器冷端溫度變化的實(shí)驗(yàn)測量和模擬研究,并將兩者結(jié)果進(jìn)行對比,以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性.圖3和圖4分別顯示了冷端溫度隨著輸入電壓和熱端溫度變化的模擬與實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果(分絕熱與室溫23.5 ℃兩種情況).

將圖3和圖4中模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn),無論是在絕熱條件還是室溫條件下,兩者均具有相同的變化趨勢,且吻合性較好.室溫條件下實(shí)驗(yàn)的冷端溫度略高于模擬計(jì)算的結(jié)果(兩者平均誤差在1.54 ℃),這是因?yàn)槟M時熱端溫度為恒定值,而實(shí)驗(yàn)條件下熱端溫度是按循環(huán)冷卻水溫度近似取值的,傳熱溫差的存在使得實(shí)驗(yàn)時熱端溫度略高于模擬設(shè)定值,從而導(dǎo)致相應(yīng)誤差;而絕熱條件下實(shí)驗(yàn)的冷端溫度與模擬的結(jié)果相比偏差較大(兩者平均誤差有3.72 ℃),這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時的絕熱條件沒有模擬條件好.

圖3　　　　冷端溫度隨著輸入電壓的變化(模擬和實(shí)驗(yàn)時都

Fig.3Changesofcoldendtemperaturewiththeinput

voltage(thehotendtemperatureofthe

semiconductoriscontrolledat8 ℃)

圖4　　　　冷端溫度隨著熱端溫度的變化(模擬和實(shí)驗(yàn)時都

Fig.4Changesofcoldendtemperaturewiththehot

endtemperature(thesemiconductorinput

voltageiscontrolledto4V)

綜上分析可見,本文數(shù)值模擬方法所得結(jié)果基本是可信的,可以用來模擬半導(dǎo)體制冷器的相關(guān)性能.基于此,本文在研究了外部條件對半導(dǎo)體制冷器性能影響的基礎(chǔ)上,還模擬研究了內(nèi)部因素,如N型、P型半導(dǎo)體單元屬性及其配件屬性對半導(dǎo)體制冷器性能的影響.

2.2外部條件對半導(dǎo)體制冷性能的影響

影響半導(dǎo)體制冷性能的外界條件包括:輸入電壓、熱端溫度和換熱條件.

從圖3可以看出,在絕熱和室溫兩種條件下,冷端溫度都是隨著輸入電壓的增大而逐漸降低,且冷端溫降逐漸趨于平緩.在相同條件下,絕熱的冷端溫度低于室溫時的冷端溫度,在輸入電壓為4V時,模擬的絕熱和室溫情況下的最低冷端溫度分別達(dá)到-62.3,-37.6 ℃.絕熱時的冷端溫度明顯低于室溫時的冷端溫度,這是因?yàn)槭覝貤l件下半導(dǎo)體制冷器冷端與外界環(huán)境存在熱量交換,此時相當(dāng)于有冷量存在.

從圖4可以看出,輸入電壓保持不變時,隨著熱端溫度的上升,半導(dǎo)體冷端溫度逐漸升高.這主要是由于熱端溫度升高時,熱電堆需要克服的不可逆因素增大,其制冷溫度必然隨之升高.從模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出,隨著熱端溫度的上升,半導(dǎo)體冷熱端溫差也在逐漸增大;在相同熱端溫度下,同樣由于半導(dǎo)體制冷器冷端與外界環(huán)境存在熱量交換,室溫條件下(相當(dāng)于有冷量存在)的冷端溫度明顯高于絕熱條件下的冷端溫度.

在實(shí)際應(yīng)用中,除了要考慮冷端溫度外,冷端冷量和制冷系數(shù)也是非常重要的性能指標(biāo).圖5和圖6分別為不同輸入電壓和冷端溫度對應(yīng)冷端冷量和制冷系數(shù)的模擬結(jié)果.

