应用于冷冻疗法的热电器件的设计分析

冷冻技术被用于治疗多种化妆品皮肤病问题，以及移除体内肿瘤和受损组织。英国伯明翰大学（University of Birmingham）的研究人员放弃了此前典型的氮基方法，转而试图研究热电冷却装置或 Peltier 装置对冷冻探针冷却的潜力。让我们看看研究人员们是如何借助 COMSOL Multiphysics 提供的工具完成这一研究的。

使用低温技术治疗受损组织

作为一名 COMSOL 博客的读者，您可能还记得在之前的一篇博客文章中，我们讨论过一种治疗受损生物组织的方法：冷冻疗法。冷冻疗法本身效率很高且没有副作用，其治疗机理是对受损组织进行冷冻，随后使其解冻并脱落。

液氮通常被用作冷冻疗法的冷冻剂。图像由 Cory Doctorow 拍摄。已获 CC BY-SA 2.0 授权，通过 Wikimedia Commons 共享。

液氮是冷冻疗法中使用的最典型的冷冻剂，目前出现了另一种对冷冻手术探针进行冷却的方法 — 它无需利用低温冷却液进行制冷，故探针的结构可更加紧凑，重量也更轻。具体方法就是运用热电器件。

热电制冷系统简介

如果对一个装置的两端施加不同的温度，装置会产生电压，那么相应的，对这个装置施加电压时，其两端便会产生更大的温度差。这便是热电效应，这一现象可被用来发电、测量温度及改变物体温度。

根据热电效应的原理，热电冷却装置或 Peltier 装置会在两种不同导电材料的连接点产生温度差。装置会将热量从一端传输到另一端，传输方向取决于电流方向。换言之，装置的一侧会变冷，而另一侧会变热。Peltier 装置的设计可根据用途的不同而改变，其应用范围涵盖了从电子元件散热到制冷和空调行业。

Peltier 装置示意图。

对于冷冻疗法来说，以 Peltier 装置为基础设计的探针相比于以氮为基础的冷冻探针，具备很多潜在优势。其中一个优势就是它无需额外部件及维持加压气体安全性所需的预防措施。不仅如此，这种设计也更加灵敏、可靠，同时为医疗工作人员提供了更高的使用灵活性。

让我们看看伯明翰大学的研究团队是如何利用仿真来探索这一装置在冷冻疗法上的应用潜力，以及如何对设计进行优化的。

借助 COMSOL Multiphysics 对冷冻疗法所用热电探针进行仿真

该分析中使用的 Peltier 装置由数个与铜层连接的碲化铋半导体元件组成，并整体被夹在铝板中间。为了了解 Peltier 装置中的热量分布，研究人员使用了固体传热物理场接口。同时，通过对电流物理场接口的应用，计算出了电场、电流和电位分布。为了将模型的电学行为和热学行为耦合在一起，他们使用了热电效应多物理场节点 — 这是一个用于分析和优化 Peltier 装置的强有力的工具。

这项研究从对单级Peltier 装置的仿真开始。初步分析中，对装置施加的最大电流和电压分别为 12 A 和 15.2 V。结果如下图所示，最大温差小于 70 K。因此，单级设计无法产生冷冻组织所需的低温（203 K）。

单级 Peltier 装置中的温度分布。

为了获得冷冻所需的温度，研究人员将注意力转向测试多级 Peltier 装置。您可能想知道为什么对单级设计应用更高的电流密度不是最佳选择。因为增大电流密度会引起更强的焦耳热效应，而焦耳热效应在某种程度上会极大地影响 Peltier 效应。多级装置的配置可以避免电流密度的增加（即避免焦耳热效应的增强）。

为解决这一情况，研究人员在设计中增加了第二层和三层的 Peltier 元件，以提高上层和下层陶瓷片之间的温差。研究结果表明，两级设计无法产生冷冻疗法所需的低温，而三级设计可以产生低达 210 K 的温度。虽然这个温度还是略高于 203 K 冻结温度，但是这一研究结果表明多级 Peltier 装置可以产生更低温度。这将成为未来冷冻疗法装置设计和开发的基础。

二级（左图）和三级（右图）级联热电器件的表面温度。图像来源于 P. Aliabadi, S. Mahmoud 和 R. K. AL-Dadah 发表于 COMSOL Conference 2014 Cambridge 的会议论文。

这些研究结果证实了 Peltier 装置产生冻结温度的特性具有可被应用于冷冻疗法的潜力。这些研究为相关医疗领域的进步拓宽了道路，为受损组织的治疗提供了更安全、更可靠的方法。

学习更多关于在 COMSOL Multiphysics 中进行热电器件建模的知识

• 阅读全文：”Simulation of Cascaded Thermoelectric Devices for Cryogenic Medical Treatment“
• 我们的“案例下载”中提供了几个关于如何对热电器件建模的案例供您查阅参考：
  • 教学模型：热电臂
  • 演示 App：热电冷却器