热电制冷模组热端散热器性能优化研究
夏高举，赵华东，宋晓辉，杨号南，张景双
郑州大学机械与动力工程学院，河南省智能制造研究院
摘要：针对实际项目热电制冷模组进行了三维数值模拟，对比分析断槽数不同的四种典型散热器在不同电流、翅片厚度、断槽宽度下的散热能力，得到了性能较佳的工况与散热器模型。结果表明，随着电流增加，热电制冷模组冷面温度不断降低，当电流超过一定数值时，冷面温度趋于平衡，热面温度急剧上升。四类散热器中，断槽数为一的散热器散热能力较佳，并对此类散热器的翅片厚度进行优化，在研究范围内，翅片厚度 2.5 mm 散热效果较佳。断槽宽度有临界值，断槽宽度值小于 9 mm 时散热器面积减小不会使散热能力减弱，反之大于 9 mm 时散热能力急剧衰弱，为实际工程的分析提供了借鉴和参考。
关键词：热电制冷;散热器;电流;翅片厚度;断槽宽度
01 引言
热电制冷技术作为一种新型制冷技术，与传统的压缩式制冷相比具有更多优点，例如:重量轻、体积小、无噪音等。但热电制冷模组存在制约其制冷性能的因素，主要体现在热电制冷材料的优值系数和热电制冷热端散热两个方面，热电制冷材料的优值系数在出厂时已固定无法更改，因此，热电制冷模组的热端散热成为研究的重点。
热电制冷模组的热端散热的方式主要有自然对流散热、强迫风冷散热、热管散热以及水冷散热四种。Kim 等人对比分析了典型的板翅式散热器和针翅式散热器的热性能，通过实验对不同流量以及通道宽度的散热器进行分析和优化，得到了两种不同工况下，散热器热阻不同的结果，及热性能有所不同。王子成等人研究了热电制冷中的风冷散热、工作电流和工作热负荷，得出增加热端散热强度可以降低芯片的结温。陈善友等人利用 ICEPAK 软件模拟仿真了热电制冷翅片热管散热器，设计了非等长翅片热管散热器，并探索了非等长翅片的最大长度差、翅片间距以及翅片的厚度对芯片热阻和重量的影响，最后通过Pareto 最优解得出了优化后参数，使得散热能力比之前有明显的提高。Huang 等人通过循环流体的散热进行热电制冷的相关实验以及热管对散热器性能的影响，证明了热端的传热系数增大，有效提高了散热能力，强化热端散热效果，提升热电制冷性能。由于自然对流适用的功率较小，热管散热器比较复杂且造价昂贵，水冷散热又存在漏液等缺点，而风冷散热器成本低、可靠性好、制备简单，在热电制冷模组的散热结构中占主导地位。
风冷散热器研究重点主要在翅片散热器型状结构与表面的发散率，散热器形状有角度不同的锥形散热器、断开翅片散热器、圆角型板翅散热器、变角度类百叶窗翅片散热器，或在散热翅片上添加碳材料和 SIO2的高热导率涂层，来进一步增强散热器辐射换热，同时优化了翅片的厚度、间距、风扇风速，并讨论了不同的热流量，目的都是在增加散热器的散热面积同时增加流体的流态和辐射换热，来提高散热器的散热效率，从而进一步提高热电制冷模组的制冷性能。在实际热电制冷模组工作中，热电制冷模组热端的散热量等于其输入功率和制冷量之和，散热器散热效果越好，热面温度越低，其制冷效率越高，所以热电制冷芯片的高效工作离不开有效的散热方式。
本文针对强迫风冷热电制冷模组的散热进行了三维数值模拟，讨论了不同电流下散热器性能，对断槽数不同的散热器和翅片间的空气流动传热特性进行了对比和分析，得到相应工况下最佳模型结构参数，为热电制冷模组提升制冷性能、降低冷面温度，提供理论依据和工程指导。
图 1 散热器模型
02 数值仿真模型
2.1 物理模型
图 1 所示的为四种不同断槽数的典型散热器结构示意图，基于某商用热电制冷模组的尺寸，考虑流动传热和半导体制冷片尺寸等因素。设计L×W×t= 100mm×60mm×3mm，散热器基板底部与半导体制冷片直接接触，半导体制冷片放置于散热器基板正中间，其尺寸Ltec×Wtec×Htec =40mm × 40mm × 3.48 mm。翅片高度hfin恒定为20 mm，散热器翅片个数恒定为 10 个。
散热器翅片和基板的材质均为导热性能良好的铝合金，流体工质为空气，其物性参数见表 1，其中 ρ 为密度;CP为热容;λ 为热导率;η 为空气的动力粘度系数。
