半導(dǎo)體制冷箱的宏觀設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

于俊達(dá)，彭寧濤，張 華，閆獻(xiàn)國，張光新，李 根

（1.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007；3.山西省正誠礦山安全技術(shù)研究所，山西 太原 030012）

0 引言

半導(dǎo)體制冷又叫做溫差制冷或熱電制冷，是一種近年發(fā)展起來的新興制冷技術(shù)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、無磨損、無噪聲、壽命長、無需制冷液、絕對(duì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］，可應(yīng)用于電子、醫(yī)藥、科研實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合，有著廣闊的發(fā)展前景。

與傳統(tǒng)的機(jī)械壓縮式制冷相比，半導(dǎo)體制冷效率低，且其制冷效果受環(huán)境溫度的影響很大，因此本文針對(duì)某自制的半導(dǎo)體制冷箱（容積為10L，保溫層材料為聚苯乙烯泡沫塑料板，制冷片型號(hào)為TEC1－12706，數(shù)量為6片，且均勻布置在制冷箱的頂面，環(huán)境溫度為30℃），為了盡可能地增大其制冷效率，對(duì)其制冷箱電路、制冷箱內(nèi)膽形狀及保溫層的厚度進(jìn)行了優(yōu)化。

1 制冷箱電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)溫差不變時(shí)，制冷量Qc與電流I 成二次函數(shù)，且函數(shù)曲線為開口向下的拋物線。制冷量Qc剛開始隨電流的增大而增大，當(dāng)電流增大到某一值時(shí)制冷量達(dá)到最大值，然后隨著電流的增大制冷量反而下降，并逐漸降為零。因此可以用求極大值的方法求出制冷量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳電流Iopt。

制冷箱電路的設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的條件及需實(shí)現(xiàn)的功能為：①盡可能使通過制冷片的最大電流為制冷量最大時(shí)的最佳電流；②由于半導(dǎo)體制冷片本身具有一定的電阻，各制冷片并聯(lián)時(shí)通過制冷片的電流更大，因此制冷片在電路中采用并聯(lián)連接；③整個(gè)電路設(shè)置一個(gè)電源開關(guān)，制冷片和風(fēng)扇分別單獨(dú)設(shè)置一個(gè)電源開關(guān)；④制冷箱能同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷／加熱功能，設(shè)置切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)制冷箱制冷／加熱間的切換，并設(shè)置指示燈，使制冷時(shí)為藍(lán)色LED 燈亮，加熱時(shí)為紅色LED 燈亮；⑤制冷箱工作時(shí)功率可以調(diào)節(jié)，并根據(jù)功率的大小設(shè)置3個(gè)檔位；⑥為降低制冷箱工作時(shí)箱內(nèi)溫度的不均勻性，制冷箱功率的大小通過調(diào)節(jié)流過所有制冷片總電流的大小來控制。根據(jù)上述6條規(guī)則設(shè)計(jì)出的制冷箱電路圖見圖1。

圖1 制冷箱電路布置圖

（1）電源開關(guān)：K0為控制整個(gè)電路通斷的電源開關(guān)，K1、K3分別為控制風(fēng)扇和制冷片開啟／停止的開關(guān)。

（2）制冷／加熱切換：通過電流換向開關(guān)K2控制半導(dǎo)體制冷片中電流的流向來切換制冷箱的制冷／加熱。當(dāng)換向開關(guān)K2與觸點(diǎn)A、B2連接時(shí)，若開關(guān)K0、K3、K4閉合，電流的流動(dòng)路線為：電源正級(jí)—觸點(diǎn)A—經(jīng)并聯(lián)分流后分別流向6片半導(dǎo)體制冷片和發(fā)光二級(jí)管LED1—觸點(diǎn)B2—電源負(fù)級(jí)，此時(shí)流過半導(dǎo)體制冷片的電流為正向電流，且LED1燈亮（藍(lán)色），制冷箱處于制冷狀態(tài)；同理，當(dāng)換向開關(guān)K2與觸點(diǎn)B1、C連接時(shí)，流過半導(dǎo)體制冷片的電流為反向，且LED2燈亮（紅色），制冷箱為加熱態(tài)。

（3）工作功率控制：通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)K4控制接入電路中電阻的個(gè)數(shù)，達(dá)到改變流過每片制冷片電流的大小來控制制冷箱功率的目的。當(dāng)K4與觸點(diǎn)I連接時(shí)，R2和R3兩個(gè)電阻都接入電路中，此時(shí)電路中的電阻最大，從而流過每片制冷片的電流最小，制冷箱工作功率最小；當(dāng)K4與觸點(diǎn)J連接時(shí)，只有R3一個(gè)電阻接入電路中，此時(shí)電路中的電阻變小，從而流過每片制冷片的電流變大，功率增大；當(dāng)K4與觸點(diǎn)K 連接時(shí)，R2和R3都沒有接入電路中，此時(shí)電路中的電阻最小，從而流過每片制冷片的電流最大（即最佳電流），功率最大。

2 制冷箱結(jié)構(gòu)尺寸的有限元優(yōu)化

有限元優(yōu)化時(shí)的基本假設(shè)為：①采用水冷散熱器散熱，制冷箱內(nèi)膽容積為10L，6片制冷片均勻分布在箱體頂面，保溫層的材料為聚苯乙烯泡沫塑料板；②環(huán)境溫度為30℃，制冷片熱端采用水冷散熱且散熱良好時(shí)冷端溫度能降到－15 ℃；③制冷箱門封保溫良好，在用ANSYS模擬時(shí)不考慮門封的冷量損失；④制冷過程的熱傳遞主要靠箱體內(nèi)膽的熱傳導(dǎo)和內(nèi)膽中空氣的熱對(duì)流，忽略熱輻射的影響［2］；⑤邊界條件采用第一類邊界條件［3］，取單元長0.05mm 均勻劃分網(wǎng)格［4］。

