基于帕爾貼效應(yīng)的熱電器件能量輸運(yùn)過(guò)程及其熱設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著電子信息和生物醫(yī)療領(lǐng)域快速發(fā)展，儀器、設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性問(wèn)題主要集中在熱問(wèn)題中。熱電制冷作為固態(tài)主動(dòng)式制冷方式，具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪音、易于集成等特性使得其在這些領(lǐng)域其備受關(guān)注，加之可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)其輸入電壓、電流來(lái)控制其制冷或制熱溫度，使得熱電制冷技術(shù)在涉及到精準(zhǔn)控溫的冷卻對(duì)象時(shí)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(lǐng)域中，成為熱電制冷應(yīng)用的關(guān)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(lái)評(píng)價(jià)熱電材料和設(shè)計(jì)、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(duì)熱電材料進(jìn)行熱電輸運(yùn)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(dǎo)致既有熱電材料并不能高效應(yīng)用。基于此，本文開(kāi)展了如下研究工作：
　　首先，對(duì)熱電制冷能量輸運(yùn)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(guò)程中的除熱電材料外的能量輸運(yùn)過(guò)程（分別為基

3、板的熱擴(kuò)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(cè)試平臺(tái)，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(chǎng)模型，并且采用熱電制冷器件測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明在不同工況下的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(chǎng)耦合模型對(duì)熱電制冷能量輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)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(jìn)而推導(dǎo)獲得了熱電制冷過(guò)程修正模型（解

4、析解）。對(duì)比分析不同工況下的三維多物理場(chǎng)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(jí)熱電制冷制冷量結(jié)果相差不超過(guò)10%、雙級(jí)熱電制冷制冷量結(jié)果相差不超過(guò)5%。
　　其次，基于熱電制冷修正模型，對(duì)熱電制冷器件進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)評(píng)估。確定了特定條件下，單、雙級(jí)熱電制冷器件的優(yōu)化運(yùn)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(yùn)行工況下進(jìn)行了性能對(duì)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(zhǎng)、熱電臂對(duì)數(shù)；對(duì)于單級(jí)熱電模塊當(dāng)F因子為0.36，在冷熱端溫度分別為0℃和30℃，當(dāng)熱電臂的截面邊長(zhǎng)為1.50mm時(shí)，產(chǎn)生最大制冷量的最佳的臂長(zhǎng)為0.58mm；而當(dāng)G因子為1.29mm時(shí)，最佳的熱電臂對(duì)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(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)換損失。一般無(wú)需對(duì)熱電模塊進(jìn)行高成本的真空封裝。低導(dǎo)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(jī)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(duì)三種冷卻裝置（單級(jí)熱電制冷裝置、雙級(jí)熱電制冷裝置和被動(dòng)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(jìn)行了分析。當(dāng)被冷卻對(duì)象溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，宜采用被動(dòng)式冷卻裝置和單級(jí)熱電制冷裝置；而當(dāng)被冷卻對(duì)象溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，宜采用

7、單雙級(jí)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(dòng)式冷卻裝置、單級(jí)熱電制冷裝置和雙級(jí)熱電制冷裝置。對(duì)于較低的工作溫度、較大的冷熱端熱阻，宜選用雙級(jí)熱電制冷裝置。熱電裝置中存在著使熱電制冷裝置達(dá)到制冷量峰值的最佳熱電臂長(zhǎng)和n（熱電臂對(duì)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(yīng)的制冷量峰值也大幅度提高，說(shuō)明可以采用微型和高封裝密度的熱電器件來(lái)強(qiáng)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(jī)制，針對(duì)生物醫(yī)藥領(lǐng)域電泳儀精準(zhǔn)溫控和芯片高效散熱需求，完成了適合不同散熱對(duì)象的熱電制冷裝置的熱設(shè)計(jì)。在IEF（等電聚焦電泳儀）溫度控制裝置中，采用了兩級(jí)熱電制冷器件來(lái)擴(kuò)展IEF電泳溫度區(qū)間，由國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品（美國(guó)的GE Ettan IPGphor3和Bio-rad PROTEAN i12）的15℃~25℃擴(kuò)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(wèn)題，