圖5　冷端冷量隨著輸入電壓與冷端溫度的變化

圖6　制冷系數(shù)隨著輸入電壓和冷端溫度的變化

從圖5可以看出,熱端溫度恒定時,在半導(dǎo)體輸入電壓相同的情況下,冷端冷量隨著冷端溫度的降低而遞減,這符合熱力學(xué)第一定律,因?yàn)?原本用于冷端冷量的部分能量被用來降低冷端溫度,這就導(dǎo)致冷端冷量的降低.同時,在獲得的冷端溫度固定時,冷端冷量隨著輸入電壓的增大而增大(且增大趨勢在放緩),這主要是因?yàn)殡S著輸入電壓的增大,半導(dǎo)體工作性能得到提升,從而得到的冷端冷量更大.

從圖6中可以看出,在冷端溫度、熱端溫度一定時,制冷系數(shù)ε隨著輸入電壓的增大而迅速減小(輸入電壓增大導(dǎo)致輸入功率增大),且減小趨勢在逐漸放緩;而在輸入電壓一定時,制冷系數(shù)ε隨著冷端溫度的減小而減小.由此可見,并不是輸入電壓越大、冷端溫度越低就越好,輸入電壓的增大或者冷端溫度的降低都會使整個二級半導(dǎo)體制冷器的制冷效率降低,所以，設(shè)計(jì)時應(yīng)在滿足實(shí)際工況要求的前提下,注意選擇合適的輸入電壓和冷端溫度.

2.3N型、P型半導(dǎo)體單元屬性的影響

N型、P型半導(dǎo)體單元屬性指的是N型、P型半導(dǎo)體熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)等物性參數(shù),以及其高度和相鄰半導(dǎo)體間距等幾何參數(shù).現(xiàn)通過改變以上參數(shù),對半導(dǎo)體制冷器的冷端溫度進(jìn)行模擬.其中,輸入電壓控制為2V,熱端溫度控制為8 ℃,冷端保持絕熱.在模擬過程中,采用控制變量法,相關(guān)的物理量參數(shù)為:熱導(dǎo)率KN=1.3W/(m·K),KP=1.2W/(m·K),塞貝克系數(shù)αN=1.7×10-4V/K,αP=2.1×10-4V/K,半導(dǎo)體高度H=1.1×10-3m,相鄰半導(dǎo)體間距L=1.1×10-3m.

2.3.1N型、P型半導(dǎo)體熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)對冷端溫度的影響

冷端溫度隨著N型、P型半導(dǎo)體熱導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)的變化分別如圖7和圖8所示(見下頁).

從圖7和圖8可以看出,隨著N型、P型半導(dǎo)體熱導(dǎo)率KN,KP的增大與塞貝克系數(shù)αP,αN的增大,半導(dǎo)體冷端溫度均呈遞減趨勢.這可以由半導(dǎo)體的優(yōu)值系數(shù)Z來解釋.熱電材料的優(yōu)值系數(shù)Z是表征熱電性能的主要指標(biāo),其值決定了半導(dǎo)體制冷器所能達(dá)到的最大溫差.據(jù)半導(dǎo)體優(yōu)值系數(shù)的推導(dǎo)公式Z=(αP-αN)2/(RK)=4α2/(RK)(其中,αp=-αN=α;K為熱導(dǎo)率,W/(m·K);R為半導(dǎo)體制冷器的電阻,Ω)[1]可知,熱導(dǎo)率的減小與塞貝克系數(shù)的增大都會使半導(dǎo)體優(yōu)值系數(shù)增大,而優(yōu)值系數(shù)的大小決定了半導(dǎo)體的制冷性能及所能達(dá)到的最大溫差,優(yōu)值系數(shù)越大,半導(dǎo)體制冷所能達(dá)到的最大溫差越大.在熱端溫度保持不變時,冷熱端溫差越大，則冷端溫度越低.

圖7　冷端溫度隨著N型、P型半導(dǎo)體熱導(dǎo)率的變化

圖8　冷端溫度隨著N型、P型半導(dǎo)體塞貝克系數(shù)的變化

2.3.2N型、P型半導(dǎo)體單元高度和間距對冷端溫度的影響

如圖9為冷端溫度隨著N型、P型半導(dǎo)體的高度和間距的變化情況.從圖9可以看出,隨N型、P型半導(dǎo)體單元高度H的增大,冷端溫度逐漸降低,其主要原因是,隨著高度H的增大,半導(dǎo)體電阻R將會增大,從而引起半導(dǎo)體制冷裝置的焦耳熱增大,同時熱端到冷端的有害熱傳導(dǎo)會減小.從模擬結(jié)果可以看出,冷端溫度降低，說明熱電堆的有害熱傳導(dǎo)的減少量大于焦耳熱的增加量.但從圖9中可以看出,隨著高度H的逐漸增加,冷端溫度變化曲線逐漸趨于平緩,綜合考慮尺寸、經(jīng)濟(jì)性及性能等多方面因素,N型、P型半導(dǎo)體應(yīng)有一個最佳高度.

