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试剂仓半导体制冷模组热端散热器的仿真研究论文

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  关键词:半导体制冷;散热器;热端;对流传热

  0引言

试剂仓半导体制冷模组热端散热器的仿真研究论文

  生化免疫诊断设备的试剂仓是保存检测试剂盒的重要部件,其通常包括:制冷仓、半导体制冷模组和温控系统等,设备在进行取样分析时从试剂仓的试剂瓶中吸取一定量试剂。大多数试剂都有一个共同特征,即容易受到热和热循环的影响。为了保证试剂仓内试剂的安全,试剂仓需要通过半导体制冷模组的制冷和温控系统的控制使试剂仓达到并维持在2~8°C的温度[1]。半导体制冷技术又称热电制冷,主要是利用热电效应中的Peltier效应来达到制冷目的。热电效应发现于19世纪初,受限于材料等因素,热电效应的研究主要集中在金属和金属合金上,直到20世纪上半叶热电制冷还没有得到有效发展与应用。20世纪50年代以后,半导体材料良好的热电性能随着材料的广泛性应用被发现,使得热电效应的效率大大提高,半导体制冷从此逐渐进入工程实践领域[2-4]。作为一种新型制冷技术,半导体制冷技术具有许多优点,如体积小、质量轻、无噪声等[5-6]。但是半导体制冷模组的制冷性能受到多因素限制,如半导体材料和热端散热这2个主要因素[7]。在半导体制冷过程中,热端需要散出的热量等于芯片输入功率与冷端制冷量之和,而热电芯片的冷热端温差直接影响热电制冷的性能,具体表现为热电芯片冷热端温差越小,其制冷性能越好[8-10]。因此,通过改善热端散热从而提高半导体制冷模组的制冷性能成为当前研究的重点[11-14]。

  半导体制冷热端的散热方式主要有水冷散热、风冷热沉散热(强迫对流散热)和热管散热3种。陈桔[15]通过对比3种散热方式下制冷片的制冷性能与特点,发现在相同条件下,风冷热沉散热相对于水冷散热具有更好的安全性,相对于热管散热又具有较好的经济性,在工程实际应用中具有更好的经济效益。因此,目前多个领域的制冷设备中采用的散热方法大都为风冷热沉散热。风冷热沉散热主要由散热风扇和散热翅片组成,此种散热方式下散热器散热效率主要受风道大小,风扇的风速大小以及散热器本身的翅片等参数的影响。Kim等[16]对比分析了典型的板翅式散热器和针翅式散热器的散热性能,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。夏高举等[17]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4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。K S Yang等[18]研究了包括矩形、圆形、椭圆形截面的针翅的排列方式和排列密度对散热器的传热性能的影响,发现当等距直列时,圆形针状翅片的密度对传热性能的影响较大,而矩形针状翅片的密度对传热性能几乎没有影响;而当交错布置时,3种几何形状的针翅散热器均表现为传热系数随着针翅密度的增大而增大,且在交错布置方式下,椭圆针状翅片散热器的热阻最小。

  在实际半导体制冷模组工作中,半导体制冷芯片的高效工作离不开有效的散热方式,散热器散热效果越好,热端温度越低,冷、热端温差越小,其制冷效率越高[19-21]。本文对半导体制冷模组的风冷热沉散热模型进行了仿真模拟计算,对不同材料和不同翅片参数的散热器在不同风速下的散热性能进行了对比和分析,探究不同板翅式散热器散热性能之间的差异。通过对比和优化,综合散热器的材料损耗和散热性能2个方面,得到实际工况下最佳模型结构参数,为半导体制冷模组提高热端散热能力、提升制冷性能,提供理论依据和工程指导。

  1物理模型与模拟求解
      1.1模拟方法与过程

  图1(a)所示为所采用的板翅式散热器结构图,其中h为翅片高度,d为翅片间距,t为翅片厚度。散热器翅片和基板材料为铜或铝,流体介质为空气,其物理性质参数如表1所示。

本文主要探究在通风环境下半导体制冷片热端的温度变化情况,用于实际项目中对热电制冷模组热端散热的设计与探究。利用COMSOL®Multiphysics®软件,对热端的板翅式散热器进行数值仿真模拟分析,在进行数值模拟计算之前对其进行以下假设和条件:(1)散热器的材料分布均匀且在不同方向上的物理性质参数具有各向同性;(2)假设空气连续稳定且不可压缩,其物性参数中除了密度会随着温度的变化而变化外,其余物性参数保持不变,入口空气温度为303.15 K(30°C);(3)重力加速度沿z轴负方向向下,大小为9.8 m/s2。

