基于ANSYS的半导体温控装置仿真研究

摘 要：

针对管路用小型温控场景，开展了一体化设计的半导体温控装置的研究，能同时实现加热/制冷功能。基于系统传热需求，确定半导体温控装置的热传递路径为热端散热为高密度散热器+高速风机形式，冷端为带流道的铝合金高密度板式换热。并基于ANSYS Icepak仿真软件，建立半导体制冷装置的热传递模型，分别模拟了半导体温控装置热端和冷端的流动传热情况。仿真结果表明，在环境温度为20℃、热负荷为1000W时，半导体温控装置的出液口温度达到6～45℃，满足设计要求。

关键词：半导体制冷；ANSYS仿真；传热；管路温控

半导体制冷是20世纪50年代末发展起来的一种制冷新技术，因它是利用特种半导体材料组成P-N结，通上直流电就能制冷，又称为热电制冷或温差电制冷。它既无复杂机械结构，又无制冷机必需的制冷剂，几秒钟内就可使冷端结霜，制冷迅速。多个制冷片可以根据使用场景任意组合排布，实现制冷量从毫瓦级到千瓦级变化，使用起来方便且应用广泛。并且使用过程中可调性较高，比如改变制冷器的供电电压，可以连续调节制冷量；改变电源供电方向，可以将制冷模式转化为供热[1-3]。基于上述优点，世界各国都对半导体制冷非常重视并组织了较大规模的工艺生产，特别是美、苏、德、法、日等国发展较快，应用广泛，大到核潜艇的空调，小到红外探测器探头的冷却，都与此项技术相联系。中国虽起步较晚，但从20世纪60年代末开始，也生产了性能较好的半导体制冷材料，开辟了它广泛应用的新领域[4-6]。

半导体制冷装置的主要研究方向之一是对半导体制冷片的热端和冷端进行设计[7-8]。本文针对管路用小型温控场景，开展了一体化设计的半导体温控装置的研究，并采用ANSYS仿真软件，建立了半导体制冷装置的热传递模型，并分别模拟了半导体温控装置热端和冷端的流动传热情况。

1 半导体温控装置传热设计

1.1系统传热需求分析

系统流量设为10g/s，试验介质按照水设置，接管为Φ14×2mm，温差按照20～25℃考虑，则系统的热负荷为：

式中：m为质量流量的数值；cp为流体比热的数值；Δt为温度差的数值。系统的热负荷按照1000W考虑。

1.2系统热传递路径

本项目半导体温控装置的热传递路径设计如图1所示。工作介质通过设置在中心的板式换热器内部流道，通过对流换热和热传导方式将热量传至贴有半导体制冷片的板式换热器的外侧，半导体制冷片通入电流后，一端制冷，一端制热，系统热量由冷端吸收，热端释放，半导体制冷片靠近外侧设有高密度平行板式散热器和高速风扇，通过与空气的对流换热将系统热量从半导体制冷片带走，实现对工作介质的温度控制。

对于散热方式的精准选择，通常快速评估产品散热的依据有2个，分别为不同温升幅度下表面热流密度和不同温升幅度下产品的体积功率密度。以空气自然对流散热为例，当允许的表面温差为40℃时，合理的热流密度范围为0.015～0.035W/cm2[9]。本项目选择“散热器+风扇”的强迫风冷散热方式。

1.3半导体制冷片选型

当环境温度为20℃时，通过计算得到，制冷工况下，制冷半导体制冷片的冷端温度需达到0℃，热端温度保持在40℃；制热工况下，制冷片半导体制冷片的热端温度需达到60℃，冷端温度保持在20℃。因此，单个半导体制冷片的温差需达到40℃以上，且制冷量需达到200W。

半导体制冷片按照其制冷目的一般分为2类，即适合大温差小范围使用的多级半导体制冷片和适合小温差大功率使用的单级半导体制冷片，本系统根据热量需求，选取了耐高温、长寿命的单级半导体制冷片。本项目选用的半导体制冷片的制冷量-温差工作曲线如图2所示。

2 ANSYS仿真计算

2.1热端仿真计算

目前，随着计算机性能的提升及数值求解技术的不断完善，热仿真的精度和效率都在日渐提升，热仿真软件已成为热设计工作中最重要的辅助工具之一。下面通过ANSYS Icepak热仿真软件对半导体热端散热情况进行仿真分析。

仿真条件设置：环境温度为20℃，冷却方式为强制对流，风量为抽风设计且风量固定（约170m3/h），热源功耗为1000W，散热器材质为铝合金材质，散热器三维尺寸为643mm×190mm×350mm。

热端仿真计算得到的仿真结果如图3—图5所示。从图中可以看出，在制冷/制热工况下，半导体制冷装置都能对半导体制冷片的散热器端进行有效换热。当环境温度为20℃，半导体制冷片的散热器端为热端时，出液口温度为41℃；当半导体的散热器端为冷端时，出液口温度为20℃，均满足要求。

2.2冷端仿真计算

仿真条件设置：环境温度为20℃，冷却方式为对流换热，流道为三管程蛇形流道设计，热源为1000W。冷端仿真计算得到的仿真结果如图6—图8所示。从图中可以看出，在制冷/制热工况下，板式换热器都能与工作介质进行有效对流换热。当环境温度为20℃，半导体制冷片的板式换热器端为冷端时，出液口温度为5.4℃；当半导体制冷片的板式换热器端为热端时，出液口温度为46.9℃，均满足要求。

3 结论

针对管路用小型温控场景，开展了一体化设计的半导体温控装置的研究，能同时实现加热/制冷功能。基于ANSYS Icepak仿真软件，分别模拟了半导体温控装置热端和冷端的流动传热情况。仿真结果表明，当环境温度为20℃，热负荷为1000W时，半导体温控装置的出液口温度可达到6～45℃，满足设计要求。

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