曾志環(huán)，梁彬彬

(國電肇慶熱電有限公司，廣東 肇慶 526238)

1 概述

熱電冷卻是以半導(dǎo)體材料產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的一種制冷方法，其利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)來達(dá)到制冷目的。熱電制冷系統(tǒng)的性能受冷熱端溫差的影響大，利用散熱器將熱電制冷片冷熱兩端的熱量散發(fā)，以此來提高其制冷效率是人們常用的手段。本文對(duì)熱電制冷翅片式散熱系統(tǒng)性能進(jìn)行數(shù)值仿真分析，給出了影響熱電制冷散熱性能的規(guī)律曲線以及性能優(yōu)化的曲線，并揭示其規(guī)律特性，為進(jìn)一步地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及各類工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 傳熱模型分析

當(dāng)半導(dǎo)體熱電偶通以直流電流時(shí)，P型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(電子)在外電場作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并在金屬片與半導(dǎo)體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉(zhuǎn)換。在上面的1個(gè)接頭處，電流方向是N→P時(shí)，溫度下降并且吸收熱量成為冷端；而在下面的1個(gè)接頭處，電流方向是P→N時(shí)，溫度上升并且放出熱量成為了熱端。如果將電源極性互換，則半導(dǎo)體熱電偶對(duì)的制冷端與發(fā)熱端也隨之互換。系統(tǒng)的制冷量為：Q0=αTcI-0.5I2R-KΔT。式中:Q0為芯片產(chǎn)冷量，W；α為溫差電動(dòng)勢(shì)率，V/K；Tc為冷端溫度，℃；I為工作電流，A；K為熱電偶熱導(dǎo)，W/K；ΔT為冷熱兩端溫差，℃。輸入電功率為：P=I2R+αIΔT。在實(shí)際使用中，除了上述的最大溫差工作狀態(tài)外，有時(shí)要求制冷與組件或制冷器工作在最大效率狀態(tài)。制冷器的制冷系數(shù)COP定義為單位電功率所能吸收的熱量。

3 計(jì)算結(jié)果

建立如圖1所示的熱電冷卻翅片式散熱系統(tǒng)分析模型。兩端散熱器分別緊貼在制冷器的兩面，均用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流，且熱端的散熱器體積大于冷端的散熱器體積。制冷器一端與箱體內(nèi)部的空氣發(fā)生熱交換，制冷器冷端產(chǎn)生的冷量通過散熱器傳遞給箱體內(nèi)部的物體，另一端與外側(cè)環(huán)境空氣作熱交換，散發(fā)從箱體內(nèi)部吸收的熱量跟熱電制冷片做功產(chǎn)生的熱量。

圖1 熱電冷卻翅片式散熱系統(tǒng)分析模型

分析采用TEC1-12706M型熱電制冷片，其最大工作電流為6.0 A，最大工作電壓為15.4 V，冷熱端最大溫差為68℃，最大制冷量為51.4 W，外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，電臂導(dǎo)熱率為1.8 W/(m·K)。如圖2所示，隨著TEC工作電流的增大，TEC消耗的電功率不斷增大，而制冷量緩慢增大。箱體內(nèi)部空間平均溫度則隨著TEC的工作電流的增大而先降低后升高，當(dāng)TEC工作電流達(dá)到5.2 A時(shí)，箱內(nèi)平均溫度降到最低-0.29℃。

圖2 制冷量、消耗電功率及平均制冷溫度與TEC工作電流的關(guān)系

4 優(yōu)化與分析

4.1 翅片式散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以梯形肋片散熱器作為優(yōu)化目標(biāo)，在其它參數(shù)和外部條件不變的情況下，并保持TEC工作電流為5.0 A，通過改變梯形肋片散熱器的基板厚度、肋片的幾何參數(shù)，考察各幾何參數(shù)對(duì)散熱器散熱性能的影響，逐一對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行多次取值計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到各個(gè)參數(shù)對(duì)散熱器傳熱性能的影響關(guān)系，并得到最優(yōu)參數(shù)。

