摘 要：針對管路用小型溫控場景，開展了一體化設計的半導體溫控裝置的研究，能同時實現加熱/制冷功能?；谙到y傳熱需求，確定半導體溫控裝置的熱傳遞路徑為熱端散熱為高密度散熱器+高速風機形式，冷端為帶流道的鋁合金高密度板式換熱。并基于ANSYS Icepak仿真軟件，建立半導體制冷裝置的熱傳遞模型，分別模擬了半導體溫控裝置熱端和冷端的流動傳熱情況。仿真結果表明，在環境溫度為20℃、熱負荷為1000W時，半導體溫控裝置的出液口溫度達到6～45℃，滿足設計要求。

關鍵詞：半導體制冷；ANSYS仿真；傳熱；管路溫控

半導體制冷是20世紀50年代末發展起來的一種制冷新技術，因它是利用特種半導體材料組成P-N結，通上直流電就能制冷，又稱為熱電制冷或溫差電制冷。它既無復雜機械結構，又無制冷機必需的制冷劑，幾秒鐘內就可使冷端結霜，制冷迅速。多個制冷片可以根據使用場景任意組合排布，實現制冷量從毫瓦級到千瓦級變化，使用起來方便且應用廣泛。并且使用過程中可調性較高，比如改變制冷器的供電電壓，可以連續調節制冷量；改變電源供電方向，可以將制冷模式轉化為供熱[1-3]?；谏鲜鰞烖c，世界各國都對半導體制冷非常重視并組織了較大規模的工藝生產，特別是美、蘇、德、法、日等國發展較快，應用廣泛，大到核潛艇的空調，小到紅外探測器探頭的冷卻，都與此項技術相聯系。中國雖起步較晚，但從20世紀60年代末開始，也生產了性能較好的半導體制冷材料，開辟了它廣泛應用的新領域[4-6]。

半導體制冷裝置的主要研究方向之一是對半導體制冷片的熱端和冷端進行設計[7-8]。本文針對管路用小型溫控場景，開展了一體化設計的半導體溫控裝置的研究，并采用ANSYS仿真軟件，建立了半導體制冷裝置的熱傳遞模型，并分別模擬了半導體溫控裝置熱端和冷端的流動傳熱情況。

1 半導體溫控裝置傳熱設計

1.1系統傳熱需求分析

系統流量設為10g/s，試驗介質按照水設置，接管為Φ14×2mm，溫差按照20～25℃考慮，則系統的熱負荷為：

式中：m為質量流量的數值；cp為流體比熱的數值；Δt為溫度差的數值。系統的熱負荷按照1000W考慮。

1.2系統熱傳遞路徑

本項目半導體溫控裝置的熱傳遞路徑設計如圖1所示。工作介質通過設置在中心的板式換熱器內部流道，通過對流換熱和熱傳導方式將熱量傳至貼有半導體制冷片的板式換熱器的外側，半導體制冷片通入電流后，一端制冷，一端制熱，系統熱量由冷端吸收，熱端釋放，半導體制冷片靠近外側設有高密度平行板式散熱器和高速風扇，通過與空氣的對流換熱將系統熱量從半導體制冷片帶走，實現對工作介質的溫度控制。

對于散熱方式的精準選擇，通常快速評估產品散熱的依據有2個，分別為不同溫升幅度下表面熱流密度和不同溫升幅度下產品的體積功率密度。以空氣自然對流散熱為例，當允許的表面溫差為40℃時，合理的熱流密度范圍為0.015～0.035W/cm2[9]。本項目選擇“散熱器+風扇”的強迫風冷散熱方式。

1.3半導體制冷片選型

當環境溫度為20℃時，通過計算得到，制冷工況下，制冷半導體制冷片的冷端溫度需達到0℃，熱端溫度保持在40℃；制熱工況下，制冷片半導體制冷片的熱端溫度需達到60℃，冷端溫度保持在20℃。因此，單個半導體制冷片的溫差需達到40℃以上，且制冷量需達到200W。

半導體制冷片按照其制冷目的一般分為2類，即適合大溫差小范圍使用的多級半導體制冷片和適合小溫差大功率使用的單級半導體制冷片，本系統根據熱量需求，選取了耐高溫、長壽命的單級半導體制冷片。本項目選用的半導體制冷片的制冷量-溫差工作曲線如圖2所示。

2 ANSYS仿真計算

2.1熱端仿真計算

目前，隨著計算機性能的提升及數值求解技術的不斷完善，熱仿真的精度和效率都在日漸提升，熱仿真軟件已成為熱設計工作中最重要的輔助工具之一。下面通過ANSYS Icepak熱仿真軟件對半導體熱端散熱情況進行仿真分析。

仿真條件設置：環境溫度為20℃，冷卻方式為強制對流，風量為抽風設計且風量固定（約170m3/h），熱源功耗為1000W，散熱器材質為鋁合金材質，散熱器三維尺寸為643mm×190mm×350mm。

熱端仿真計算得到的仿真結果如圖3—圖5所示。從圖中可以看出，在制冷/制熱工況下，半導體制冷裝置都能對半導體制冷片的散熱器端進行有效換熱。當環境溫度為20℃，半導體制冷片的散熱器端為熱端時，出液口溫度為41℃；當半導體的散熱器端為冷端時，出液口溫度為20℃，均滿足要求。

2.2冷端仿真計算

仿真條件設置：環境溫度為20℃，冷卻方式為對流換熱，流道為三管程蛇形流道設計，熱源為1000W。冷端仿真計算得到的仿真結果如圖6—圖8所示。從圖中可以看出，在制冷/制熱工況下，板式換熱器都能與工作介質進行有效對流換熱。當環境溫度為20℃，半導體制冷片的板式換熱器端為冷端時，出液口溫度為5.4℃；當半導體制冷片的板式換熱器端為熱端時，出液口溫度為46.9℃，均滿足要求。

3 結論

針對管路用小型溫控場景，開展了一體化設計的半導體溫控裝置的研究，能同時實現加熱/制冷功能。基于ANSYS Icepak仿真軟件，分別模擬了半導體溫控裝置熱端和冷端的流動傳熱情況。仿真結果表明，當環境溫度為20℃，熱負荷為1000W時，半導體溫控裝置的出液口溫度可達到6～45℃，滿足設計要求。

參考文獻：

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【文獻出處】 科技與創新 ,Science and Technology & Innovation , 2023年14期