摘要

熱電制冷技術(shù)以其環(huán)境友好性、無噪音、無振動、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點,在小型電子設(shè)備和特殊應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本研究設(shè)計了垂直型和平面型熱電制冷芯片,通過多物理場仿真分析,系統(tǒng)探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)、電流接入方式對一級與二級熱電制冷芯片最大制冷溫差的影響,為小型電子設(shè)備制冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:

1、建立了一級和二級芯片的理想模型。通過對熱電制冷物理過程的分析,建立了一級制冷芯片最大制冷量Qcmax、最大制冷溫差 Tmax和最大制冷效率 COPmax的表達(dá)式,確定了二級制冷結(jié)構(gòu)在不同電流接入方式下的最大制冷溫差和關(guān)鍵影響參數(shù)。

2、設(shè)計了垂直型和平面型一級制冷芯片,揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對制冷效果的影響規(guī)律,獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中,熱電腿的長度和橫截面積對制冷效果的影響相對較小,氮化硅層的厚度與最大制冷溫差呈反比關(guān)系;達(dá)到最大制冷溫差所需的電流與熱電腿的橫截面積成正比,與長度成反比。對比發(fā)現(xiàn),平面型一級制冷芯片在整體性能上優(yōu)于垂直型芯片,理想情況下可以實現(xiàn)62.66K的最大制冷溫差。

3、設(shè)計了垂直型和平面型二級制冷芯片,揭示了不同電流連接方式下結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大制冷溫差的影響規(guī)律。對于垂直型芯片,增加熱電偶數(shù)量可降低并聯(lián)芯片的制冷溫差,對應(yīng)的電流也將減小,而串聯(lián)芯片的制冷溫差先增后減,電流卻持續(xù)降低;熱電腿長度的增加導(dǎo)致并聯(lián)、串聯(lián)兩種芯片的制冷性能均下降;氮化硅層厚度與制冷溫差成反比,電流穩(wěn)定。平面型芯片中,熱電偶數(shù)量的增加對并聯(lián)芯片的制冷溫差有先增后減的影響,而串聯(lián)芯片的溫差穩(wěn)定上升;熱電腿長度的變化對并聯(lián)和串聯(lián)芯片的制冷溫差和電流有相反的影響;熱電偶截面積的減小導(dǎo)致并聯(lián)和串聯(lián)芯片的制冷溫差和電流均上升;氮化硅層厚度的調(diào)整對兩種芯片的制冷溫差有顯著影響,但電流保持不變。通過不同類型芯片制冷性能的對比發(fā)現(xiàn),二級平面串聯(lián)芯片的綜合性能最優(yōu),理想情況下可實現(xiàn)64.8K的最大制冷溫差,并且功耗僅為0.6mW。

關(guān)鍵詞制冷芯片；熱電效應(yīng)；仿真分析；小型電子設(shè)備

基于熱電技術(shù)的制冷芯片設(shè)計與仿真_陳祖斌.pdf