表1 铝合金和空气的物理特性参数
2.2 数学模型
数值模拟分析基于三维热流固耦合数值模拟，采用 ANSYS Icepak 软件，其中模型的基本假设如下:(1) 在热分析中，考虑翅片的导热，风扇吹动的空气与翅片之间的对流换热，以及热辐射的影响;(2)所有模型之间无相对位置的移动，基板底部设有 TEC 模型，其内部物理特性参数与某商用 TEC 一致;(3)空气为不可压缩气体;(4)环境温度为 30 ℃;根据以上假设及条件，得到三维稳态控制方程如下连续性方程：
其中ρ0是对应于环境温度的空气密度。
能量方程:
热电制冷模组在运行时所用为风量随风压变动的风扇，使用恒流恒压风扇进行数值模拟时，计算结果将发生错误，在本次数值模拟中风扇特性曲线如图 2 所示。
图2 风压特性曲线
2.3 数值分析
2.3.1 计算域与边界条件
在进行数值计算时，考虑到环境温度与辐射换热的影响，计算域内的流体区域应比模型的实际尺寸大，计算区域如图 3 所示。
图3 计算域和边界条件
模型底部设置 TEC 模型提供稳定的热源，散热器两端所在面设为开口，作为空气的流出口。为了方便计算，在散热器顶部设有 FAN 模型，具体的 P ＆ Q 曲线上文中已给出。
2.3.2 求解设置与收敛性
进行数值计算时，计算方程采用 ZERO equation(零方程适用于绝大多数的电子散热中，本数值模拟同样采用)，空气流态采用湍流模型。模型求解计算中的各个变量方程残差达到默认的残差标准或设置的变量监控点不再随迭代步数变化时，认为本次计算收敛。在模型计算时中采用软件自带的 Mesher-HD 网格及六面体占优网格，并选用多级网格设置，进一步加密网格使网格与模型相一致，保证模型不失真。网格划分后，综合计算速度与计算精度，采用中等精度网格，所划分的网格单元数为 681778，节点数为 713800，所有网格均与模型一致无失真。
03 计算结果及分析
3.1 散热器的传热特性
图 4 所示散热器模型 A 在 TEC 工作电流为5 A时各个位置的温度分布(其余三种模型传热特性与其相同)，翅片温度关于中心 TEC 接触部分呈对称分布，由于热传导和对流换热的作用，翅片温度在各个方向均有不同变化，从图 4(c)中看出，散热器基板中心的温度最高，因其跟 TEC 热面接触，对流换热系数较小，对流换热效果差。温度随着翅片往上不断降低，并呈发散式。风扇运行时，风扇中心位置风速较小，对流换热系数减小，可以从图 4(d)中看出，靠近风扇处，温度有所提升。相反散热器两端位置，如图 4(a) 图 4(b)所示，空气流速变大，对流换热系数变大，导致温度降低。
图4 模型 A 散热器温度分布(℃ )
基于上述散热器的温度分布，散热器中心位置受固体影响较大，空气流动性较差，流速小，导致该区域温度相对较高;反之，散热器两侧区域空气流动性较好，流速大，该区域的温度相对较低，换热效果好。在进行散热器优化时，热源尺寸比散热器尺寸小时，应重点考虑热源与散热器接触部分区域的强化传热。
3.2 散热器类型
图 5 所示为四类散热器在 TEC 不同工作电流工况下，TEC 热面最高温度Th,max和冷面最低温度Tc,min，随电流增大热面温度不断上升，冷面温度不断下降，当工作电流从 4A 变化到 5A 时热面温度上升，TEC 冷面温度如图 5(b) 所示，在 C型散热器与 D 型散热器下冷面温度会微弱提升，A 与 B 型散热器下冷面温度保持不变。在进行数值模拟时，考虑到 TEC 冷面与空气之间的热交换，当交换率达到最大值时，增加电流不会使冷面温度下降，反而增强 TEC 内部的焦耳热效应，使热端温度上升。所以在考虑使用 TEC 模组时，除增强热端的散热性能来降低冷热面温度，还仍需考虑 TEC 工作电流的影响。
图5 四类散热器下 TEC 的Th,max与Tc,min
基于上述不同电流下热电制冷模组，选取电流为 5A 工况下，四种不同类型的散热器温度与风扇的粒子云图如图 6、7 所示。
图6 4类散热器在 TEC 工作电流 5A 工况下温度对比
