基于SolidWorks Flow Simulation的車載半導(dǎo)體制冷箱的仿真分析

邵夏勇，Obinani Victor Chimdike，沈 博，王佳豪，張治國

(浙江科技學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院，杭州 310023)

制冷方法可分為物理制冷和化學(xué)制冷兩大類，在普冷的范圍內(nèi)，常用液體汽化制冷、固體熔融制冷、氣體膨脹制冷、熱電制冷[1]。其中，熱電制冷又稱為溫差電制冷或半導(dǎo)體制冷，是20世紀50年代末興起的制冷技術(shù)。與傳統(tǒng)的制冷方法不同，它既無制冷劑，又無復(fù)雜的機械設(shè)備和管路系統(tǒng)，只要一通電幾分鐘就會結(jié)霜，既方便又快速[2-3]。車載冰箱的出現(xiàn)與運用作為生活水平提高的象征，在人們的生活中扮演著特殊角色[4]。特別是在可持續(xù)發(fā)展、致力于全球環(huán)保的今天，半導(dǎo)體制冷技術(shù)在車載冰箱上的應(yīng)用越來越受歡迎。為提高車載冰箱的性能，科研人員不斷探索。在半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用方面，代彥軍等[5]探究了太陽能半導(dǎo)體冰箱的制冷能力，得出了制冷量最大時對應(yīng)的太陽輻照度；張曉芳等[6]對水冷式半導(dǎo)體冰箱熱端散熱方式進行了探究，得出了水冷條件下不同冷卻水溫度所對應(yīng)的制冷箱內(nèi)溫度變化。在制冷器的優(yōu)化方面，戴維涵等[7]測試了不同制冷參數(shù)對半導(dǎo)體冰箱性能的影響；代彥軍等[8]探究了不同冷熱端散熱條件對半導(dǎo)體制冷箱制冷性能的影響；謝萬蓉等[9]探究了分離式熱管半導(dǎo)體冰箱變工況條件下的制冷性能；陶海波等[10]設(shè)計了一款新型的熱管散熱器，并分析了該熱管散熱器在半導(dǎo)體冰箱上的應(yīng)用；王振雨等[11]改進了半導(dǎo)體制冷器熱端散熱在微小空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)，使制冷量和制冷系數(shù)都有了很大提升。Mirmanto等[12]對具有多個熱電位置的熱電冷箱進行了分析，結(jié)果表明熱電轉(zhuǎn)換的最佳位置在壁面上；張曉波等[13]理論分析了不同目標參數(shù)下制冷片的制冷性能，得到了不同的冷端溫度及制冷量所對應(yīng)的制冷片PN結(jié)幾何參數(shù)。上述研究均沒有詳細的關(guān)于制冷器與制冷箱內(nèi)壁耦合情況的優(yōu)化分析?；诖?，筆者以市場上常見的簡易車載半導(dǎo)體制冷箱為研究對象，以提高半導(dǎo)體制冷箱的制冷能力為目的，結(jié)合SolidWorks軟件中的流體仿真模塊，對半導(dǎo)體制冷箱制冷裝配體與箱體的耦合方式進行建模，并對建模后的制冷箱進行仿真與優(yōu)化，以期為國內(nèi)車載冰箱的設(shè)計提供參考。

1 半導(dǎo)體制冷箱內(nèi)外流固耦合及優(yōu)化原理

1.1 軟件簡介及半導(dǎo)體制冷箱內(nèi)外的流固耦合

SolidWorks Flow Simulation是一種嵌入SolidWorks 3D CAD的直觀計算流體動力學(xué)分析軟件，包括了納維斯托克斯(Navier-Stokes)方程、湍流模型和物理現(xiàn)象模型的所有表示[14]。