從圖9中還可以看出,隨著N型、P型半導(dǎo)體單元間距從9×10-4m增加到13×10-4m時,半導(dǎo)體冷端溫度呈遞增趨勢,但變化范圍較小.事實(shí)上,由于此處換熱條件為絕熱,即使間距增大,也不存在任何對流和輻射換熱損失.而冷端溫度之所以有小幅上升,主要是因?yàn)殚g距的增大使得連接N型、P型半導(dǎo)體的銅塊變長,從而使半導(dǎo)體制冷器電阻增加,熱能損耗增加,因此,用于冷端制冷的有效能相應(yīng)減少.

圖9　冷端溫度隨N型、P型半導(dǎo)體高度和間距的變化

2.4半導(dǎo)體電偶臂屬性的影響

電偶臂屬性包括電偶臂熱導(dǎo)率K2和高度H2兩方面.為探討半導(dǎo)體電偶臂熱導(dǎo)率和高度的變化對冷端溫度的影響,模擬時保持半導(dǎo)體輸入電壓2V,熱端溫度8 ℃,冷端保持與外界環(huán)境絕熱,分別改變電偶臂屬性,對半導(dǎo)體制冷器的冷端溫度進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖10所示.

圖10　冷端溫度隨電偶臂熱導(dǎo)率和高度的變化

在探究電偶臂熱導(dǎo)率對冷端溫度的影響時,電偶臂高度保持在0.7×10-3m不變,改變電偶臂(如銅塊)熱導(dǎo)率分別為300,350,400,450,500W/(m·K).從圖10可以看出,隨著電偶臂熱導(dǎo)率的增加,半導(dǎo)體冷端溫度呈遞增趨勢,這主要是因?yàn)殡娕急蹮釋?dǎo)率的增加使半導(dǎo)體熱端熱量更容易傳遞給冷端,冷端吸收熱端熱量后溫度升高.另外,電偶臂熱導(dǎo)率雖有近70%的提高,但冷端溫度增加幅度相對較小,這說明熱端通過電偶臂傳遞給冷端的熱量較小.由此可見,電偶臂熱導(dǎo)率的大小對半導(dǎo)體制冷性能的影響較小.

在探究電偶臂高度對冷端溫度的影響時,電偶臂熱導(dǎo)率保持在400W/(m·K)不變,改變電偶臂高度分別為0.5×10-3,0.6×10-3,0.7×10-3,0.8×10-3,0.9×10-3m.同樣,從圖10可以看出,在0.5×10-3～0.9×10-3m范圍內(nèi),隨著電偶臂高度的增加,半導(dǎo)體冷端溫度呈遞增趨勢,但變化范圍也比較小.這主要是因?yàn)殡娕急鄹叨鹊脑黾邮蛊潆娮柙黾?從而使得整個半導(dǎo)體制冷裝置的電阻增加.在輸入電壓保持2V不變的情況下,增加的電阻將“消耗”部分電能,用于冷端制冷的有效能將有所下降,從而使冷端溫度出現(xiàn)小幅上升.

2.5級間導(dǎo)熱絕緣材料屬性的影響

級間導(dǎo)熱絕緣材料屬性包括級間導(dǎo)熱絕緣材料熱導(dǎo)率K3和高度H3兩方面.保持半導(dǎo)體輸入電壓2V,熱端溫度8 ℃,冷端與外界環(huán)境絕熱.將級間導(dǎo)熱絕緣材料(如氧化鋁陶瓷)高度控制在0.5×10-3m,在熱導(dǎo)率分別為25,30,35,40,45W/(m·K)的條件下,以及級間導(dǎo)熱絕緣材料熱導(dǎo)率控制在35W/(m·K),高度分別為0.3×10-3,0.4×10-3,0.5×10-3,0.6×10-3,0.7×10-3m的條件下,分別對半導(dǎo)體制冷器的冷端溫度進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖11所示.

