基于帕爾貼效應的熱電器件能量輸運過程及其熱設計研究.pdf

1、隨著電子信息和生物醫(yī)療領域快速發(fā)展，儀器、設備的壽命和穩(wěn)定性問題主要集中在熱問題中。熱電制冷作為固態(tài)主動式制冷方式，具有無運動部件、無噪音、易于集成等特性使得其在這些領域其備受關注，加之可以直接通過調(diào)節(jié)其輸入電壓、電流來控制其制冷或制熱溫度，使得熱電制冷技術在涉及到精準控溫的冷卻對象時顯得尤為重要。如何根據(jù)既有的熱電材料制備成高效的熱電制冷器件并且合理的使用在熱管理領域中，成為熱電制冷應用的關鍵所在。目前，研究者主要采用Ioffe教授整

2、理的經(jīng)典熱電轉(zhuǎn)換理論來評價熱電材料和設計、優(yōu)化熱電制冷裝置。然而，該經(jīng)典的熱電制冷能量方程由于其僅僅對熱電材料進行熱電輸運分析，并未有涉及熱電材料制備成熱電器件、模塊產(chǎn)生的其他能量損失，從而導致既有熱電材料并不能高效應用。基于此，本文開展了如下研究工作：
　　首先，對熱電制冷能量輸運做了全面的研究，建立了完整的熱電制冷修正模型，從理論上為熱電材料、器件和裝置提供了聯(lián)系樞紐。確定了熱電制冷過程中的除熱電材料外的能量輸運過程（分別為基

3、板的熱擴散，電極、熱電材料界面的接觸電阻和空氣夾層換熱）；搭建熱電制冷器件接觸電阻率測試平臺，確定了熱電制冷器件接觸電阻率；建立三維熱電制冷熱-電耦合多物理場模型，并且采用熱電制冷器件測試平臺進行了驗證。實驗測試表明在不同工況下的理論計算結(jié)果和實驗結(jié)果的最大溫差低于2.8℃，最大電壓差低于1.5V。利用該多物理場耦合模型對熱電制冷能量輸運過程進行分析，發(fā)現(xiàn)空氣夾層與熱電臂之間的換熱損失基本可以忽略。進而推導獲得了熱電制冷過程修正模型（解

4、析解）。對比分析不同工況下的三維多物理場耦合模型和修正模型，發(fā)現(xiàn)在有效電流（或電壓）范圍內(nèi)，單級熱電制冷制冷量結(jié)果相差不超過10%、雙級熱電制冷制冷量結(jié)果相差不超過5%。
　　其次，基于熱電制冷修正模型，對熱電制冷器件進行關鍵參數(shù)評估。確定了特定條件下，單、雙級熱電制冷器件的優(yōu)化運行工況和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用了四種熱電制冷器件（普通氧化鋁基熱電制冷器件、Au-Ni熱電制冷器件、AlN熱電制冷器件和真空封裝熱電制冷器件），在不同的結(jié)構(gòu)

5、參數(shù)和運行工況下進行了性能對比分析。在給定條件下，發(fā)現(xiàn)熱電制冷模塊存在著最佳的臂長、熱電臂對數(shù)；對于單級熱電模塊當F因子為0.36，在冷熱端溫度分別為0℃和30℃，當熱電臂的截面邊長為1.50mm時，產(chǎn)生最大制冷量的最佳的臂長為0.58mm；而當G因子為1.29mm時，最佳的熱電臂對數(shù)為630。熱電模塊中填充因子的增大可以有效的降低熱電制冷中非熱電材料導致的能量轉(zhuǎn)換損失。一般無需對熱電模塊進行高成本的真空封裝。低導熱的基板材料成為阻礙高

6、熱流密度的熱電制冷器件的瓶頸所在，熱電臂與電極之間的界面材料和制備工藝也有著重要影響。
　　第三，揭示了熱電制冷與冷熱端散熱的耦合機制。將熱電制冷模塊加入冷熱端散熱裝置就形成了熱電制冷裝置。分別對三種冷卻裝置（單級熱電制冷裝置、雙級熱電制冷裝置和被動式冷卻裝置）在不同的冷熱端散熱條件、冷卻溫度和熱電器件結(jié)構(gòu)下進行了分析。當被冷卻對象溫度高于環(huán)境溫度時，宜采用被動式冷卻裝置和單級熱電制冷裝置；而當被冷卻對象溫度低于環(huán)境溫度時，宜采用

7、單雙級熱電制冷裝置。隨著冷熱端溫度變化，三種裝置制冷量（冷卻能力）變化的劇烈程度依次為被動式冷卻裝置、單級熱電制冷裝置和雙級熱電制冷裝置。對于較低的工作溫度、較大的冷熱端熱阻，宜選用雙級熱電制冷裝置。熱電裝置中存在著使熱電制冷裝置達到制冷量峰值的最佳熱電臂長和n（熱電臂對數(shù)）。最佳G因子和最佳n值均隨著熱端熱阻的降低而增大，隨著工作溫度的升高而增大，相應的制冷量峰值也大幅度提高，說明可以采用微型和高封裝密度的熱電器件來強化高熱流密度的芯

8、片散熱。
　　最后，基于上述熱電制冷與冷熱端散熱耦合機制，針對生物醫(yī)藥領域電泳儀精準溫控和芯片高效散熱需求，完成了適合不同散熱對象的熱電制冷裝置的熱設計。在IEF（等電聚焦電泳儀）溫度控制裝置中，采用了兩級熱電制冷器件來擴展IEF電泳溫度區(qū)間，由國際同類產(chǎn)品（美國的GE Ettan IPGphor3和Bio-rad PROTEAN i12）的15℃~25℃擴展到10℃~30℃。解決了熱電制冷模塊與IEF冷卻板熱流密度不匹配的問題，