基于冷藏箱熱端散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王成剛，郭佳歡，韓 崇

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

半導(dǎo)體制冷，又稱熱電制冷，其原理為珀?duì)柼?yīng)[1-2]，半導(dǎo)體制冷片在熱端結(jié)合傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷、熱管等散熱方式，可以有效提高制冷效率，使半導(dǎo)體制冷片達(dá)到的制冷溫度不斷降低，能滿足冷藏需求。由于半導(dǎo)體制冷片具有機(jī)構(gòu)簡單、體積小、溫控精準(zhǔn)、反應(yīng)迅速、無運(yùn)動(dòng)部件、噪音小等特點(diǎn)，在小型冷藏箱方面存在巨大應(yīng)用潛力[3]。提高半導(dǎo)體制冷片制冷效率是半導(dǎo)體制冷技術(shù)研究的核心，相關(guān)研究主要包括兩個(gè)方面：一是提高半導(dǎo)體材料優(yōu)值系數(shù)，研究出高效半導(dǎo)體制冷材料；二是優(yōu)化半導(dǎo)體制冷熱端散熱效率，減小半導(dǎo)體制冷片冷熱端溫差，達(dá)到優(yōu)化制冷效率的效果[4]。目前，國內(nèi)外的研究主要集中在前者，并且材料的優(yōu)化已經(jīng)到達(dá)一定程度，對制冷效率的提高不再明顯；而對后者的研究主要都是對不同散熱方式的研究，而對強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱等單一散熱方式進(jìn)行優(yōu)化的研究較少[5]。根據(jù)半導(dǎo)體制冷物理基礎(chǔ)，可知，在半導(dǎo)體制冷片制冷過程中，冷熱端溫差的大小，對半導(dǎo)體制冷片的制冷效率與制冷量有極大的影響，如果做不好熱端散熱處理，則會(huì)引起熱端溫度不斷上升，冷熱端溫差擴(kuò)大，降低半導(dǎo)體制冷片的制冷效率以及制冷量，從而使半導(dǎo)體冷藏箱的整體制冷效果降低[6-7]。因此，熱端散熱優(yōu)化的研究對于提高半導(dǎo)體冷藏箱制冷效率和制冷量來說是至關(guān)重要的[8]。

1 Flo THERM 模擬分析

1.1 模型建立

首先，建立冷藏箱模型[9]，如圖1所示，冷藏箱容積約為0.1 m3，外層為保溫層，材料是聚氨酯，厚度為30 mm，里面是厚度為2 mm的鋁內(nèi)膽。冷藏箱內(nèi)部尺寸為405 mm×445 mm×560 mm。

圖1 冷藏箱

制冷模塊如圖2所示，由冷、熱端兩個(gè)散熱器，四片半導(dǎo)體制冷片，冷、熱端散熱風(fēng)扇構(gòu)成，散熱器參數(shù)由表1所示，冷熱端風(fēng)扇選用建華電機(jī)的直流散熱風(fēng)扇。風(fēng)扇型號分別是EF40101BX-1000U-A99和MF50151VX-1000 U-A99，其中冷端風(fēng)扇尺寸為40 mm×40 mm×10 mm，軸徑為20 mm；熱端風(fēng)扇尺寸為60 mm×60 mm×38 mm，軸徑為25 mm。制冷片規(guī)格為40 mm×40 mm×3.8 mm，參數(shù)如表2所示。

圖2 制冷模塊

表1 散熱器尺寸 mm

表2 制冷片參數(shù)

1.2 仿真計(jì)算

建立好模型之后，制冷片的工作電流設(shè)置為5 A，環(huán)境溫度為35 ℃，然后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量決定計(jì)算結(jié)果的精確度，在Flo THERM 中，劃分網(wǎng)格時(shí)將網(wǎng)格的最大長寬比控制在20左右是最優(yōu)的，且為保證計(jì)算精度需對半導(dǎo)體制冷片、散熱器、風(fēng)扇這些關(guān)鍵組件進(jìn)行網(wǎng)格局域化加密處理。本次模擬共對模型加計(jì)算域共劃分了1 292 647個(gè)網(wǎng)格，最大長寬比為31.7，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分詳情

環(huán)境設(shè)置、材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分完成，在散熱器及箱體內(nèi)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)用以觀測溫度，最后經(jīng)sanity check檢查無誤后開始仿真計(jì)算。經(jīng)過前后兩次計(jì)算可以看到溫度迭代曲線均在200步以內(nèi)達(dá)到收斂，并且各監(jiān)測點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定。迭代曲線與檢測點(diǎn)溫度曲線見圖4。

圖4 仿真結(jié)果

對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理后可以觀測到箱體各點(diǎn)的溫度值，處理結(jié)果如圖5所示，可以看到，箱體內(nèi)的平均溫度為8.8 ℃左右，并沒有達(dá)到冷藏箱所需要的2～8 ℃的要求。

圖5 不同底板厚度對應(yīng)溫度曲線

2 冷藏箱優(yōu)化

2.1 熱端散熱器優(yōu)化

半導(dǎo)體制冷片的制冷效率與冷熱端溫差、工作電流皆有關(guān)系，因此，本文現(xiàn)在不改變電流的條件下，對熱端散熱器進(jìn)行研究，優(yōu)化熱端散熱，得到散熱效果最好的散熱器。本文中冷藏箱熱端散熱采用的是強(qiáng)迫風(fēng)冷，其散熱效果與散熱器的空氣接觸面積相關(guān)，所以通過對散熱器結(jié)構(gòu)的調(diào)整使其與空氣接觸面積發(fā)生改變，從而達(dá)到對熱端散熱效果的研究。

