熱電制冷
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2021-09-06
熱電制冷的實例教程
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（五）-熱電制冷器
CAE白堤
熱電制冷器
熱電制冷器（thermoelectric cooler）TEC，就像一個偏平三明治，即兩塊板夾著一個P-N結連接電路。其利用半導體材料的帕爾貼效應進行制冷或者制熱。帕爾貼效應是指當一塊N型半導體和一塊P型半導體連接成電偶時，并且在串聯的閉合回路中通以直流電流時，在其兩端的節點將分別產生吸熱和放熱現象。當然除了帕爾貼效應外，這過程中還涉及賽貝克效應、焦耳熱效應和熱傳導效應等。
冷端吸收的凈熱量：
熱電制冷器簡化
直接簡化為立方體，并設置其對應參數；
注：TEC的冷端和熱端默認不受用戶定義的邊界條件的限制；
作為軟件特殊計算處理，在計算結果中顯示為絕緣體；
尤其冷熱端的溫差必須在TEC運行范圍內；
文章作者：白堤，碩士，有限元設計圈主編，就職于國內某知名企業，主要從事熱設計仿真工作。大佬們都還在努力，更何況自己還只是個學習者。希望通過微信公眾號拋磚引玉，結交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修遠矣，我將上下而求索。
展開 來源 | Science，北航新聞網
01
背景介紹
熱電技術已廣泛應用于廢熱回收和固態制冷等關鍵領域。其中，熱電制冷是利用帕爾帖效應直接將電能轉換為熱能的綠色制冷技術，僅通過調節工作電壓和電流就可以實現對制冷量和溫度的連續高精度控制。熱電制冷技術由于其控溫精準、尺寸靈活、結構多樣和局部冷卻等眾多優勢，在精確制導、傳感器和5G光模塊等關鍵領域具有比傳統的機械壓縮式制冷技術更強的競爭優勢。因此，研發高性能制冷材料，提升制冷器件的制冷效率，對于諸多科技自立自強等關鍵領域的精確溫控具有重要意義。
器件的制冷效率主要由材料的無量綱熱電性能優值（ZT值）決定。由ZT值的定義ZT = (S2σ/κ) T 可知，在給定溫度T下，高性能材料應具有大的溫差電動勢S（產生大的電壓），高的電導率σ（減小焦耳熱損耗）和低的熱導率κ（產生大的溫差）。然而各個物理參數之間的復雜聯系形成了緊密的聲子-電子耦合關系，使得熱電材料的性能優化極其具有挑戰性，調控這些強烈耦合的復雜熱電參數是提高材料ZT值和制冷效率的關鍵。
目前，碲化鉍（Bi2Te3）基材料仍為唯一的可應用的熱電制冷材料，然而Te元素的地殼稀缺程度等同于白金（且光伏材料CdTe占據一半市場份額），再且 Bi2Te3及熱電制冷器件存在可加工性能差、制冷性能不足和運行功耗過高等問題，探索和開發新型熱電制冷材料及器件至關重要。
展開 為了解決溫度升高和能耗問題，提出了一種基于帕爾貼效應的熱管理方案，利用七個熱電制冷器和十九個電阻加熱片組成的主動補償系統來校正反射鏡面形。本文還提出了一個包含了帕爾貼效應的修正反射鏡面形補償數學模型。通過優化施加到熱電制冷器的電流和電阻加熱片上的熱通量，結果顯示最大溫度和變形都有顯著降低。高度誤差RMS降低到亞納米級別，斜率誤差RMS降低到100 nrad以下。與REAL方案相比，能耗減少了57%以上，證實了使用熱電制冷器對于降低能耗是有效的。</p><p><br></p><p><strong>挑戰/需求</strong></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202601/attachment/50bab90277ae4292b491fb3934e72a0a.png" style="display: inline-block;">
<img src="https://img.jishulink.com/202601/attachment/50bab90277ae4292b491fb3934e72a0a.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202601/attachment/50bab90277ae4292b491fb3934e72a0a.png?
