论文总字数：16630字

摘 要

半导体制冷虽然得到了广泛应用，但是由于半导体材料、电源、热端散热等方面的影响，其制冷效率依然低于压缩式制冷，这也是制约其进一步发展的原因之一。半导体制冷片的物理结构确定后，其制冷效率取决于半导体制冷片冷、热端的温差，温差越小，制冷效率越高。

本课题为了研究分析影响冷热两端带孔铝翅片散热器的散热性能，利用Icepak软件建立基于冷热两端带孔铝翅片散热器的热电制冷冰箱的模型。探究了风量、电流两个因素对热电制冷冰箱的散热器冷热端温度、箱体温度、制冷效率等的影响。之后将模拟实验的数据与各变量参数整理成更为直观的折线图，以定性分析其影响。结果表明，当电流为2A时，各风量下的制冷效率都为最大值。当风量一定时，能取得最佳电流约在4A左右，使得制冷量达到最大值。

关键词：带孔铝翅片 风量 电流 制冷效率 数值模拟

ABSTRACT

Although semiconductor refrigeration has been widely used, due to the influence of semiconductor material, the power supply，heat dispersion， the cooling efficiency is still lower than compression refrigeration, which is restricted to one of the reasons for its further development. After determining the physical structure of the semiconductor chilling plates, the refrigeration efficiency depends on the temperature difference between the cold and the hot side of the semiconductor chilling plates, the smaller the temperature difference can cause the higher the refrigeration efficiency.

In order to study and analyze the thermal performance of aluminum fin radiator with holes at both sides of the hot and cold, the thermal performance of the thermoelectric refrigerator with holes on both sides of the cold and hot strip is established based on Icepak.We explore the effects of air volume and current two on the temperature of the heat and cold side, the temperature of the box and the cooling efficiency of the thermoelectric refrigeration refrigerator. Then, the data of the simulation experiment and the parameters of each variable are sorted into a more intuitive line chart to analyze the influence of the data. The results show that when the current is 2A, the cooling efficiency of the wind speed is the maximum. When the air volume is constant, the best current can be achieved at about 4A, so that the maximum value of the cooling capacity is reached.

Key words: aluminum fin with holes; fan flow; current; refrigeration efficiency; numerical simulation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 散热方式介绍 1

1.2.1 自然冷却技术 1

1.2.2 强迫冷却技术 1

1.2.3 蒸发冷却技术 1

1.2.4 热管技术 2

1.2.5 改进翅片散热器 2

1.3 国内外已有研究工作成绩 3

2.1 Icepack 软件介绍 5

2.2 模型建立 5

2.2.1 物理模型 6

2.2.2 物性参数及箱体参数 8

2.2.3控制方程 9

2.2.4 初始条件和边界条件 11

2.2.5 数值计算方法 12

2.2.6 网格划分 12

第三章 模拟结果分析 14

3.1 参数定义 14

3.2 模拟结果分析 15

3.2.1 温度场分析 15

3.2.2 制冷性能分析 20

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 未来展望 22

致 谢 26

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

半导体制冷^[1]又称为热电制冷、温差制冷或珀尔帖制冷，其基本原理是帕尔效应。当直流由具有热电转换特性的导体组成时，该电路具有冷却功能。由于半导体材料之所以能运用在热电制冷的设备上正是因为这种材料具有较为良好的热点转换能力，并在国际上广泛使用。但即便如此，热电制冷在很多方便仍然存在着诸多弊端，导致其制冷效率并不是特别高，这也是制约其进一步发展的原因之一。

相比于一般的制冷方式，它的优点有以下几点^[2]：（1）结构简单、质量小、噪声小、产生较小的磨损、环境污染小、可靠性较高；（2）制冷和加热可以方便地调剂，可根据实际情况由多层次、灵活控制；（3）热电冷却器可以随机分布（串联或并联），形状的大小可变。