半導(dǎo)體制冷箱內(nèi)外界面流體、固體的耦合及流體與固體、固體內(nèi)部、流固交界面處的熱量傳遞非常重要。根據(jù)傳熱學(xué)理論知識，傳熱平衡時，在半導(dǎo)體制冷箱箱體外壁流固交界處，外部空氣與箱體的換熱量大小，等于箱內(nèi)流體與半導(dǎo)體箱體內(nèi)壁的換熱量與箱體薄壁所吸收的熱量之和。此處只考慮了對流換熱和傅里葉導(dǎo)熱，忽略了輻射熱，因為在本研究中輻射熱所占的比重非常小，可以忽略不計。公式詳情可參見文獻[15]。

因為制冷箱內(nèi)部加有風(fēng)扇(強制流動)且制冷箱內(nèi)膽為有限體積的長方體，故箱內(nèi)流體的流動為湍流，且流動流體與壁面間的對流換熱邊界條件可用k-ε湍流模型來計算。標準的k-ε湍流連續(xù)性k方程和ε方程[16-17]如下：

(1)

(2)

1.2 半導(dǎo)體制冷箱優(yōu)化原理

半導(dǎo)體制冷箱主要包括箱體、半導(dǎo)體熱電制冷器和散熱裝置。箱體的優(yōu)化涉及材料、形狀及制冷器布置的方位[18]，制冷器的優(yōu)化主要集中于熱電材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計及冷熱端散熱方式[19]。故可以從以下六方面探究優(yōu)化的內(nèi)容。

1)箱體材料。材料一般選取保溫性能好即導(dǎo)熱系數(shù)低的高新材料，如聚苯乙烯等；材料的組成一般選用單種材料，也可選用復(fù)合材料或多層材料；材料的厚度理論上是越厚越好，因為材料越厚，傅里葉導(dǎo)熱所進去的熱量越少，其保溫性能越好，但太厚會使人感到臃腫，不便使用。

2)箱體形狀。相同箱體容積時，不同形狀(圓形、方形等)的制冷箱對熱流的傳遞速率有一定影響，定容積時在考慮人機工程學(xué)和傳熱學(xué)的情況下，經(jīng)熱分析可知，在滿足特定條件時長、寬、高會有一個合適的取值范圍。

3)制冷器方位。箱體上制冷器布置位置的不同，會影響制冷器冷端冷量的傳遞及熱端熱量的擴散。通過對單片制冷片在制冷箱不同面上的熱分析可知，制冷片布置在制冷箱的頂面為最優(yōu)[18]。

5)結(jié)構(gòu)設(shè)計。制冷片的材料與工況一定時，單個P結(jié)或N結(jié)的橫截面積與長度的比值對最佳制冷量影響很大[20]。受加工技術(shù)水平的影響，目前在制冷片的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還沒有突破性的進展，但對結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化仍可優(yōu)化制冷箱的性能。

6)冷熱端散熱。制冷器冷熱端溫差的減小既可以提高制冷量又能提高制冷系數(shù)[19]。熱管式散熱[21]、翅片散熱、相變虹吸散熱[22]、扁管散熱[23]各有優(yōu)劣，只有采用更有效的散熱方式才能把制冷器熱端的熱量盡快散出去。

筆者參考市面上常見的車載制冷箱，設(shè)定建模、仿真所用箱體的內(nèi)尺寸長、寬、高分別為270、140、170 mm，箱體壁厚為30 mm。當(dāng)制冷裝配體安裝位置不變時(仿真時，制冷裝配體安裝位置為前視面正中心)，為了提高車載半導(dǎo)體制冷箱的制冷性能，對制冷裝配體與箱體內(nèi)壁的耦合方式等方面做仿真分析與優(yōu)化。

2 簡易車載半導(dǎo)體制冷箱的設(shè)計

圖1和圖2分別是筆者所建模的制冷裝配體和制冷箱簡圖。圖3(a)～(f)為制冷裝配體和箱體內(nèi)壁的幾種耦合情形。制冷裝配體的尺寸參數(shù)見表1，在不考慮熱端散熱的情況下制冷裝配體的厚度為24.5 mm(制冷器、硅脂、散熱器和風(fēng)扇高度之和)。

