熱電冷卻器的有限元熱分析

摘要：針對熱電冷卻器在電子設(shè)備散熱中的應用，參照冷卻器的材料屬性和工藝結(jié)構(gòu)，在有限元軟件中構(gòu)建其3D模型，并根據(jù)冷卻器實際工作環(huán)境加載參數(shù)，得到熱電冷卻器的穩(wěn)態(tài)電壓云分布和溫度場分布圖;根據(jù)仿真的熱特性結(jié)果，分析熱電冷卻器在電子散熱應用中的工作情況，并為電子設(shè)備散熱中熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進提供理論參考，不僅可以降低設(shè)計的成本，還能大大減少研究的時間周期。

引言

　　隨著電力電子產(chǎn)品設(shè)計中集成電路的發(fā)展和廣泛使用，電子產(chǎn)品趨向于更小的尺寸、更多的元器件和實現(xiàn)的功能更大化，這意味著電子組件的發(fā)熱密度逐漸增加。電子器件的溫度的升高大大降低了電子產(chǎn)品的壽命和工作效率，阻礙著電子組件技術(shù)的發(fā)展。如何降低電子組件和設(shè)備的工作溫度，成為電力電子中一個重要的研究熱點。

　　電子產(chǎn)品散熱研究中，為了降低組件和設(shè)備的溫度，人們不僅從電子產(chǎn)品的材料、封裝形式及結(jié)構(gòu)等各方面進行優(yōu)化，還有主動式和被動式的溫度散熱技術(shù)。其中包括被動式的散熱翅片、熱管散熱等，主動式的散熱翅片加裝風扇、水冷系統(tǒng)和熱電冷卻器(Thermoeletric cooler)。熱電冷卻器(如圖1)是較新的散熱技術(shù)，因其體積小、實現(xiàn)簡單，已逐漸廣泛應用于小型集成型的電子組件中。熱電冷卻器也被稱為珀爾帖制冷器(文中簡稱TEC)，是一種以不同導體材料連接成電偶并在閉合回路中通以直流電流，在其兩端節(jié)點產(chǎn)生制冷和制熱的功能(如圖2)，可以用作小型熱泵的電子元件。TEC在電子設(shè)備散熱中，材料的冷端連接電子設(shè)備，熱端連接散熱器，對降低電子設(shè)備溫度和加快熱量的散化發(fā)揮起到很大的作用。而且，某些特定的情況下熱電冷卻器是唯一的選擇。相對其他制冷設(shè)備，熱電制冷器具有體積小、環(huán)保、維護簡單等優(yōu)點。

　　本文以單層熱電冷卻器(TEC)為分析對象，利用有限元軟件建立3D模型，在此基礎(chǔ)上進行仿真并得出其溫度分布圖，根據(jù)仿真的熱特性結(jié)果，分析熱電冷卻器在電子散熱應用中的工作情況，并為電子設(shè)備散熱中熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進提供理論參考。

1 有限元軟件中TEC三維模型的創(chuàng)建和運算方程

1.1 熱電冷卻器(TEC)熱分析運算方程

　　TEC是由半導體P-N結(jié)電路組合成的電子組件，當在此閉合回路中通以直流電流(DC)I 時，在其兩端的結(jié)點出現(xiàn)peltier效應，電偶臂結(jié)點處吸收的熱量為：

(1)

　　式中：為P型和N型半導體材料的溫差電動熱，又稱塞貝克系數(shù)V/℃;I為直流電流，A;T_c為冷端溫度，K;π=(α_P-α_N)T_c，π為珀爾貼系數(shù)，單位為V，又稱珀爾貼電壓;

　　在TEC的工作過程中，冷端與熱端之間的凈熱傳量為Q_c^[1]。

　(2)

