热电冷却翅片式散热系统的传热性能研究

曾志环，梁彬彬

(国电肇庆热电有限公司，广东 肇庆 526238)

1 概述

热电冷却是以半导体材料产生的热电现象为基础的一种制冷方法，其利用半导体材料的帕尔贴效应来达到制冷目的。热电制冷系统的性能受冷热端温差的影响大，利用散热器将热电制冷片冷热两端的热量散发，以此来提高其制冷效率是人们常用的手段。本文对热电制冷翅片式散热系统性能进行数值仿真分析，给出了影响热电制冷散热性能的规律曲线以及性能优化的曲线，并揭示其规律特性，为进一步地进行优化设计以及各类工程应用提供理论基础。

2 传热模型分析

当半导体热电偶通以直流电流时，P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。在上面的1个接头处，电流方向是N→P时，温度下降并且吸收热量成为冷端；而在下面的1个接头处，电流方向是P→N时，温度上升并且放出热量成为了热端。如果将电源极性互换，则半导体热电偶对的制冷端与发热端也随之互换。系统的制冷量为：Q0=αTcI-0.5I2R-KΔT。式中:Q0为芯片产冷量，W；α为温差电动势率，V/K；Tc为冷端温度，℃；I为工作电流，A；K为热电偶热导，W/K；ΔT为冷热两端温差，℃。输入电功率为：P=I2R+αIΔT。在实际使用中，除了上述的最大温差工作状态外，有时要求制冷与组件或制冷器工作在最大效率状态。制冷器的制冷系数COP定义为单位电功率所能吸收的热量。

3 计算结果

建立如图1所示的热电冷却翅片式散热系统分析模型。两端散热器分别紧贴在制冷器的两面，均用风扇进行强制对流，且热端的散热器体积大于冷端的散热器体积。制冷器一端与箱体内部的空气发生热交换，制冷器冷端产生的冷量通过散热器传递给箱体内部的物体，另一端与外侧环境空气作热交换，散发从箱体内部吸收的热量跟热电制冷片做功产生的热量。

图1 热电冷却翅片式散热系统分析模型

分析采用TEC1-12706M型热电制冷片，其最大工作电流为6.0 A，最大工作电压为15.4 V，冷热端最大温差为68℃，最大制冷量为51.4 W，外形尺寸为40 mm×40 mm×4 mm，电臂导热率为1.8 W/(m·K)。如图2所示，随着TEC工作电流的增大，TEC消耗的电功率不断增大，而制冷量缓慢增大。箱体内部空间平均温度则随着TEC的工作电流的增大而先降低后升高，当TEC工作电流达到5.2 A时，箱内平均温度降到最低-0.29℃。

图2 制冷量、消耗电功率及平均制冷温度与TEC工作电流的关系

4 优化与分析

4.1 翅片式散热结构优化

以梯形肋片散热器作为优化目标，在其它参数和外部条件不变的情况下，并保持TEC工作电流为5.0 A，通过改变梯形肋片散热器的基板厚度、肋片的几何参数，考察各几何参数对散热器散热性能的影响，逐一对每个参数进行多次取值计算，将计算结果进行对比分析，得到各个参数对散热器传热性能的影响关系，并得到最优参数。

如图3所示，随着基板厚度的增加，冰箱内部制冷温度呈现先缓慢降低后幅度增大的趋势，平均基板厚度每增加1 mm，箱内平均制冷温度降低0.2℃。而热电制冷系统COP则随着基板厚度的增加先增大后减小再增大，最后减小。当基板厚度为6 mm时，热电制冷性能系数达到最大值，约为46.81%；当基板厚度为9 mm时，热电制冷性能系数达到最低值，约为44.38%。如图4所示，制冷温度先急剧降低至高度为52 mm时的最低值-1.2℃，随后又急剧上升至高度为54 mm时的最高值0.9℃，最后再缓慢降低同时出现小幅波动。而随着肋片高度的增加，COP呈现缓慢上升的趋势，并出现小幅的波动。可见肋片高度的增加虽然增加了散热器与周围空气的接触面积，但也会使肋片温度分布不均，肋片效率下降，从而影响了散热器与周围空气的热交换，并使得制冷温度升高。

图3 基板厚度对制冷温度及COP的影响

图4 肋片高度对制冷温度及COP的影响

如图5所示，当肋片数量由17增加至20时，热电制冷温度急剧下降，最大温降达0.51℃；当肋片数量由20增加至21时，温降下降幅度变小，平均温降为0.02℃；当肋片数大于20时，温降为0.48℃。这说明随着肋片数量的增加，制冷温度变化逐渐减少，肋片数对制冷温度的影响逐渐减弱。热电制冷系统COP则随着肋片数的增加而缓慢增加，近似呈线性变化。如图6所示，制冷温度在肋片肋根厚度为1.8 mm增加至2.0 mm时，由0.97℃降至最低值0.71℃，温降达0.26℃；随后随着肋片肋根厚度的继续增加，制冷温度先急剧上升后缓慢降低。而当肋片肋根厚度由1.8 mm增加至2.0 mm时，热电制冷系统COP降低了约0.9%。其后随着肋片肋根厚度的增加先是快速降低随后升高。由此可见，在其它条件保持不变的情况下，制冷温度及热电制冷系统COP受肋片、肋根和厚度影响较大，且肋片、肋根和厚度存在最优值。

图5 肋片数对制冷温度和COP的影响

图6 肋片厚度对制冷温度及COP的影响

4.2 温度场均匀性优化

根据场协同理论，在速度场合温度梯度分布一定的条件下，二者之间的夹角(场协同角)对对流换热强度有重要的影响，其夹角越小，传热强度越高。通过改变冷端风扇的位置，探讨不同对流方式对热电制冷系统传热的影响。如图7所示，当风扇位置改变的时候，箱体内部强制对流方式也随之改变，制冷量和COP均出现不同程度的影响。当风扇处于位置1(也即气流往冷端散热模块吹)时其平均制冷量和COP平均值最大，分别比风扇处于位置2(散热模块顶部抽风)时高4.3 W和6.3%；比风扇处于位置3(气流由上往下吹)时高5.3 W和7.4%；比风扇处于位置4(气流由下往上吹)时高7.9 W和11.3%。风扇处于位置1时的平均制冷温度最低，平均比风扇处于位置2时低0.9℃；比风扇处于位置3时低3.2℃；比风扇处于位置4时低4℃。

图7 4种对流方式下制冷量、COP随TEC工作电流的变化关系

5 结语

通过数值模拟的形式对热电制冷片两端的散热器结构进行了分析，得出TEC的工作电流对整个制冷系统有重要的影响并且存在最优值。而通过分析冷热两端的散热器的肋片高度、肋片肋根厚度、肋片数量以及散热器基板厚度4个变量对热电制冷系统整体性能的影响，获得了最佳的散热器结构。运用协同场理论分析了不同方向的气流对热电制冷系统的影响，得出了由散热模块顶部送风时，其温度场与速度场协同关系最好，平均协同角为22.7°，制冷温度最低达-0.29℃。