圖1 制冷裝配體Fig.1 Refrigeration assembly

圖2 制冷箱簡圖Fig.2 Sketch of refrigeration box

圖3 幾種制冷裝配體和制冷箱壁的耦合情形Fig.3 Several coupling cases of refrigeration assembly and refrigeration box wall

類別長寬高簡易風(fēng)扇外尺寸404010散熱器翅片417散熱器底座40403簡易硅脂40400.5簡易制冷片40404

3 簡易半導(dǎo)體制冷箱仿真流程及參數(shù)設(shè)計

3.1 仿真流程

模擬的流程：仿真準備階段，對研究對象實體建模，并導(dǎo)入Flow Simulation模塊；創(chuàng)建向?qū)?，使用設(shè)定單位制、分析類型(內(nèi)流外流的指定、局部或整體、是否傳熱等)、設(shè)定初始條件(溫度、壓強、速度等)、檢測模型精度；輸入數(shù)據(jù)，指定計算域、定義流體子域、設(shè)定組件控制、限定邊界條件、指定熱源及目標、劃分網(wǎng)格等；結(jié)果分析，生成切面圖、表面圖、流動軌跡圖、目標圖和動畫等。

3.2 仿真參數(shù)的設(shè)定

仿真主要側(cè)重分析半導(dǎo)體制冷箱箱壁的溫度、箱內(nèi)流體的溫度、箱內(nèi)流體的流動情況。在建立模型時根據(jù)真實試驗情況和仿真的難易程度對制冷箱作出如下假設(shè)：1)制冷箱密封良好，制冷片給予凈制冷功率，并忽略熱端產(chǎn)熱；2)研究系統(tǒng)是內(nèi)部流動分析，流體是連續(xù)介質(zhì)，默認為空氣，且為非定常流動；3)仿真時，考慮重力及風(fēng)扇產(chǎn)熱，但忽略浮力、輻射的影響。

仿真參數(shù)的具體設(shè)定如下：1)迭代次數(shù)為1 000次，制冷裝配體與箱壁在不同的耦合條件下，迭代1 000次時，大部分都能收斂；2)初始化條件，定義半導(dǎo)體制冷箱各部件初始溫度為常溫，此處給定的默認溫度為20.05 ℃；3)壁面邊界條件為光滑壁面，存在換熱，且換熱系數(shù)為8 W/(m2·K-1)；4)風(fēng)扇為內(nèi)部風(fēng)扇，轉(zhuǎn)速5 000 r/min，體積流量為0.025 m3/s；5)熱源，試驗所用制冷片型號為Tec 12706，單片實際測試時，電壓、電流分別為12 V、4.45 A，筆者試驗計算得到制冷系數(shù)為0.3，故單片制冷片工作時，熱源給定為凈制冷功率-16 W，同理根據(jù)試驗測得，所用風(fēng)扇的電壓和電流分別為12 V、0.14 A，即可設(shè)定風(fēng)扇熱源為1.68 W；6)目標，指定全局目標分別為固體溫度、流體溫度和速度的最大值、最小值及平均值，共9個目標值，在結(jié)果分析時，只取流體、速度和固體的平均溫度3個數(shù)值；7)材料，參照表2給定的材料物性參數(shù)表指定材料屬性；8)網(wǎng)格是由仿真工具創(chuàng)建的，分別對制冷組件進行了多組粗、細、精度的網(wǎng)格劃分，結(jié)果表明，全局網(wǎng)格一定時，局部網(wǎng)格的大小對制冷效果的影響很小，越復(fù)雜的網(wǎng)格對計算機的性能要求越高，計算時間越長，故仿真時取全局網(wǎng)格級別為3。