在军事上的应用也特别广^[3]，对于一些大型武器机械进行制冷降温；其在民用上的运用最为普遍，可以用作车载冰箱等便捷式体积较小的冰箱。由于热电制冷空调器对电量要求较大，且效率并不是特别高，不包含如氟氯烃和固体元件，寿命超过压缩机的空调，因此应用半导体式冰箱及其它民用产品的应用和市场开发是发展的主要方向。

1.2 散热方式介绍

常见的散热方式有许多种，下面介绍自然冷却等5种散热方式。

1.2.1 自然冷却技术

自然冷却技术是通过三种主要的传热方式即热量的对流、传导和辐射的作用将热量传递到周围环境中，从而达到冷却的效果。采用导热性能较好的材料，例如紫铜铝材料，做成各种不同的散热片，在静止的空气中自由的散热，优点在于使用方便，而且散热的效果较为明显；其缺点是体积过于庞大，太占用空间。自然冷却法是最简单和最经济的冷却技术。虽然具有较高的可靠性，由于散热量较小，仅可用于一些小型电子设备的散热。

1.2.2 强迫冷却技术

强制冷却是一种常用的冷却方式，它通常用来迫使冷却液通过加热表面来流动，并通过对流换热带走表面的热量。强迫冷却的散热能力特别强，大约是相同条件下的自然冷却散热能力的十倍左右。强迫液体冷却的冷却能力与相同条件下的风冷冷却散热能力大十倍以上。但散热能力的提高也带来了很多弊端，例如散热的成本增加、噪声以及环境污染会增大，同样散热器制造难度也相应增大。虽然强迫冷却的散热能力非常之强，但其系统的复杂性导致其在空间结构以及重量上都有所增大。综合考虑整个系统的性能问题，强迫冷却系统与普通自然冷却相比并没有太多优势，但系统的散热能力大大提高。强迫风冷的冷却能力一般不超过1.0W/cm²。

1.2.3 蒸发冷却技术

蒸发冷却的热原理是利用汽化热的汽化热的液体沸腾。汽化潜热的冷却技术称为蒸发冷却技术。由于流体的汽化潜热远大于流体，蒸发冷却的冷却效果更为显著。在电机采用蒸发冷却方式时，冷却效果明显，整个电机的温升都降低，电机的温度分布均匀，运行稳定性提高。

1.2.4 热管技术

热管是目前最有效的传热元件之一。它可以依靠自己的内部工作液相变换热，无需额外的功率将大量的热量通过一个小截面面积进行热量的运输。同时，热管除具有较高的热传导率外，具有良好的等温、可变性、热通量和良好的环境适应性等特性。因此，热管在解决电子设备的散热上面有着很大的优势。实际上热管在传热量上有最大值，这也就限制传热元件的传热速度，也导致携带的不方便，这些元素和热管的状态，大小，温度，介质，芯结构关闭^[4]。因此，在选择热管的尺寸、大小、结构等方面要比一般的散热方式复杂许多。热管发展了这么多年以来，其用在散热器上的散热效果显著，因此被广泛应用于设备的冷却、半导体器件的散热^[5]。当今社会，由于电子设备越来越人性化，体积小的特点让其更加方便携带，热管散热器也不得不与时俱进，朝着小体积并便于携带的方向发展^[6]。回路热管可应用于距离过长、重力场感应小、温差不大的条件下的散热产品，且散热效率较为显著，并广泛用于飞行器的散热系统^[7];振荡热管最为与时俱进的最好例子，由于其小型化的构造、具有良好的散热能力以及并不复杂的内部结构特征等优点，被理想的认为可以解决在小空间内，加热元件的高热流散热方面有很好的解决方案^[8]。但热管本身具有传热极限,有时也存在起动困难等问题。

1.2.5 改进翅片散热器

目前，由于成本低，安装方便，更多的电子设备采用翅片散热器。现在很多研究又对其进行了很多改进，比如:减小翅片的厚度来达到散热表面面积也增大的目的^[9]；采用导热系数更高的材料来制作翅片，如金刚石、石墨复合材料等^[10]；将不同种类翅片散热器综合起来运用，这里举出最为典型的例子:汽室散热器^[11]。

