基于冷藏箱熱端散熱器的優化設計

王成剛，郭佳歡，韓 崇

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430000)

半導體制冷，又稱熱電制冷，其原理為珀爾帖效應[1-2]，半導體制冷片在熱端結合傳統的風冷、水冷、熱管等散熱方式，可以有效提高制冷效率，使半導體制冷片達到的制冷溫度不斷降低，能滿足冷藏需求。由于半導體制冷片具有機構簡單、體積小、溫控精準、反應迅速、無運動部件、噪音小等特點，在小型冷藏箱方面存在巨大應用潛力[3]。提高半導體制冷片制冷效率是半導體制冷技術研究的核心，相關研究主要包括兩個方面：一是提高半導體材料優值系數，研究出高效半導體制冷材料；二是優化半導體制冷熱端散熱效率，減小半導體制冷片冷熱端溫差，達到優化制冷效率的效果[4]。目前，國內外的研究主要集中在前者，并且材料的優化已經到達一定程度，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，而對強迫風冷散熱等單一散熱方式進行優化的研究較少[5]。根據半導體制冷物理基礎，可知，在半導體制冷片制冷過程中，冷熱端溫差的大小，對半導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，則會引起熱端溫度不斷上升，冷熱端溫差擴大，降低半導體制冷片的制冷效率以及制冷量，從而使半導體冷藏箱的整體制冷效果降低[6-7]。因此，熱端散熱優化的研究對于提高半導體冷藏箱制冷效率和制冷量來說是至關重要的[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的鋁內膽。冷藏箱內部尺寸為405 mm×445 mm×560 mm。

圖1 冷藏箱

制冷模塊如圖2所示，由冷、熱端兩個散熱器，四片半導體制冷片，冷、熱端散熱風扇構成，散熱器參數由表1所示，冷熱端風扇選用建華電機的直流散熱風扇。風扇型號分別是EF40101BX-1000U-A99和MF50151VX-1000 U-A99，其中冷端風扇尺寸為40 mm×40 mm×10 mm，軸徑為20 mm；熱端風扇尺寸為60 mm×60 mm×38 mm，軸徑為25 mm。制冷片規格為40 mm×40 mm×3.8 mm，參數如表2所示。

圖2 制冷模塊

表1 散熱器尺寸 mm

表2 制冷片參數

1.2 仿真計算

建立好模型之后，制冷片的工作電流設置為5 A，環境溫度為35 ℃，然后對模型進行網格劃分，網格劃分質量決定計算結果的精確度，在Flo THERM 中，劃分網格時將網格的最大長寬比控制在20左右是最優的，且為保證計算精度需對半導體制冷片、散熱器、風扇這些關鍵組件進行網格局域化加密處理。本次模擬共對模型加計算域共劃分了1 292 647個網格，最大長寬比為31.7，網格劃分結果如圖3所示。

圖3 網格劃分詳情

環境設置、材料設置、網格劃分完成，在散熱器及箱體內設置多個監測點用以觀測溫度，最后經sanity check檢查無誤后開始仿真計算。經過前后兩次計算可以看到溫度迭代曲線均在200步以內達到收斂，并且各監測點溫度達到穩定。迭代曲線與檢測點溫度曲線見圖4。

圖4 仿真結果

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

圖5 不同底板厚度對應溫度曲線

2 冷藏箱優化

2.1 熱端散熱器優化

半導體制冷片的制冷效率與冷熱端溫差、工作電流皆有關系，因此，本文現在不改變電流的條件下，對熱端散熱器進行研究，優化熱端散熱，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迫風冷，其散熱效果與散熱器的空氣接觸面積相關，所以通過對散熱器結構的調整使其與空氣接觸面積發生改變，從而達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行優化，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行仿真計算，得到最佳底板厚度。對底板為5～25 mm進行仿真計算，計算間隔設置為2 mm。將計算結果繪制如圖5所示曲線，可以看到，底板厚度為21 mm時箱體內監測點溫度最低，此時溫度為6.6 ℃，最初溫度為8.8 ℃，可知，增加底板厚度可以加強散熱，提高冷藏箱制冷效率。

2)翅片厚度與翅片數量

研究知道，翅片數量與翅片厚度直接影響散熱面積，并且同時決定翅片間距，間距過小翅片間風量不足導致不能有效地將翅片間熱量交換到空氣中。此時，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，必須考慮過小間距對散熱效果的負面影響。

本文利用Flo THERM軟件中的Command Center對散熱器的這兩個變量同時進行優化計算，底板厚度確定為21 mm，設置厚度在1～4 mm變化，間距為1 mm，翅片數由20個增加到40個，將這兩個變量進行組合，再對厚度與數量不合理的組合進行剔除，最后得到28組實驗，以箱體中心位置監測點溫度作為輸出變量，共得到28個結果。對數據進行處理后，得到如圖6(a)所示曲面圖，研究發現，翅片厚度對散熱效果的影響非常小。所以在設計翅片厚度時，綜合考慮加工難易程度，散熱器結構穩定性，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，不同翅片數的溫度數據進行處理，得到如圖6(b)所示折線圖。可知，在翅片數為29時，散熱效果最佳，此時箱體中心監測點溫度為4.9 ℃，翅片數量超過30的散熱器結構模型不合理，仿真結果不能收斂。

圖6 溫度數據處理

3)翅片高度

同上文，運用Command Center對翅片高度進行優化計算，設置翅片高度為35～55 mm，間隔為2 mm。此時的散熱器底板厚21 mm，翅片厚2 mm，工作電流5 A。計算后得到結果經數據處理后，繪制如圖7所示溫度曲線，可以看出，高度達到51 mm之后，再持續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，此時溫度為4.5 ℃。

圖7 溫度曲線

2.2 最佳工作電流

此時的散熱器，經過不斷優化，已經達到其最佳散熱效果，在此基礎上，對工作電流進行優化，可以得出該冷藏箱的最佳制冷狀態。對冷藏箱通入5～9 A的不同電流，以0.5 A為間隔，進行優化計算，將得到的數據處理后如圖8所示。可以知道，在電流為7 A時，此時的冷藏箱制冷效果最好，箱體中心檢測點溫度為1.7 ℃。

圖8 不同電流對應溫度曲線

3 結 語

本文應用半導體制冷片作為冷藏箱的制冷模塊，對該冷藏箱制冷量進行研究，經過對制冷片的熱端散熱器以及工作電流的不斷優化，得到了冷藏箱整體溫度在2～8 ℃的制冷效果，研究結果表明：

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

(2)改變翅片結構時，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量的優化能達到增強散熱效果，且增強明顯，對冷藏箱整體溫度降低2 ℃左右。

(3)達到最佳散熱效果后，制冷片可以通入的工作電流就可以更大，此時對工作電流優化研究，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用場景，有具體的溫度要求，所以應根據不同需求設計相應的制冷片熱端散熱器結構與工作電流。