如何用 COMSOL 仿真 App 分析热电冷却器设计

2017年 3月 8日

热电冷却器有各种类型和尺寸,包括单级和多级设备。它们的应用范围很广,既可用于冷却箱等消费型产品,也可作为卫星的温度控制器。如果你想对热电冷却器的设计分析,并针对其在特定的应用领域进行优化,仿真 App 是实现这些目标的有效途径。这篇博客中,我们讨论了如何使用热电冷却器仿真 App。

什么是热电效应?

热电效应是温度梯度转换成电压的现象,反之亦然。材料上感应的热电电压和施加的温度差的比值被定义为塞贝克系数S(V/K)。原则上,所有材料都有塞贝克系数 S \neq 0,但只有少数材料的系数才足够重要且有用。如果一种材料适合用于热电应用,那么它就不能仅由塞贝克系数决定。高导热性能 \kappa 不利于热电效应,但高导电性能 \sigma 则会放这种效应。品质因数 Z 决定了材料的效率。

Z=\frac{S^2\sigma} {\kappa}

塞贝克(Seebeck)在 1821 年发现,温度差会产生电。1834年,珀尔帖( Peltier)发现,当有电流存在时就会出现加热或冷却。最后,汤姆逊(Thomson)确定了塞贝克系数与温度有关,产生的热量是电流密度和温度梯度的产物。这些效应被称为塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应,它们是 COMSOL Multiphysics® 软件中使用的热电效应的一般表述。对热电效应进行模拟也意味着必须考虑焦耳热(COMSOL Multiphysics 中默认为这样做)。

设计热电冷却器

热电冷却器,也被称为珀尔帖冷却器或半导体致冷器(TEC),主要用于冷却,但也可用于加热或用作温度控制器。TEC 的主要优点是,它几乎是免维护的,因为没有移动部件或液体。在其他冷却方法(如空气或冷却剂流动)无法应用的情况下,它们对于冷却设备也很有用。另一方面,TEC 由相对昂贵的材料制成,却不能提供高效的冷却效果,相对于其制造成本而言。因此,优化热电冷却器的性能是一项重要的设计任务。

一个带注解的热电冷却器模型。
一个带注解的热电冷却器模型显示了温度分布。

热电冷却器的几何结构(左)和温度曲线(右)。

上图描述了热电冷却器的基本设计和工作原理。该装置由 p 型和 n 型半导体(热电腿)的交替排列组成,被电连接并夹在导热板之间。

构建一个分析热电冷却器设计的仿真 App

当产品的冷却设备空间有限时,常常使用热电冷却器。在设计该仿真 App 时,我们应该牢记,仿真 App 用户需要能够改变热电冷却器的几何尺寸。就像冷却器的整体尺寸是可变的一样,支脚的尺寸以及陶瓷和导体的厚度也应该是可变的。由于存在不同的热电材料,仿真 App 的用户应该能够选择不同的材料,准确表达设计。不同的应用具有不同的热侧温度,这能够影响材料特性,从而影响到热电行为。该仿真 App 也应该包含针对这些不同变量的输入。

考虑 TEC 设计参数

描述热电冷却器效率的一些常见参数包括:

  • 品质因数,Z(如上所述)。
  • 热端和冷端之间的最大温差,\Delta T_{\textrm{max}}
  • 达到最大温差所需的电流 I_{\textrm{max}}
  • 相应的电压,U_\textrm{max}
  • 总电阻,R
  • 最大热负荷,Q_\textrm{max}

除了这些数值之外,在分析热电冷却器的性能时,还有几个性能图表是值得关注的。例如,\Delta T 取决于热负荷 Q 和施加电流的 I。性能系数(COP)由下式定义

\textrm{COP}=\frac{Q} {U I}

当用吸收的热量除以输入功率达到最大时,就会产生最有效的 TEC 性能。描述 COP 如何取决于 I 的曲线,可以帮助我们选择适合某种应用的热电冷却器参数。

运行该仿真 App 后,计算结果将显示在用户界面的图形部分。该仿真 App 会自动显示温度图和性能参数。

以下是该仿真 App 用户界面的截图,显示了默认热电冷却器设计的性能参数。

使用一个 COMSOL 仿真 App 分析热电冷却器的屏幕截图。

三个独立的标签显示了取决于热源的温差(\Delta T(Q))、取决于施加电流 \Delta T(I) 的温差和性能系数的性能图表。

绘图显示了温度对施加的电流的依赖性
绘图显示了三种不同温差下的性能系数。

带有默认输入的热电冷却器设计的性能图。左图:温度对施加电流的依赖性。右图:三种不同温差下的性能系数。

使用 COMSOL Multiphysics 中的 App 开发器构建的热电冷却器仿真 App,将所有这些输入和输出整合到一个友好的用户界面中。

视频(无声音)演示了热电冷却器仿真 App 的使用。

在这个仿真 App 的后台,有一个完全参数化的 COMSOL Multiphysics 底层模型。当改变仿真 App 中的几何结构时,网格、物理场和结果会自动适应。当按下计算按钮时,它会启动四项研究,并得到你感兴趣的性能参数和结果。此外,该仿真 App 还提供了有关计算时间的信息。我们还可以直接从此仿真 App 中创建报告和生成 PDF 文件。

优化你自己设计的仿真 App

热电冷却器仿真 App 可作为你自己建立仿真 App 过程的起点和灵感。虽然这个仿真 App 仅限于一定尺寸范围内的单级热电冷却器,但你可以修改并重新使用已有的几何序列,将其用于二级或三级冷却器。这样一来,就能轻松地将该仿真 App 扩展到多级热电冷却器。

如何使用仿真分析热电冷却器设计的一个示例。
两级热电冷却器中的温度分布。

只需几个步骤,你还可以让用户输入用户定义的材料数据或提供其他预定义材料。对于更广泛的分析,你可以在仿真 App 中设置间隔,使用户可以一次进行多个参数分析。这个仿真 App 的功能几乎具有无限的扩展可能性,你可以在 COMSOL 案例库中访问的所有仿真 App。

尝试自己建立仿真 App,并欢迎与我们一起分享你的仿真 App。

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评论 (1)

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召 陈
召 陈
2024-04-11

请问,如何获取这个模型的详细操作步骤呢 谢谢

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