铝散热器近年来发展非常快，因为它不仅具有高效率，重量轻，节约材料，节能环保，而且导热性好，散热性好，重量轻，美观，装饰性较好，环境条件好等优点。由于铝的特点是迅速氧化，暴露于空气中一会，表面就会与空气发生化学反应，形成一层特别特别厚度不大的，但其硬度特别大的一层保护层，从而避免氧化还原反应的继续进行，所以铝具有较为良好的抗氧特性，因此铝制的散热器在避免与空气发生氧化还原反应上具有较为明显的优势。但是，铝制散热器却容易与PH值呈现为碱性的液体发生反应，它的最佳水质PH值为5~8的范围。当作为热媒的水PHgt;9时，会随着水温升高，腐蚀加速，当 PH显示为碱性，水温gt;70℃时，2mm厚的铝管一周内就会泄漏，由于各种原因，铝的腐蚀不是由层层递进的，而是很快发生电化学腐蚀，从其内侧的一面一点一点逐渐渗透。此外，以锅炉为例，为了保证锅炉内液体尤其是水的酸碱性保持在9~12之间，需要加入些许添加剂。并将这种水的输出，从锅炉到加热系统，即形成履职散热器的碱性腐蚀，因此为了避免这种腐蚀的发生，需从锅炉内部进行涂层。目前，有机涂层被广泛运用与锅炉中，但其附着力等方面存在的劣势也有待解决。此外，涂层的不均匀也导致了会有旗袍的产生，而气泡的存在也可能导致腐蚀的加快^[12]，所以这些问题还有待解决。

1.3 国内外已有研究工作成绩

传统的热电制冷系统设计方法基于热电偶的温差和散热要求，根据热电模块的性能曲线，通过迭代计算确定冷却模块的工作条件^[13]，但此方案过于繁琐一般不能被很好地利用，因为一般热电散热模块制造商不提供较为具体的设计方案，设计与实际的已知条件往往是冷、热介质温度，但其设计方案并没有直观的反映出冷热两端散热情况以及制冷效率。Huang^[14]富有创造性的对热电制冷机制进行模拟测试，并设计出了相应的自测系统，通过对试验结果的分析与优化设计相关，该方法考虑了热电阻的影响，并与传统的设计程序进行了简化。然而，热电冷模测试系统的建立和应用很难在通用设计中应用。Goktun^[15]考虑到传热存在的极限值和传热时存在的阻力损失，且热损不可循环利用对热电制冷系统性能的影响，并提出了“设备设计参数（device design parameter）”，但没有显示出具体的设备参数值以及传热过程过于简单，相对论系统性能的一些不可逆因素。

Chen^[16]冷热电制冷系统，热介质（水）的相对流量差异（逆流和顺流）的热介质温度分布进行了理论分析，并指出，热电模块热电制冷系统的大热电制冷系统，根据实际温度差的输入电流调整，热电模块可以提高系统的性能，内部的结构过于简洁以及对投入成本的缩减，在实际运用上市很难展开工作的。Sofrata^[17]研究了通过类似强制的方式进行散热，Webb^[18]和 Lee^[19]等人通过不同散热器例如热管散热器来改善热电制冷装置性能，Riffat^[20]利用通过不同热电制冷技术研究热电制冷设备的散热性能。但上述研究仅限于实验研究的具体条件，具有广泛的指导意义。

影响热电制冷冰箱性能的因素有很多，目前，对于热电制冷性能研究也有很多方面，主要有以下几个方面：卢希红^[21]对在稳态条件下的半导体制冷机的电臂温度分布进行了数值模拟；吴清丽^[22]讨论了不同因素对热电制冷机制性能的影响；张华俊^[23]对半导体进行了试验研究，李德茂^[24]讨论了热电制冷器上的辐射强度对热电制冷机制的影响，任欣^[25]在不同的冷却条件下，对热电制冷机的热强度进行了试验研究，从而近似的得出了热电制冷机的工作电流和制冷量的近似计算公式^[26-28]，殷亮^[29]对热电制冷机的仿真软件进行了分析，并对热、冷端温度进行了建模试验并分析，李茂德^[30]利用模拟软件对对热电制冷器进行了建模并对传热性能进行分析。