从温度对比图(图 6) 来看，四类散热器的最高温度都集中在 TEC 与散热器相接触的位置，热流量从 TEC 的热面传导到散热器上呈三维的扩散趋势，两端风速较大，翅片温度显著降低且分布均匀，其中 C 型散热器的温度最高，D，A 次之，B型散热器的温度最低，这与 TEC 温度曲线图相对应。
从速度对比图(图 7) 得知，A 型散热器中间部分有速度粒子回流，且速度基本为 0，换热效果差，导致温度升高。B 型散热器由于在半导体正上方设置断槽出风口(f 图)，回流区域明显消除，流体从两侧流出，增强对流换热系数，进一步强化了换热效果。C 和 D 型散热器中在 TEC 两侧设置断槽口效果并不明显(g，h 图)，是因为散热器两侧的风速较大，设置断槽口并不会使流体从断槽口流出，反而使散热器的散热面积减小，散热器温度升高。
图7 4类散热器在 TEC 工作电流 5A 工况下速度对比
综上所述，相比于 A 和 C 型散热器，B 和 D型散热器在 TEC 位置设置断槽出风口，增大空气的流动性，强化了换热效果。D 型散热器在两端也设置断槽口并没有达到预想中的效果，反而减少了换热面积，减弱了散热器的换热性能。在此工况下，B 型散热器对应的 TEC 冷面温度也比 D型要低，效果较好，在进行散热器结构优化时，可以着重考虑 B 型散热器的应用。
3.3 翅片厚度对换热性能的影响
散热器翅片厚度不同散热能力有所差别，在所研究范围内，控制翅片个数一定，翅片的厚度不断增加其散热能力逐渐加强，当翅片厚度达到一定程度时，散热能力会呈下降趋势。TEC 冷热面温度随着散热器散热能力的增强而不断下降，当B 型散热器的翅片厚度达到 2.5 mm 时，效果最佳，如图 8 所示。
图8 不同翅片厚度下Th,max和Tc,min
图9 不同翅片厚度下 B 型散热器速度云图
当翅片厚度值增加时，翅片间隙和散热器断槽宽度值减小，当间隙值减小到一定数值时，根据牛顿内摩擦定律，翅片间间隙的减小会使流体与翅片间的粘滞力增大，流体在翅片内的流速减小，不能及时把热量带走，导致换热不充分进而使得换热器的散热性能减弱，由图 9 可以看出，随着翅片厚度的增加，间隙减小，两端风速最大值逐渐减小，且出风均匀性变差，当翅片厚度值从2.5 mm变成 3.5 mm 时最为明显。从云图上得知，风速最小值部位集中于与散热器中间区域，增强中间区域的换热也可降低散热器的温度，提高散热器散热性能。
3.4 散热器断槽宽度对散热性能的影响
当翅片的厚度与间隙一定时，流体与翅片之间的粘滞力保持一定，这时增加断槽的宽度，强化对流换热能力，由图 10 可以看出，翅片断槽宽度从 3 mm 变到 9 mm 时 TEC 冷热两侧温度没有改变，断槽宽度值增大，散热器散热面积减小，但流体在散热器中间部位的流动性增强，快速带走热量，强化换热效果。
图10 不同断槽宽度下Th,max和Tc,min
当断槽宽度超过一定数值时，空气流动性继续增强，但不能抵消散热器散热面积减小造成散热性能减弱的影响，在所研究范围内，断槽宽度在9mm 时是分界点，小于 9mm 时温度变化不明显，大于 9mm 时温度将持续升高，TEC 冷热两端效果变差。
04 结论
(1)热电制冷模组存在最佳工作电流。随着输入电流的增加，TEC 热面温度逐渐上升，冷面温度逐渐下降。当电流增加到一定数值时，冷面温度不会上升，反而由于 TEC 内部焦耳热效应，热面温度会急剧升高。所以使用热电制冷模组时，除了热端散热，还需考虑工作电流。
(2)四类散热器中，断槽数量为一的散热器散热性能较佳。翅片厚度值会影响散热器的散热性能。在所研究范围内，翅片厚度为 2.5 mm 时散热器散热性能较佳，可选取 2.5 mm 的翅片厚度为翅片优化的参考值。
(3)断槽宽度值会影响散热器的散热性能。断槽宽度值逐渐增加时，散热器中间固体区域的对流换热效果增强，TEC 热面温度不会上升，但增加到一定数值时(本研究临界值为 9 mm)，散热器散热性能会逐渐减弱。
原文信息 DOI:10.16711 /j.1001-7100.2021.11.015
