摘要
热电制冷技术以其环境友好性、无噪音、无振动、结构简单、体积小等优点,在小型电子设备和特殊应用领域中展现出广阔的应用前景。本研究设计了垂直型和平面型热电制冷芯片,通过多物理场仿真分析,系统探讨了结构参数、电流接入方式对一级与二级热电制冷芯片最大制冷温差的影响,为小型电子设备制冷结构的设计和优化提供参考。主要的研究内容和结果如下:
1、建立了一级和二级芯片的理想模型。通过对热电制冷物理过程的分析,建立了一级制冷芯片最大制冷量Qcmax、最大制冷温差 Tmax和最大制冷效率 COPmax的表达式,确定了二级制冷结构在不同电流接入方式下的最大制冷温差和关键影响参数。
2、设计了垂直型和平面型一级制冷芯片,揭示了结构参数对制冷效果的影响规律,获得最优结构参数。其中,热电腿的长度和横截面积对制冷效果的影响相对较小,氮化硅层的厚度与最大制冷温差呈反比关系;达到最大制冷温差所需的电流与热电腿的横截面积成正比,与长度成反比。对比发现,平面型一级制冷芯片在整体性能上优于垂直型芯片,理想情况下可以实现62.66K的最大制冷温差。
3、设计了垂直型和平面型二级制冷芯片,揭示了不同电流连接方式下结构参数对最大制冷温差的影响规律。对于垂直型芯片,增加热电偶数量可降低并联芯片的制冷温差,对应的电流也将减小,而串联芯片的制冷温差先增后减,电流却持续降低;热电腿长度的增加导致并联、串联两种芯片的制冷性能均下降;氮化硅层厚度与制冷温差成反比,电流稳定。平面型芯片中,热电偶数量的增加对并联芯片的制冷温差有先增后减的影响,而串联芯片的温差稳定上升;热电腿长度的变化对并联和串联芯片的制冷温差和电流有相反的影响;热电偶截面积的减小导致并联和串联芯片的制冷温差和电流均上升;氮化硅层厚度的调整对两种芯片的制冷温差有显著影响,但电流保持不变。通过不同类型芯片制冷性能的对比发现,二级平面串联芯片的综合性能最优,理想情况下可实现64.8K的最大制冷温差,并且功耗仅为0.6mW。
关键词制冷芯片；热电效应；仿真分析；小型电子设备
基于热电技术的制冷芯片设计与仿真_陈祖斌.pdf
热门跟贴