　　式中，R為TEC的電阻抗值;k為TEC熱傳導系數(shù);ΔT=T_h-T_c，為熱面與冷面之間溫度差。

1.2 TEC熱分析三維模型的建立

　　ANSYS求解的一般流程為建立計算模型、設(shè)定問題參數(shù)、網(wǎng)格劃分、施加載荷、求解問題和顯示結(jié)果^[2-3]。本文以單層熱電冷卻器為實驗對象根據(jù)TEC實際結(jié)構(gòu)尺寸建立其三維模型，再定義N型、P型半導體和銅蓋板的材料屬性(包括材料的電阻系數(shù)、熱傳導系數(shù)和賽貝克系數(shù)，如表1所示)，然后采用自定義單元密度對模型進行網(wǎng)格剖分，最后施加邊界約束條件。電流載荷使得仿真條件與實際工作環(huán)境相同，并進行仿真得到可靠的實驗結(jié)果。(圖3為TEC工作中的三維模型)。

　　實驗中，直流電流(DC)I=28.7A，熱端溫度邊界條件為54℃，冷端溫度邊界條件為0℃;圖3中TEMP是TEC中熱量傳導介面，VOLT箭頭部分是加載在熱電冷卻器兩端的電壓，AMPS表示通電本體，CP是熱端與冷端之間的耦合。

2 TEC有限元仿真結(jié)果及分析

2.1 有限元熱分析仿真結(jié)果

　　TEC在電子設(shè)備散熱的工作過程中，半導體的兩端產(chǎn)生了熱量的傳遞，形成溫度分布差異，此外還產(chǎn)生了電壓場的分布差異。ANSYS對于這類工程問題，可以求解并得到TEC工作達到穩(wěn)態(tài)后的溫度場和電壓場的云分布結(jié)果^[4]。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

　　圖4中可見TEC的最高溫度，即熱端溫度為56.4℃;最低溫度，即冷端溫度為6.27℃。圖中出現(xiàn)的熱端到冷端之間的顏色變化是由于電路中產(chǎn)生了珀爾貼效應。

　　圖5是TEC工作中的電壓云分布，N型半導體端的電壓為0.39V，而P型半導體材料端的電壓為0.004V。這是由于與直流電源連接的兩極的材料分別為N型半導體和P型半導體，在閉合回路中，半導體材料中的多數(shù)載流子的擴散運動形成電動勢的差異，即塞貝克效應。熱電冷卻器的工作原理本質(zhì)上就是電路中所產(chǎn)生的珀爾貼效應與塞貝克效應。

　　TEC由于其熱特性，不僅可用于制冷還可用于制熱。在電子設(shè)備散熱應用中，TEC的冷端面接觸電子設(shè)備，熱端通常與散熱器結(jié)合，能有效降低電子設(shè)備工作溫度和加快熱量的散發(fā)，在小型電子產(chǎn)品散熱中起到重要的作用。

3 結(jié)論

　　電子設(shè)備散熱^[5]的研究中，熱電冷卻器的技術(shù)是目前較新的技術(shù)，擁有很大的應用和發(fā)展空間。文章在有限元分析軟件中對TEC建立了3D模型，并根據(jù)熱分析法計算仿真得到穩(wěn)態(tài)溫度場分布和電壓場分布，最后對仿真結(jié)果圖進行分析。目前熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)主要為層型，通過這次仿真分析可知在實際應用中，我們可結(jié)合電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和完善熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)，使其與電子設(shè)備接觸面和電子散熱器結(jié)合的更好，并且在實物試驗之前可利用ANSYS軟件先進行模擬仿真分析，分析其理論優(yōu)化結(jié)構(gòu)及可行性，再進行實物制造，可節(jié)省成本和研究時間。

參考文獻：

　　[1]孫薊泉，劉慶國.傳熱學[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，1997

　　[2]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004

　　[3]李琴，朱敏波，劉海東.電子設(shè)備熱仿真技術(shù)及軟件應用[J].計算機輔助工程.2010,08(19)

　　[4] 李少林，鄭偉，瞿誠，等.基于ANSYS的熱電冷卻器有限元分析[J].大眾科技，2012,12，14(160)：81~83

　　[5] 張淼，華楚霞.大功率LED路燈散熱器優(yōu)化設(shè)計研究[J].光電子技術(shù):研究與試制，2014，34(1):63-67

　　[6]HU Jian-zheng, YANG Lian-qiao, Hwang Woong Joon, et al. Thermal and mechanical analysis of delamination in GaN-based light-emitting diode packages [J]. Journal of Crystal Growth (s0022-0248), 2006,288:157-161

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第43頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。