本文基于Icepak仿真研究^[31]，为实际应用提供了理论基础和热电冷却器的设计应尽量减少热阻，提取冷温度场的均匀性，消除热应力损伤。热电制冷是一种环境友好的制冷方法，在未来将有更广阔的应用前景。本文利用数值模拟方法对安装带孔铝翅片散热器形式的热电制冷冰箱进行研究。首先要充分了解热电制冷原理及各种散热器散热特性，熟悉Icepak软件，在此基础上运用软件对热电制冷冰箱进行模拟计算，获得相关结论，分析影响电制热冷冰箱制冷性能的因素，为加强热电制冷冰箱制冷性能提供理论基础。

第二章 带孔铝翅片散热器的热电制冷冰箱模型建立

2.1 Icepack 软件介绍

Icepak软件由世界上最优秀的计算流体动力学软件提供商Fluent公司，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。Icepak的分析和优化结果的帮助下，用户可以降低设计成本，提高产品的成功率，提高电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品上市时间。Icepak软件广泛应用于通讯、汽车和航空电子设备、电源设备、通用电器及家电等领域。作为一家专业的热分析软件，可以解决在不同尺度下的散热问题： 

•电脑室、宇宙等环境级的热分析

•电脑主机、飞机舱以及方舱等系统级的热分析

•PCB板级的热分析

•电子模块、散热器、芯片封装级的热分析

Icepak采用的是 Fluent计算流体力学求解器。该求解器能完成灵活的网格划分，能够利用非结构化网格求解复杂几何问题。多点离散求解算法能够加速求解时间。该软件拥有许多特色功能：

•非矩形设备的精确模拟

•接触热阻模拟

•各向异性导热率

•非线性风扇曲线

•集中参数散热器

•外部热交换器

•辐射角系数的自动计算

另外，Icepak 软件包包含如下内容:

•Icepak 建模，网格和后处理工具

•FLUENT 求解器

2.2 模型建立

本课题为了研究分析影响冷热两端带孔铝翅片散热器传热性能的因素及其具体影响机制，搭建该热电制冷冰箱的物理模型，并利用Icepak软件建立冷热两端带孔铝翅片散热器的热电制冷冰箱的模型。

2.2.1 物理模型

热电制冷冰箱采用无毒、硬度高、抗化学性好的ABS塑料作为外壳材料，用聚氨酯泡沫进行保温措施，而采用铝作为冰箱内胆材料。实物图如图2-1所示，所建立的冰箱模型如图2-2所示

图2-1 实验装置图

图2-2 所建冰箱模型

带孔铝翅片散热器实物图以及建模图如图2-3、2-4所示

图2-3 铝翅片散热器实物图

图2-4 带孔铝翅片建模图

热电制冷冰箱及其各部件的尺寸见表2-1

表2-1 部件结构尺寸（单位：mm）

2.2.2 物性参数及箱体参数

热电制冷冰箱采用无毒、硬度高、抗化学性好的ABS塑料作为外壳材料，用聚氨酯泡沫进行保温措施，而采用铝作为冰箱内胆材料。热电制冷冰箱的箱体材料物性参数见表2-2。

表2-2 物性参数

箱体的各项参数见表2-3

表2-3 箱体参数（单位：mm）

2.2.3控制方程

热电制冷冰箱的传热过程是一个集合三种基本传热方式的较为复杂的传热过程，为了能方便而且快捷的对这个传热过程进行分析研究，我们可以做出以下的假设，假设如下：

（1）忽略热电制冷片与导热铝块、带孔铝翅片散热器之间的接触热阻

（2）忽略辐射的影响

（3）假设壁面上的流体无滑移

本章主要是对热电制冷箱进行模拟，连续性方程、动量方程等微分方程如下:

连续性方程:

动量方程:

x方向动量方程

y方向动量方程

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