热电冷却器的有限元热分析

摘要：针对热电冷却器在电子设备散热中的应用，参照冷却器的材料属性和工艺结构，在有限元软件中构建其3D模型，并根据冷却器实际工作环境加载参数，得到热电冷却器的稳态电压云分布和温度场分布图;根据仿真的热特性结果，分析热电冷却器在电子散热应用中的工作情况，并为电子设备散热中热电冷却器的结构设计和改进提供理论参考，不仅可以降低设计的成本，还能大大减少研究的时间周期。

引言

　　随着电力电子产品设计中集成电路的发展和广泛使用，电子产品趋向于更小的尺寸、更多的元器件和实现的功能更大化，这意味着电子组件的发热密度逐渐增加。电子器件的温度的升高大大降低了电子产品的寿命和工作效率，阻碍着电子组件技术的发展。如何降低电子组件和设备的工作温度，成为电力电子中一个重要的研究热点。

　　电子产品散热研究中，为了降低组件和设备的温度，人们不仅从电子产品的材料、封装形式及结构等各方面进行优化，还有主动式和被动式的温度散热技术。其中包括被动式的散热翅片、热管散热等，主动式的散热翅片加装风扇、水冷系统和热电冷却器(Thermoeletric cooler)。热电冷却器(如图1)是较新的散热技术，因其体积小、实现简单，已逐渐广泛应用于小型集成型的电子组件中。热电冷却器也被称为珀尔帖制冷器(文中简称TEC)，是一种以不同导体材料连接成电偶并在闭合回路中通以直流电流，在其两端节点产生制冷和制热的功能(如图2)，可以用作小型热泵的电子元件。TEC在电子设备散热中，材料的冷端连接电子设备，热端连接散热器，对降低电子设备温度和加快热量的散化发挥起到很大的作用。而且，某些特定的情况下热电冷却器是唯一的选择。相对其他制冷设备，热电制冷器具有体积小、环保、维护简单等优点。

　　本文以单层热电冷却器(TEC)为分析对象，利用有限元软件建立3D模型，在此基础上进行仿真并得出其温度分布图，根据仿真的热特性结果，分析热电冷却器在电子散热应用中的工作情况，并为电子设备散热中热电冷却器的结构设计和改进提供理论参考。

1 有限元软件中TEC三维模型的创建和运算方程

1.1 热电冷却器(TEC)热分析运算方程

　　TEC是由半导体P-N结电路组合成的电子组件，当在此闭合回路中通以直流电流(DC)I 时，在其两端的结点出现peltier效应，电偶臂结点处吸收的热量为：

(1)

　　式中：为P型和N型半导体材料的温差电动热，又称塞贝克系数V/℃;I为直流电流，A;T_c为冷端温度，K;π=(α_P-α_N)T_c，π为珀尔贴系数，单位为V，又称珀尔贴电压;

　　在TEC的工作过程中，冷端与热端之间的净热传量为Q_c^[1]。

　(2)

　　式中，R为TEC的电阻抗值;k为TEC热传导系数;ΔT=T_h-T_c，为热面与冷面之间温度差。

1.2 TEC热分析三维模型的建立

　　ANSYS求解的一般流程为建立计算模型、设定问题参数、网格划分、施加载荷、求解问题和显示结果^[2-3]。本文以单层热电冷却器为实验对象根据TEC实际结构尺寸建立其三维模型，再定义N型、P型半导体和铜盖板的材料属性(包括材料的电阻系数、热传导系数和赛贝克系数，如表1所示)，然后采用自定义单元密度对模型进行网格剖分，最后施加边界约束条件。电流载荷使得仿真条件与实际工作环境相同，并进行仿真得到可靠的实验结果。(图3为TEC工作中的三维模型)。

　　实验中，直流电流(DC)I=28.7A，热端温度边界条件为54℃，冷端温度边界条件为0℃;图3中TEMP是TEC中热量传导介面，VOLT箭头部分是加载在热电冷却器两端的电压，AMPS表示通电本体，CP是热端与冷端之间的耦合。

2 TEC有限元仿真结果及分析

2.1 有限元热分析仿真结果

　　TEC在电子设备散热的工作过程中，半导体的两端产生了热量的传递，形成温度分布差异，此外还产生了电压场的分布差异。ANSYS对于这类工程问题，可以求解并得到TEC工作达到稳态后的温度场和电压场的云分布结果^[4]。仿真结果如图4、图5所示。

　　图4中可见TEC的最高温度，即热端温度为56.4℃;最低温度，即冷端温度为6.27℃。图中出现的热端到冷端之间的颜色变化是由于电路中产生了珀尔贴效应。

　　图5是TEC工作中的电压云分布，N型半导体端的电压为0.39V，而P型半导体材料端的电压为0.004V。这是由于与直流电源连接的两极的材料分别为N型半导体和P型半导体，在闭合回路中，半导体材料中的多数载流子的扩散运动形成电动势的差异，即塞贝克效应。热电冷却器的工作原理本质上就是电路中所产生的珀尔贴效应与塞贝克效应。

　　TEC由于其热特性，不仅可用于制冷还可用于制热。在电子设备散热应用中，TEC的冷端面接触电子设备，热端通常与散热器结合，能有效降低电子设备工作温度和加快热量的散发，在小型电子产品散热中起到重要的作用。

3 结论

　　电子设备散热^[5]的研究中，热电冷却器的技术是目前较新的技术，拥有很大的应用和发展空间。文章在有限元分析软件中对TEC建立了3D模型，并根据热分析法计算仿真得到稳态温度场分布和电压场分布，最后对仿真结果图进行分析。目前热电冷却器的结构主要为层型，通过这次仿真分析可知在实际应用中，我们可结合电子设备的结构设计和完善热电冷却器的结构，使其与电子设备接触面和电子散热器结合的更好，并且在实物试验之前可利用ANSYS软件先进行模拟仿真分析，分析其理论优化结构及可行性，再进行实物制造，可节省成本和研究时间。

参考文献：

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第4期第43页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。