表2 制冷裝配體部分物理特性Table 2 Partial physical properties of refrigeration assembly

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 制冷裝配體與箱壁間無縫隙耦合仿真分析

4.1.1 箱內(nèi)氣體進出方向

我們簡單用“1—1”表示箱內(nèi)氣體經(jīng)由風(fēng)扇上下底面進出或出進。表3為氣體按“1—1”方式流動時制冷箱的部分仿真結(jié)果。

表3 無縫隙耦“合時”“1—1”仿真結(jié)果目標平均值Table 3 Seamless coupling “1—1” target average value of simulation results

由表3可知，風(fēng)扇從箱內(nèi)吸氣時，箱內(nèi)流體平均溫度低于風(fēng)扇往箱內(nèi)吹氣時；制冷體嵌入箱壁的厚度為14.5 mm，即風(fēng)扇全部突出箱體內(nèi)壁面時，箱內(nèi)流體平均溫度最低，制冷效率最高。

當(dāng)散熱器突出箱壁，即制冷體嵌入箱壁的厚度為9.5、7.5、4.5 mm時，設(shè)定風(fēng)扇吸氣或吹氣，氣體從散熱器的4個側(cè)面流出或進入，并用“1—4”表示。試驗系統(tǒng)目標值仿真結(jié)果見表4。

表4 無縫隙耦合時“1—4”仿真結(jié)果Table 4 Seamless coupling “1—4” simulation results

由表4可知，當(dāng)風(fēng)扇吸氣、制冷體嵌入箱壁的厚度為4.5 mm時，即散熱器整個突出箱體內(nèi)壁，箱內(nèi)流體平均溫度最低；當(dāng)風(fēng)扇吹氣、制冷體嵌入箱壁的厚度為9.5 mm時，箱內(nèi)流體平均溫度最低，這說明散熱器突出箱體內(nèi)壁越少，散熱效果越好。

4.1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

仿真時不同的網(wǎng)格細化級別對仿真結(jié)果有一定的影響，對網(wǎng)格細化級別的影響進行驗證，以制冷體嵌入箱壁的厚度為9.5 mm時為例，其部分結(jié)果見表5～6。

表5 嵌入箱壁的厚度為9.5 mm時全局網(wǎng)格仿真結(jié)果Table 5 Global grid simulation results when thickness of embedded box wall being 9.5 mm

表6 嵌入箱壁的厚度9.5 mm全局網(wǎng)格級別為4時局部網(wǎng)格仿真結(jié)果Table 6 The Local grid simulation results when thickness of embedded box wall being 9.5 mm and global grid level being 4

由表5可知，在迭代次數(shù)確定時，全局網(wǎng)格級別對仿真結(jié)果有很大的影響，全局網(wǎng)格級別越大，精度越高，網(wǎng)格單元越小，CPU的計算時間和占用的內(nèi)存也會更多。在仿真系統(tǒng)中，散熱器處的流體流動較復(fù)雜，對散熱器處的網(wǎng)格進行更精細的劃分，仿真結(jié)果如表6所示。從表6可知，在局部網(wǎng)格細化的級別不超過全局網(wǎng)格時，全局網(wǎng)格的仿真結(jié)果是最好的。綜上，考慮到設(shè)備、時間等因素，設(shè)定全局網(wǎng)格級別為3時箱內(nèi)溫度仿真結(jié)果最合乎所求。

4.2 制冷裝配體周圍開槽仿真分析

為了便于冷量的傳遞，通常需要讓制冷體冷端面盡可能接觸被制冷的流體，即散熱器要充分接觸箱內(nèi)空氣。但散熱器、風(fēng)扇突出箱壁既不美觀，也不利于放入物品，制冷箱也不是完全密封的。因此，讓風(fēng)扇與內(nèi)壁面齊平，并在風(fēng)扇周圍開長、寬相等的槽，它大于風(fēng)扇外尺寸，小于箱體內(nèi)尺寸，高為20 mm(散熱器和風(fēng)扇高度之和)。仿真所開槽的長或?qū)挒?1、43、45、50、60、100 mm，且箱內(nèi)空氣流動方式為“1—4”，仿真結(jié)果見表7。