  故只需选择对流传热模型,对于流体的湍流计算使用标准的k-ε湍流模型,三维稳态不可压定常流动控制方程如下。

式中:p为静压;η为空气黏度;g为重力加速度;ρ0为环境温度下的空气密度。

  图1(b)所示为散热器与风道的仿真模型计算域,右侧设置为速度入口模拟风扇吹入风道,左侧设置为压力出口,其他面设置为流体壁面。为简化计算,在发热面施加恒定热流来替代制冷片热端提供的恒定热源,并按照半导体制冷片的布置方式和尺寸大小设置。计算域中其他面设置为环境温度、初始压力和速度下的对应边界条件,本文中假设环境温度和初始压力分别为303.15 K(30°C)和1.013 25×105 Pa。

  1.2网格无关性验证

  数值模拟中采用结构化网格,为了确保数值仿真计算过程的效率和结果的准确性,在计算过程中对散热器的模型分别采用粗糙、中等和精细3种不同等级的网格进行计算,进行网格无关性检验,其中一组相同条件下各等级网格的网格数目和其对应的计算结果(散热器热端最高温度)如表2所示。

综合计算速度与计算精度,在后续的对比分析中采用中等密度等级网格对目标模型进行网格划分。
      2结果与讨论

  图2(a)所示为散热器温度三维分布图,可以看出翅片温度在y方向上呈对称分布,中心温度较高,周围区域温度较低。由于热传导和热对流的共同影响,散热器翅片温度在各个方向上的分布特征均有差异。图2(b)所示的散热器基板中心的温度最高,而翅片上的温度随着翅片高度增大逐渐降低并呈发散式分布,因基板部分跟半导体制冷片热端直接接触,对流换热系数小,对流换热效果差。图2(c)所示的散热器温度分布截面上,同一风道的2个散热器同一翅片在x方向上存在温度差异,其中靠近空气入口处散热器的整体温度低于靠近空气出口的散热器,这一差异同样体现在图2(d)的半导体制冷片热端的温度分布上。这主要是由于风扇安装在风道一侧引起的,记散热过程中空气首先流经的散热器为1号散热器,对应的1号半导体制冷片热端最高温度为T1;后流经的为2号散热器,对应的2号半导体制冷片热端最高温度为T2。空气在流经1号散热器时与其发生了对流传热,而后流经2号散热器的空气温度较高,使得对流传热效果较差,导致靠近空气出口的半导体制冷片热端的温度较高,所以半导体制冷片热端的最高温度Tmax出现在靠近空气出口的2号半导体制冷片热端的中心位置。

      2.1风速对散热性能的影响

  风速对散热器散热性能的影响主要表现为不同风速对流体流经散热器时的流动状态有所影响。根据不同雷诺数,流体可分为层流和湍流2种流动状态。由边界层理论可知,不论是层流还是湍流,在固体壁面厚度较小处有一层很薄的流体始终保持层流状态。本文所研究的板翅式散热器的传热过程中,层流边界层是影响传热的主要热阻来源。因此,靠近固体壁面流体的湍流程度变大,层流边界层的厚度会变薄,层流边界层的热阻就会变小,此时翅片壁面对低温流体以及高温流体对风道壁面的给热系数就会变高。湍流程度越大,层流边界层越薄,给热系数就越大,传热效率和散热效率就越高。因此,提高流经散热器的流体风速理论上会增大空气在流动时的湍流强度,进而使得空气和散热翅片之间的层流边界层变薄,空气和散热翅片之间的热阻也会变小,从而提高散热器的散热性能。

  如图3所示为铜质散热器在不同风速下,半导体制冷片热端稳定状态下最高温度T的变化曲线。由图可知,随着风速v的增大,热端稳定状态下的最高温度T逐渐降低,且当风速v小于8 m/s时,随着风速v的增大,半导体制冷片热端最高温度T的下降幅度较大;而当风速v大于8 m/s时,随着风速的进一步增大,半导体制冷片热端最高温度T的下降趋于缓和。除此之外,随着风速v由1 m/s增大到10 m/s,1号半导体制冷片热端最高温度T1与2号半导体制冷片热端最高温度T2之间的温差幅度逐渐缩小,由6%降至3%。认为当风速v大于8 m/s时,风速增大所带来的散热器散热性能的提升并不足以弥补增大风速带来的功率损耗,因此在实际中可以采用5~8 m/s的风速对半导体制冷片进行散热。
       2.2材料对散热性能的影响