圖11　冷端溫度隨級間絕緣材料熱導(dǎo)率和高度的變化

從圖11中可以看出,隨著級間氧化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的增加,級間高度從0.3×10-3m增加到0.7×10-4m,半導(dǎo)體冷端溫度均呈遞增趨勢,原因與電偶臂屬性對半導(dǎo)體制冷性能的影響相同，所不同的是,隨著級間導(dǎo)熱絕緣材料高度的增加,冷端溫升速率明顯增加,考慮冷端溫度及加工難度,級間導(dǎo)熱絕緣材料最佳高度可選取中間適宜值.

3結(jié)論

運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件中的熱電模塊對二級半導(dǎo)體制冷裝置進(jìn)行有限元分析,模擬了輸入電壓、熱端溫度、半導(dǎo)體單元屬性、半導(dǎo)體電偶臂屬性、級間導(dǎo)熱絕緣材料屬性等因素對制冷器冷端溫度、冷端冷量及制冷系數(shù)等性能的影響.模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比顯示,兩者吻合得很好,說明采用此種模擬方法是可靠的.主要得出以下結(jié)論:

a. 在一定范圍內(nèi),保持半導(dǎo)體制冷器熱端溫度不變,其冷端溫度隨著輸入電壓的增大而遞減;保持輸入電壓不變,冷端溫度隨著熱端溫度的升高而遞增;保持輸入電壓和熱端溫度不變,冷端冷量隨著冷端溫度的升高而遞增;在冷端溫度、熱端溫度一定時,制冷系數(shù)ε隨著輸入電壓的增大而迅速減小,且減小趨勢在逐漸放緩.

b. 半導(dǎo)體制冷單元高度的增加和制冷單元間距的減小可使半導(dǎo)體冷端達(dá)到更低的溫度,但綜合考慮尺寸、經(jīng)濟(jì)性、性能及加工工藝等多方面因素,N型、P型半導(dǎo)體應(yīng)有一個最佳高度和間距,在設(shè)計(jì)時應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化.

c. 隨著半導(dǎo)體電偶臂熱導(dǎo)率、高度以及級間導(dǎo)熱絕緣材料屬性熱導(dǎo)率、高度的增加,半導(dǎo)體冷端溫度均呈遞增趨勢,盡管本文模擬數(shù)據(jù)顯示的溫度變化范圍相對較小,但也應(yīng)根據(jù)需要在設(shè)計(jì)時予以考慮.

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(編輯:石瑛)

Performance Simulation on Semiconductor Cooler Based on ANSYS Workbench Software

WU Weidong,SHEN Rui,JIANG Tongling,YU Zimiao

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Abstract：The finite element analysis on a two-stage semiconductor refrigeration device was carried out using the thermoelectric module in ANSYS Workbench software.The influences of the input voltage,hot end temperature,property of semiconductor unit,and properties of joint thermocouple arm and inter-stage thermal insulation materials on the cold end temperature and cooling capacity were studied.The simulation results show that the cold end temperature decreases with the increasing of input voltage when the hot end temperature keeps constant; the cold end temperature goes up with the increasing of hot end temperature when the input voltage keeps constant,which leads to the rising of cooling capacity;enlarging the height of semiconductor units and narrowing the spaces between them,and decreasing the thermal conductivity of joint couple arm and inter-stage insulation materials can lower the cold end temperature of semiconductor refrigerating device.The simulated results are in good agreement with the experimental results.

Keywords：ANSYS Workbench software; semiconductor cooler; performance; numerical simulation; experimental verification

文章編號：1007-6735(2016)03-0255-08

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.03.008

收稿日期：2016-01-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50606027);教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助項(xiàng)目(Z2015301018);上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14ZR1429000)

中圖分類號：TK 02

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

第一作者： 武衛(wèi)東(1973-),男,副教授.研究方向:制冷新技術(shù).E-mail:usstwwd@163.com