表7 不同槽的長或?qū)挕?—4”仿真結(jié)果Table 7 “1—4” simulation results with different slot length or width

由表7可知開槽、風(fēng)扇吸氣時，箱內(nèi)流體平均溫度要遠遠低于風(fēng)扇吹氣時；所開槽的長、寬均為41 mm時，箱內(nèi)溫度最低，故選取槽的長、寬均為41 mm左右。進行更詳細的槽尺寸仿真分析，結(jié)果如表8所示。

表8 槽的長或?qū)捲?1 mm左右時“1—4”仿真結(jié)果Table 8 “1—4” simulation results when slot length or width being about 41 mm

由表8可知，在所開槽長或?qū)挒?1.7 mm時，結(jié)果最優(yōu)，即半導(dǎo)體制冷箱內(nèi)流體的溫度最低，制冷效果最好；開槽、風(fēng)扇吸氣時，箱內(nèi)流體平均溫度低于風(fēng)扇吹氣時，即風(fēng)扇吸氣時簡易車載半導(dǎo)體制冷箱制冷效果最好，箱內(nèi)溫度最低。

圖4(a)和(b)分別是槽的長或?qū)挒?1.7 mm時，仿真所用箱體的俯視橫剖和橫剖局部放大圖；圖4(c)和(d)分別是槽的長或?qū)挒?1.7 mm時，風(fēng)扇吸氣和吹氣時箱體溫度場表面圖。從圖4(c)和(d)中可以明顯看出，風(fēng)扇吸氣、箱內(nèi)氣體按“1—4”流動時，制冷箱內(nèi)溫度最低。

圖4 槽長或?qū)挒?1.7 mm時制冷箱體建模和仿真結(jié)果Fig.4 Mold and simulation results of refrigeration box when slot length or width being 41.7 mm

圖5(a)和(b)是總結(jié)了不同槽的長或?qū)挼娜≈邓鶎?yīng)的箱內(nèi)流體平均溫度和最低箱內(nèi)流體平均溫度的局部放大圖。由圖5可知，箱內(nèi)流體的平均溫度，隨所開槽的長或?qū)捜≈档脑龃?，先降低再升高，后降低再升高，并在槽的長或?qū)挒?1.7 mm處取最低值，此時制冷箱內(nèi)溫度最低。

圖5 不同槽箱內(nèi)流體平均溫度及局部放大Fig.5 Average temperature and local amplification of fluid in different tanks

5 結(jié) 論

本文運用工程仿真軟件SolidWorks Flow Simulation對所設(shè)計的簡易車載半導(dǎo)體冰箱進行了流體仿真分析，結(jié)果表明：

1)半導(dǎo)體制冷裝配體與制冷箱壁的耦合方式對制冷箱內(nèi)流體的溫度有影響，因此在設(shè)計半導(dǎo)體制冷箱時，應(yīng)對制冷裝配體與制冷箱壁的耦合方式進行優(yōu)化設(shè)計，盡量讓制冷裝配體的冷端與制冷箱內(nèi)的流體接觸，以降低流體溫度。

2)制冷裝配體風(fēng)扇的氣流流向(進氣或吸氣)對箱內(nèi)流體的溫度有影響，因此在設(shè)計半導(dǎo)體制冷箱時，把風(fēng)扇設(shè)置為吸氣更有利于箱體內(nèi)流體溫度的降低，制冷效率更好。

3)所開槽長或?qū)捜≈挡煌瑢χ评湫Ч杏绊?，在所開槽孔為長方體且尺寸為41.7 mm×41.7 mm×20 mm時，半導(dǎo)體制冷箱內(nèi)流體的溫度最低，其制冷效果最好。