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基于帕尔贴效应的热电器件能量输运过程及其热设计研究

胡浩茫  
【摘要】:随着电子信息和生物医疗领域快速发展,仪器、设备的寿命和稳定性问题主要集中在热问题中。热电制冷作为固态主动式制冷方式,具有无运动部件、无噪音、易于集成等特性使得其在这些领域其备受关注,加之可以直接通过调节其输入电压、电流来控制其制冷或制热温度,使得热电制冷技术在涉及到精准控温的冷却对象时显得尤为重要。如何根据既有的热电材料制备成高效的热电制冷器件并且合理的使用在热管理领域中,成为热电制冷应用的关键所在。目前,研究者主要采用Ioffe教授整理的经典热电转换理论来评价热电材料和设计、优化热电制冷装置。然而,该经典的热电制冷能量方程由于其仅仅对热电材料进行热电输运分析,并未有涉及热电材料制备成热电器件、模块产生的其他能量损失,从而导致既有热电材料并不能高效应用。基于此,本文开展了如下研究工作:首先,对热电制冷能量输运做了全面的研究,建立了完整的热电制冷修正模型,从理论上为热电材料、器件和装置提供了联系枢纽。确定了热电制冷过程中的除热电材料外的能量输运过程(分别为基板的热扩散,电极、热电材料界面的接触电阻和空气夹层换热);搭建热电制冷器件接触电阻率测试平台,确定了热电制冷器件接触电阻率;建立三维热电制冷热-电耦合多物理场模型,并且采用热电制冷器件测试平台进行了验证。实验测试表明在不同工况下的理论计算结果和实验结果的最大温差低于2.8~oC,最大电压差低于1.5V。利用该多物理场耦合模型对热电制冷能量输运过程进行分析,发现空气夹层与热电臂之间的换热损失基本可以忽略。进而推导获得了热电制冷过程修正模型(解析解)。对比分析不同工况下的三维多物理场耦合模型和修正模型,发现在有效电流(或电压)范围内,单级热电制冷制冷量结果相差不超过10%、双级热电制冷制冷量结果相差不超过5%。其次,基于热电制冷修正模型,对热电制冷器件进行关键参数评估。确定了特定条件下,单、双级热电制冷器件的优化运行工况和优化结构参数。采用了四种热电制冷器件(普通氧化铝基热电制冷器件、Au-Ni热电制冷器件、AlN热电制冷器件和真空封装热电制冷器件),在不同的结构参数和运行工况下进行了性能对比分析。在给定条件下,发现热电制冷模块存在着最佳的臂长、热电臂对数;对于单级热电模块当F因子为0.36,在冷热端温度分别为0~oC和30~oC,当热电臂的截面边长为1.50mm时,产生最大制冷量的最佳的臂长为0.58mm;而当G因子为1.29mm时,最佳的热电臂对数为630。热电模块中填充因子的增大可以有效的降低热电制冷中非热电材料导致的能量转换损失。一般无需对热电模块进行高成本的真空封装。低导热的基板材料成为阻碍高热流密度的热电制冷器件的瓶颈所在,热电臂与电极之间的界面材料和制备工艺也有着重要影响。第三,揭示了热电制冷与冷热端散热的耦合机制。将热电制冷模块加入冷热端散热装置就形成了热电制冷装置。分别对三种冷却装置(单级热电制冷装置、双级热电制冷装置和被动式冷却装置)在不同的冷热端散热条件、冷却温度和热电器件结构下进行了分析。当被冷却对象温度高于环境温度时,宜采用被动式冷却装置和单级热电制冷装置;而当被冷却对象温度低于环境温度时,宜采用单双级热电制冷装置。随着冷热端温度变化,三种装置制冷量(冷却能力)变化的剧烈程度依次为被动式冷却装置、单级热电制冷装置和双级热电制冷装置。对于较低的工作温度、较大的冷热端热阻,宜选用双级热电制冷装置。热电装置中存在着使热电制冷装置达到制冷量峰值的最佳热电臂长和n(热电臂对数)。最佳G因子和最佳n值均随着热端热阻的降低而增大,随着工作温度的升高而增大,相应的制冷量峰值也大幅度提高,说明可以采用微型和高封装密度的热电器件来强化高热流密度的芯片散热。最后,基于上述热电制冷与冷热端散热耦合机制,针对生物医药领域电泳仪精准温控和芯片高效散热需求,完成了适合不同散热对象的热电制冷装置的热设计。在IEF(等电聚焦电泳仪)温度控制装置中,采用了两级热电制冷器件来扩展IEF电泳温度区间,由国际同类产品(美国的GE Ettan IPGphor 3和Bio-rad PROTEAN i12)的15~oC~25~oC扩展到10~oC~30~oC。解决了热电制冷模块与IEF冷却板热流密度不匹配的问题,将冷却板温度均匀性维持在1.0~oC以内。采用带有挡板的风道结构,优化了热端散热流场。使用该双级热电制冷装置在常规的电泳温度(20~oC)下,装置的COP可以达到2.0。在CPU冷却装置中,采用大功率AlN基热电制冷模块结合热端水冷装置,解决了恶劣环境下CPU强化散热问题。提出具有自冷却效应的温度控制策略,避免了热电制冷装置因CPU变工况下导致而导致的结露,同时当设定温度高于芯片温度时,装置进行自冷却。


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