如圖3所示，隨著基板厚度的增加，冰箱內(nèi)部制冷溫度呈現(xiàn)先緩慢降低后幅度增大的趨勢(shì)，平均基板厚度每增加1 mm，箱內(nèi)平均制冷溫度降低0.2℃。而熱電制冷系統(tǒng)COP則隨著基板厚度的增加先增大后減小再增大，最后減小。當(dāng)基板厚度為6 mm時(shí)，熱電制冷性能系數(shù)達(dá)到最大值，約為46.81%；當(dāng)基板厚度為9 mm時(shí)，熱電制冷性能系數(shù)達(dá)到最低值，約為44.38%。如圖4所示，制冷溫度先急劇降低至高度為52 mm時(shí)的最低值-1.2℃，隨后又急劇上升至高度為54 mm時(shí)的最高值0.9℃，最后再緩慢降低同時(shí)出現(xiàn)小幅波動(dòng)。而隨著肋片高度的增加，COP呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，并出現(xiàn)小幅的波動(dòng)?？梢娎咂叨鹊脑黾与m然增加了散熱器與周圍空氣的接觸面積，但也會(huì)使肋片溫度分布不均，肋片效率下降，從而影響了散熱器與周圍空氣的熱交換，并使得制冷溫度升高。

圖3 基板厚度對(duì)制冷溫度及COP的影響

圖4 肋片高度對(duì)制冷溫度及COP的影響

如圖5所示，當(dāng)肋片數(shù)量由17增加至20時(shí)，熱電制冷溫度急劇下降，最大溫降達(dá)0.51℃；當(dāng)肋片數(shù)量由20增加至21時(shí)，溫降下降幅度變小，平均溫降為0.02℃；當(dāng)肋片數(shù)大于20時(shí)，溫降為0.48℃。這說明隨著肋片數(shù)量的增加，制冷溫度變化逐漸減少，肋片數(shù)對(duì)制冷溫度的影響逐漸減弱。熱電制冷系統(tǒng)COP則隨著肋片數(shù)的增加而緩慢增加，近似呈線性變化。如圖6所示，制冷溫度在肋片肋根厚度為1.8 mm增加至2.0 mm時(shí)，由0.97℃降至最低值0.71℃，溫降達(dá)0.26℃；隨后隨著肋片肋根厚度的繼續(xù)增加，制冷溫度先急劇上升后緩慢降低。而當(dāng)肋片肋根厚度由1.8 mm增加至2.0 mm時(shí)，熱電制冷系統(tǒng)COP降低了約0.9%。其后隨著肋片肋根厚度的增加先是快速降低隨后升高。由此可見，在其它條件保持不變的情況下，制冷溫度及熱電制冷系統(tǒng)COP受肋片、肋根和厚度影響較大，且肋片、肋根和厚度存在最優(yōu)值。

圖5 肋片數(shù)對(duì)制冷溫度和COP的影響

圖6 肋片厚度對(duì)制冷溫度及COP的影響

4.2 溫度場均勻性優(yōu)化

根據(jù)場協(xié)同理論，在速度場合溫度梯度分布一定的條件下，二者之間的夾角(場協(xié)同角)對(duì)對(duì)流換熱強(qiáng)度有重要的影響，其夾角越小，傳熱強(qiáng)度越高。通過改變冷端風(fēng)扇的位置，探討不同對(duì)流方式對(duì)熱電制冷系統(tǒng)傳熱的影響。如圖7所示，當(dāng)風(fēng)扇位置改變的時(shí)候，箱體內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流方式也隨之改變，制冷量和COP均出現(xiàn)不同程度的影響。當(dāng)風(fēng)扇處于位置1(也即氣流往冷端散熱模塊吹)時(shí)其平均制冷量和COP平均值最大，分別比風(fēng)扇處于位置2(散熱模塊頂部抽風(fēng))時(shí)高4.3 W和6.3%；比風(fēng)扇處于位置3(氣流由上往下吹)時(shí)高5.3 W和7.4%；比風(fēng)扇處于位置4(氣流由下往上吹)時(shí)高7.9 W和11.3%。風(fēng)扇處于位置1時(shí)的平均制冷溫度最低，平均比風(fēng)扇處于位置2時(shí)低0.9℃；比風(fēng)扇處于位置3時(shí)低3.2℃；比風(fēng)扇處于位置4時(shí)低4℃。

圖7 4種對(duì)流方式下制冷量、COP隨TEC工作電流的變化關(guān)系

5 結(jié)語

通過數(shù)值模擬的形式對(duì)熱電制冷片兩端的散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出TEC的工作電流對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)有重要的影響并且存在最優(yōu)值。而通過分析冷熱兩端的散熱器的肋片高度、肋片肋根厚度、肋片數(shù)量以及散熱器基板厚度4個(gè)變量對(duì)熱電制冷系統(tǒng)整體性能的影響，獲得了最佳的散熱器結(jié)構(gòu)。運(yùn)用協(xié)同場理論分析了不同方向的氣流對(duì)熱電制冷系統(tǒng)的影響，得出了由散熱模塊頂部送風(fēng)時(shí)，其溫度場與速度場協(xié)同關(guān)系最好，平均協(xié)同角為22.7°，制冷溫度最低達(dá)-0.29℃。