展開 微觀結構演變的原理圖、改進的熱電性能、模塊的冷卻性能。A：燒結溫度對樣品組織結構的影響示意圖，B：超細晶和多孔結構對MgAgSb晶格熱導率的降低效果，C：超細晶和多孔結構MgAgSb與其他方式優化MgAgSb材料的熱電優值對比，D：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大溫差對比，E：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大COP對比。
圖2. 在473 K條件下燒結的樣品微觀結構表征圖。
圖3. 熱性能分析。
圖4. 電輸運性能和優良熱點效率。
END
★ 平臺聲明
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展開 image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_601" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202109/fcc354a7a88e422792ca5f6fbd216694.png"></p></div><p>電卡制冷技術在穿戴熱管理、電池熱管理、芯片原位熱管理、新能源汽車熱管理等戴車電池熱管理中的應用。</p><p> 此次采用Comsol傳熱和電流模塊結合弛豫鐵電納米復合物的介電熵變方程來描述電卡器件的制冷仿真，上下兩端耦合熱電器件進行控溫和熱絕緣。</p><p><br></p><p>熱電+電卡制冷溫度分布動圖：</p>
</div><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%"><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/ab5e1eb5551e4737a5630b168bd2cba4.gif" title="動畫.gif" alt="動畫.gif" style="max-width: 760px; width: 548px; height: 388px;" width="548" height="388" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202109/ab5e1eb5551e4737a5630b168bd2cba4.gif?
展開 
熱電制冷的最新內容
尤其在高速率光模塊如400G/800G應用中，熱電制冷器（TEC）等精密元件的引入使得可靠性測試更為關鍵，任何微小的性能偏差都可能導致系統性能大幅下降
02
可靠性測試的整體框架
完整的光模塊可靠性測試框架通常包含環境可靠性測試、機械可靠性測試、壽命測試等多個維度。
與REAL方案相比，能耗減少了57%以上，證實了使用熱電制冷器對于降低能耗是有效的。
比如，避免智能手機過熱的解決方案，受到機身內部空間的限制，唯一可以散熱的地方是設備周圍的空氣；而戰斗機上的航空電子設備包具有高壓，且有冷空氣可以吹入外殼；工業物聯網設備可能無法接觸到低溫環境、冷空氣或水，因此，機載熱電制冷器可能是該應用的最佳解決方案。同樣，特定行業的標準和法規可能會最終決定可使用的熱管理方法。
特別是與REAL方案相比，能耗減少了57%以上，證實了使用熱電制冷器對于降低能耗是有效的。
D散熱器/冷板形態設計
E熱管布局、VC選型
F風扇選型
G泵的選型
H熱源布局
I風道設計、液冷流道設計
J開孔率影響
K過孔影響
L芯片封裝熱阻影響
M單板含銅量、銅分布影響
N環境溫度影響
O設備放置姿態影響
P流體工質影響
Q風扇或泵的控速
R熱電制冷片選擇
：熱電制冷、輻射制冷、相變制冷等
技術成果與創新產品展示：實驗室技術與成果、企業新品首發、專利技術等
終端應用：功率器件及模塊、通信、消費電子、工控電腦、人工智能、醫療設備、智能安防、激光、電動汽車、分析檢測、光伏等
03
iTherMEXPO2023回顧
04
展位&贊助
：熱電制冷、輻射制冷、相變制冷等
技術成果與創新產品展示：實驗室技術與成果、企業新品首發、專利技術等
終端應用：功率器件及模塊、通信、消費電子、工控電腦、人工智能、醫療設備、智能安防、激光、電動汽車、分析檢測、光伏等
03
iTherMEXPO2023回顧
04
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</li><li class="ql-align-justify">場景分析：支持固體導熱、自然對流、輻射、強制風冷、液冷、固液相變制冷、熱電制冷、焦耳熱等散熱場景的分析。</li><li class="ql-align-justify">降階計算：生成復雜導熱問題的BCI-ROM模型（邊界條件無關的降階模型），幫助建立系統仿真中的快速熱分析。
目前電子設備的散熱方式可分為自然散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱電制冷和熱管冷卻等。
風冷散熱一般指采用風扇、空調等設備對機箱機柜進行散熱，其主要特點：
（1）風冷系統簡單可靠、安裝方便、故障率低，在北方部分城市的冬季還可以利用自然冷源對機柜進行散熱；
（2）風冷散熱的本質是將設備產生的熱量轉移到環境中，成本遠低于其他散熱方式；
（3）散熱效率相對較低。
:熱電制冷，輻射制冷，相變制冷等
技術成果與創新產品展示:實驗室技術與成果，企業新品首發，專利技術等
終端應用:功率器件及模塊，通信，消費電子，工控電腦，人工智能，醫療設備，智能安防，激光，電動汽車，分析檢測，光伏等
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說明/Descriptions
①開會前一個月將