  市面上常见的散热器材料多为铜或铝,由表1可知,铜最突出的优势是传热系数高,纯铜的传热系数高达401 W/(m·K),在常见的金属中,它仅次于银,远高于铝的237 W/(m·K);而铝最突出的特点是比热容大,纯铝的比热容高达880 J/(kg·K),是铜材料的2.31倍。

  本文对2种材料的散热器进行了数值计算对比分析,图4所示为铜质与铝质散热器在不同风速v下,半导体制冷片热端稳定状态下的最高温度Tmax变化曲线。由图可知,不同风速v下,采用铜散热器的半导体制冷片热端的最高温度Tmax均低于同条件下铝散热器,这表示相同结构的铜散热器的散热性能强于铝散热器。一方面,由于存在散热器与热端直接接触的底座部分,传热系数更高的铜翅片升温更快,从而与周围空气的温差更大,铜质散热器散热效率因此更高;另一方面,在对比中,保持不变的往往并不是散热器的质量,而是相同结构下散热器的体积,而在密度上,铜有着巨大的优势。如前文所述,铝的比热容是铜的2.31倍,但是纯铜的密度高达铝的3.3倍。经过计算可以得知,同等体积的铜反而能多吸收约30%~40%的热量,虽然铜比热容更小,但得益于密度上的优势,相同结构的铜质散热器反而有更大的热容量。在综合散热性能、质量和成本等多方面因素的考虑下,最终选取铜质散热器作为试剂仓半导体制冷片热端的散热器。

      2.3翅片参数对散热性能的影响

  由前文可知,在不改变其他翅片参数时,减小翅片间距d、增大翅片厚度t或增大翅片高度h,会使得散热器的金属体积增大,理论上可以吸收更多的热量,加强对流传热,提高传热效率,从而提高散热器的散热性能。图5所示为改变翅片参数对散热器散热性能的影响。图5(a)~(c)为其他翅片参数不变且相同风速v,不同翅片间距d、厚度t和高度h下,1号半导体制冷片热端最高温度T1与2号半导体制冷片热端最高温度T2的变化曲线。可以发现,图5(a)中随着翅片间距的增大,T1与T2均随之增大,T1与T2的温差幅度则是在翅片间距d为1.5~2 mm时较小。这主要是由于翅片间距的增大使得散热器的金属体积减小的同时,也使得翅片与翅片之间的流体通道数量减少,削弱了对流传热,从而使得散热器的散热性能下降。而由图5(b)~(c)可以发现,翅片厚度t和翅片高度h的改变对半导体制冷片热端稳定状态下的最高温度影响并不大。相同风速下,散热性能的衡量维度并不是单一的,热端稳定状态下的最高温度相差不大,只是表示在散热时间足够长的情况下,研究中几组参数下的散热器均能将热端温度降到同一范围内,风速越大差距越小。而如果在对降温时间有限制的工况下,翅片高度h和翅片厚度t的增大将大幅缩短降温时间从而满足需求。本文研究对象并无降温时间的限制,综合考虑散热性能和成本等因素,最终选择在满足工作使用的前提下减小原散热器的翅片高度,提高散热器的经济性。

       3结束语

  本文针对试剂仓半导体制冷模组中热端的矩形翅片式散热器建立了物理和数学模型,对模型的数值仿真计算结果进行了对比分析。在保证模型计算精度和准确性的基础上,分别探究了散热器材料、风速大小以及翅片参数对散热器散热性能的影响,主要得出以下结论。

  (1)风扇的安装位置直接影响半导体制冷片热端的温度分布,可通过改变风扇安装位置改善温度分布均匀性。

  (2)相同结构的铜散热器的散热性能要强于铝散热器。主要原因是同等体积的铜能比铝多吸收约30%~40%的热量,同时传热系数高的铜翅片升温更快,与周围空气的温差更大。

  (3)风速对散热器散热性能的影响体现在随着风速不断增大,散热器的散热性能逐渐增强。在实际应用中可以采用5~8 m/s的风速对散热器进行散热。

  (4)在对降温时间无限制的工况下,合理减小翅片高度h和翅片厚度t在提升散热器经济性的同时并不会显著降低其散热性能。

 

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