1)底板厚度

首先對散熱器底板進(jìn)行優(yōu)化，本文研究的目的是增大散熱面積，可知，增大底板厚度可以加大散熱器與空氣接觸面積，但是，鋁制散熱器本身是存在熱阻的，過厚的底板會(huì)對散熱效果起反作用，所以我們利用Flo THERM對底板不同厚度的散熱效果進(jìn)行仿真計(jì)算，得到最佳底板厚度。對底板為5～25 mm進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算間隔設(shè)置為2 mm。將計(jì)算結(jié)果繪制如圖5所示曲線，可以看到，底板厚度為21 mm時(shí)箱體內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)溫度最低，此時(shí)溫度為6.6 ℃，最初溫度為8.8 ℃，可知，增加底板厚度可以加強(qiáng)散熱，提高冷藏箱制冷效率。

2)翅片厚度與翅片數(shù)量

研究知道，翅片數(shù)量與翅片厚度直接影響散熱面積，并且同時(shí)決定翅片間距，間距過小翅片間風(fēng)量不足導(dǎo)致不能有效地將翅片間熱量交換到空氣中。此時(shí)，即使換熱面積很大也不再能提高散熱器散熱效果。因此，在研究增大散熱面積的同時(shí)，必須考慮過小間距對散熱效果的負(fù)面影響。

本文利用Flo THERM軟件中的Command Center對散熱器的這兩個(gè)變量同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，底板厚度確定為21 mm，設(shè)置厚度在1～4 mm變化，間距為1 mm，翅片數(shù)由20個(gè)增加到40個(gè)，將這兩個(gè)變量進(jìn)行組合，再對厚度與數(shù)量不合理的組合進(jìn)行剔除，最后得到28組實(shí)驗(yàn)，以箱體中心位置監(jiān)測點(diǎn)溫度作為輸出變量，共得到28個(gè)結(jié)果。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到如圖6(a)所示曲面圖，研究發(fā)現(xiàn)，翅片厚度對散熱效果的影響非常小。所以在設(shè)計(jì)翅片厚度時(shí)，綜合考慮加工難易程度，散熱器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，本文散熱器取翅片厚度為2 mm，對前文得到的厚度為2 mm時(shí)，不同翅片數(shù)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖6(b)所示折線圖。可知，在翅片數(shù)為29時(shí)，散熱效果最佳，此時(shí)箱體中心監(jiān)測點(diǎn)溫度為4.9 ℃，翅片數(shù)量超過30的散熱器結(jié)構(gòu)模型不合理，仿真結(jié)果不能收斂。

圖6 溫度數(shù)據(jù)處理

3)翅片高度

同上文，運(yùn)用Command Center對翅片高度進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，設(shè)置翅片高度為35～55 mm，間隔為2 mm。此時(shí)的散熱器底板厚21 mm，翅片厚2 mm，工作電流5 A。計(jì)算后得到結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，繪制如圖7所示溫度曲線，可以看出，高度達(dá)到51 mm之后，再持續(xù)地增高對散熱效果的影響不再明顯，考慮到成本，取翅片高度51 mm為其最佳高度，此時(shí)溫度為4.5 ℃。

圖7 溫度曲線

2.2 最佳工作電流

此時(shí)的散熱器，經(jīng)過不斷優(yōu)化，已經(jīng)達(dá)到其最佳散熱效果，在此基礎(chǔ)上，對工作電流進(jìn)行優(yōu)化，可以得出該冷藏箱的最佳制冷狀態(tài)。對冷藏箱通入5～9 A的不同電流，以0.5 A為間隔，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，將得到的數(shù)據(jù)處理后如圖8所示?？梢灾溃陔娏鳛? A時(shí)，此時(shí)的冷藏箱制冷效果最好，箱體中心檢測點(diǎn)溫度為1.7 ℃。

圖8 不同電流對應(yīng)溫度曲線

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用半導(dǎo)體制冷片作為冷藏箱的制冷模塊，對該冷藏箱制冷量進(jìn)行研究，經(jīng)過對制冷片的熱端散熱器以及工作電流的不斷優(yōu)化，得到了冷藏箱整體溫度在2～8 ℃的制冷效果，研究結(jié)果表明：

(1)通過改變散熱器底板厚度，可以達(dá)到加強(qiáng)散熱效果的目的，且對冷藏箱制冷量提升比較明顯，整體降溫2 ℃左右。

(2)改變翅片結(jié)構(gòu)時(shí)，研究表明厚度的變化對散熱效果幾乎沒有影響，主要靠翅片高度與制片數(shù)量的優(yōu)化能達(dá)到增強(qiáng)散熱效果，且增強(qiáng)明顯，對冷藏箱整體溫度降低2 ℃左右。

(3)達(dá)到最佳散熱效果后，制冷片可以通入的工作電流就可以更大，此時(shí)對工作電流優(yōu)化研究，得到更好的冷藏效果，冷藏箱整體溫度控制在2～8 ℃。

綜上所述，冷藏箱面對不同的應(yīng)用場景，有具體的溫度要求，所以應(yīng)根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的制冷片熱端散熱器結(jié)構(gòu)與工作電流。