热电制冷片制冷性能优化分析开题报告

全文总字数：5228字

1. 研究目的与意义（文献综述）

热能是清洁的可再生能源，它无处不在。人类所使用能源的90％以上都与热过程有关，而浪费的能量最终主要也是以热量的形式^[1]。随着现如今计算机以及其他电子设备的普及，电子设备正朝着小型化，半导体电路密集化的趋势发展，这也就使得电子设备里芯片的热流密度和热负荷迅速增加。芯片温度过高不仅影响电子芯片的计算速度，在发热严重时还会导致计算错误和设备故障。为了保证电子芯片的正常运行，使其维持在一定温度范围内，现如今迫切地需要使用更高效与此同时体积小的散热技术^[2]。

早在19世纪30年代法国著名物理学家帕尔贴就发现了帕尔贴效应：当有电流通过由两种不同导体构成的电路时，出了不可逆的焦耳热，还会再不同导体的接触位置随电流流动方向的不同分别产生吸热和放热现象。热电制冷就是在此基础上提出来的。热电制冷是半导体温差电效应,由赛贝克、珀尔帖、汤姆逊、焦耳和傅立叶5种不同效应组成。其基本单元是由p型半导体(空穴型) 和n型半导体(电子型) 组成的半导体热电偶。当直流电通过电偶对时,电路中产生能量转移,在两端分别形成冷端和热端。热电制冷模块(tec模块)是由若干个p-n热电偶对串联后并联组成。在制冷应用情况下,冷端紧贴待冷却热源,热端紧贴终端换热器,热电制冷模块在通电工作条件下,pn结通过热量转移来实现对热源的制冷，比起其他散热技术,热电制冷技术能够实现热源温度的逆转, 具有结构简单, 尺寸小,质量轻,工作时无噪声，无磨损等优点,因此,在特定边界下具有很广阔的应用前景。^[3]此外,热电制冷主要通过热电效应实现制冷,不需要使用制冷剂,也就不会对环境造成污染。由于热电制冷器具有这样独特的优点，在生物工程、医疗卫生、工业、国防军事、科学研究以及电子技术、日常生活等领域具有非常广泛的应用。^[4]

近五年来,结合优化算法对热电器件设计进行多参数优化的研究工作被公开。由于优化过程对于热电器件性能分析的准确度有较高的要求,因此相关研究多采取变物性三维耦合模型以提高性能预测精度。几个具有代表性的热电参数优化研究的介绍与分析如下。liu^[7]等采用简化共轭梯度法(scgm)结合三维数值模拟,以采用bite半导体材料的两级热电发电机为研究对象。优化半导体腿长比和半导体横截面积比。相比优化前,输出功率与发电效率分别提升了42.9%与31.4%。huang^[8]等采用共轭梯度法(cgm)结合三维耦合模型,以采用bi2与te3半导体材料的两级热电制冷器为研究对象。优化半导体对数、腿长比和半导体横截面积比。结论是相比初始的几何参数结构,热电器件冷端的吸热量提高了214%。sun^[9]等采用非支配排序遗传算法(nsga-ii)结合三维有限元仿真,以采用bi₂与te₃半导体材料的两级热电发电机为研究对象。优化结构,配置和负载电阻。结论是与初始设计参数相比,输出功率、发电效率分别提升36.4%,31.21%,并且熵产率降低52.92%。不仅如此,虽然对于热电器件结构设计优化的研究工作大多着眼与热电单元层面。但对附加在各种复杂能量转换或能量管理系统的热电器件的结构优化,如汽车尾气余热回收、太阳能聚光、燃料电池吸热、结合微通道热沉等具体场景的热电器件结构优化也有进行。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容

热电制冷器制冷作为现如今精密电子仪器的制冷热门手段得到了广泛的关注。本文主要通过对热电制冷片制冷过程的数学物理模型建立，实现对热电制冷过程的模拟，并在此基础上通过更改输入电压、电流的参数来进行对比分析冷热端温差，并且在此基础上得出热边界参数对于热电制冷过程的影响规律，并提出相应的优化措施。

研究目标

通过建立热电制冷片制冷过程的数学物理模型，并应用comsolmultiphysics软件实现对该过程多物理场耦合的数值模拟，学习及深化相关理论知识以及学会相关软件的使用，在此基础上定量分析结构参数及热边界参数对热电制冷片制冷效果的影响，并在此基础上提出优化方案。

拟采用的技术方案及措施

（1）搜集有关热电制冷技术相关的文献，英文文献翻译，完成开题报告和文献综述。

3. 研究计划与安排

1）查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需要的技术方案以及措施。并且在此基础上确定方案，完成英文翻译、文献阅读以及开题报告撰写。（第1周-第2周）

2）学习cad软件，在已经得出基本参数的情况下完成对热电制冷器的建模。（第3周-第4周）

3）利用comsol导入建立好的cad模型，然后进行固体导热以及电流的多物理场耦合仿真模拟。（第5周-第6周）

4. 参考文献（12篇以上）

[1]吴平.半导体热电材料的热电性能与制冷应用研究[d].华中科技大学, 2019.

[2]王亚雄,张博.新型热电制冷装置的实验开发[j].化工进展,2015,34(03): 675-679.

[3]王延,尹本浩,祁成武.基于热电制冷的电子器件稳态散热应用分析[j].电子机械工程,2017,33(05): 47-51.