2.1 制冷箱內(nèi)膽形狀的優(yōu)化

設(shè)制冷箱內(nèi)膽的長、寬、高的初始值分別為250 mm、200mm、200mm。

將制冷箱內(nèi)膽的長和高作為輸入?yún)?shù)（即設(shè)計(jì)變量），箱內(nèi)溫度的最大值作為輸出參數(shù)（即狀態(tài)變量）。由于容積為定值10L，因此只要長和高確定了，寬也會(huì)確定下來［5］。

優(yōu)化時(shí)取1 000個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行比較，把最小化箱內(nèi)溫度最大值作為優(yōu)化目標(biāo)。經(jīng)ANSYS 仿真優(yōu)化后，得到了制冷箱內(nèi)膽的長和高對(duì)箱內(nèi)溫度最大值的權(quán)衡圖，如圖2所示（圖2中越左邊的點(diǎn)表示越好，越右邊的點(diǎn)表示越差）［6］。

由圖2可知：箱體內(nèi)膽的高為125mm～135mm時(shí)比較好，其中130.48mm 最好；長對(duì)制冷箱制冷的影響不大，220 mm～300 mm 之間都比較好，其中244.48mm 最好。

為了方便取放東西，箱體內(nèi)膽的高度應(yīng)不小于150mm，又因?yàn)閮?nèi)膽的長對(duì)制冷效果的影響很小幾乎可以忽略，考慮到箱體的外觀和制造等因素，經(jīng)ANSYS優(yōu)化后，制冷箱內(nèi)膽的長、寬、高分別取320mm、210mm 和150mm。

2.2 制冷箱保溫層厚度的優(yōu)化

令制冷箱保溫層的厚度為設(shè)計(jì)變量，令箱內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)（即中心點(diǎn)）C（160，105，75）的溫度為狀態(tài)變量，保溫層厚度的設(shè)計(jì)范圍為10mm～30mm，間斷性變化（遞增量為1）。優(yōu)化時(shí)取20 個(gè)點(diǎn)作為優(yōu)化比較的樣本點(diǎn)，經(jīng)ANSYS仿真優(yōu)化后，將每個(gè)樣本C 點(diǎn)的溫度值導(dǎo)入Origin軟件中可以得到保溫層厚度與C 點(diǎn)溫度的響應(yīng)曲線圖，如圖3所示。

圖2 內(nèi)膽箱尺寸與溫度最大值權(quán)衡圖

圖3 保溫層厚度與C 點(diǎn)溫度響應(yīng)圖

由圖3可知，當(dāng)保溫層厚度小于20 mm 時(shí)，厚度的變化對(duì)制冷箱內(nèi)C 點(diǎn)溫度影響較大，當(dāng)厚度大于25 mm 時(shí)，厚度對(duì)C 點(diǎn)溫度的影響相對(duì)較小。因此在后邊的模擬和實(shí)驗(yàn)中取制冷箱保溫層的厚度為25mm。

3 制冷箱制冷過程有限元模擬

經(jīng)ANSYS優(yōu)化分析后，確定了制冷箱的結(jié)構(gòu)尺寸。此時(shí)，可利用專業(yè)的CFD 軟件Fluent進(jìn)行制冷箱制冷過程的精確模擬。用Fluent模擬時(shí)將time選項(xiàng)設(shè)置為非定常模型unsteady，采用SIMPLE 方式離散壓力－速度，壓力修正松弛因子設(shè)定為1.0，以達(dá)到加快收斂速度的目的。制冷模擬時(shí)間取30min，時(shí)間步長取0.1s，并選擇Autosave，設(shè)置為每1 200步長保存一次（即每2min自動(dòng)保存一次）。后處理時(shí)，取C 點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)。

由Fluent模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到C 點(diǎn)溫度的時(shí)間歷程對(duì)比圖，如圖4所示。

由Fluent模擬也可以得到制冷溫度穩(wěn)定后的制冷箱溫度分布云圖，如圖5所示。

圖4 箱體C 點(diǎn)溫度模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

圖5 制冷箱Fluent分析溫度云圖

由圖4和圖5可知，經(jīng)優(yōu)化后，制冷箱內(nèi)的大部分空間在20min之內(nèi)降到2 ℃～4 ℃左右，當(dāng)C 點(diǎn)溫度穩(wěn)定后，F(xiàn)luent模擬的數(shù)值為1.2 ℃。

4 結(jié)論

本文用ANSYS有限元軟件對(duì)半導(dǎo)體制冷箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，其分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行制冷箱的研制，大大縮短了研發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)其分析結(jié)果對(duì)于其他類型制冷箱的研發(fā)設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 簡棄非，梁榮光，張勇，等.半導(dǎo)體制冷效率及空間冷量傳遞特性試驗(yàn)研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，29（5）：72－75.

［2］ 代彥軍，戴維涵，王如竹.半導(dǎo)體冰箱冷熱端散熱條件實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26（s1）：221－224.

［3］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［4］ 朱紅均，林元華，謝龍漢.FLUENT 流體分析及仿真實(shí)用教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［5］ 徐昌貴，彭寧濤，閆獻(xiàn)國，等.半導(dǎo)體制冷箱的三維有限元優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2012，40（11）：70－75.

［6］ 胡國良，任繼文，龍銘.ANSYS 13.0 有限元分析實(shí)用基礎(chǔ)教程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.