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热电冷却器于电子散热的应用

作者:Simwe    来源:SolidWorks    发布时间:2013-01-16    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

热电冷却器于电子散热的应用
- Thermoelectric Cooler in SolidWorks Flow Simulation

实威国际/CAE事业部


前言

为了缩短产品上市时间并在竞争中领先对手,电子产品设计师需要应对电子行业中瞬息万变的需求。电子工业制程技术和半导体技术不断发展,导致设计零组件系统的工具快速变化,为了保持产品的竞争优势必须让产品具有更多功能,但产品尺寸不能大于以往产品和竞争对手的产品,甚至需要更小。这就要求电子产品设计工具能够“更经济地利用”物理空间。更多的功能通常意味着更高的电子产品复杂性,更小的尺寸意味着电子组件发热密度逐渐增加,因此对于散热或温度控制的热管理技术需求越来越高,甚至成为电子组件技术发展的瓶颈,若不能解决温度问题,无法将高功率的组件商品化。如何避免电子组件与设备的过热或有效率地把温度降下来,一直是科学家或工程师努力想达到的目标。

因应这种电子产品设计趋势,衍生出各种的温度管理技术,包括被动式的散热鳍片、热管,主动式的散热鳍片加风扇、水冷系统、热电冷却器(Thermoelectric Cooler,或称之为热电致冷器,本文简称TEC),而TEC是较新的应用技术,不仅不需要动态零件或冷媒驱动,减少了噪音及环保问题,而且应用到半导体材料制程,以台湾在半导体工业领域的研发创新能力,很有机会有大幅度的技术突破及配合。体积小,只要加电压即可驱动此散热组件。

目前TEC已逐渐应用在手机、家电、光感测或放大器等小型组件方面,所以产品研发工程师接触到此项散热组件的机会大增。在产品设计过程之中,透过分析验证可以缩短研发时程,并可在研发阶段就可以预知产品可能发生的问题。本文主要介绍如何在设计验证热流分析软件SolidWorks Flow Simulation应用TEC进行仿真,以及其相关理论背景技术。


(图一) 单层热电冷却器(16x16 mm) (图片来源:参考数据1)


热电效应

热电效应是一个由温差产生电压的直接转换,是指当受热物体中的电子,随着温度梯度由高温区往低温区移动时,产生电流现象,且反之亦然,当通过直流电时,具热电能量转换特性的材料将可产生致冷功能,称之为热电致冷。这种效应可以用来产生电能、测量温度,冷却或加热物体。所以只要控制施加的电压,就可以决定加热或制冷的方向。由于半导体材料具有较佳的热电能量转化特性,因此实用的热电致冷装置是由致冷效率较高的半导体材料所构成的。

热电现象是公元 1823 年由德国物理学家 Seebeck发觉。当时他将指南针放置在由两种不同金属相接合成的线路上,同时在其中的一端接点处以烤炉加热,而见到指针出现偏转的现象。此处磁针的偏转是由温差产生电位差造成的,称为 Seebeck 效应,这也是热电偶(Thermal Couples)的工作原理。而直流电通过两种不同导电材料所构成的回路时,接点上将产生吸热或放热的现象,是后来由法国人 Peltier 在1834年发现,这个现象称 Peltier 效应,也是TEC的工作原理。


(图二) Peltier冷却器工作原理(图片来源:参考数据2)


(图三) TEC应用图(图片来源:参考数据2)


Flow Simulation中TEC的运算方式

热电冷却器(TEC)是由两个平板中间覆盖P-N半导体结电路组合成的电子组件。当直流电流(DC) i流经此电路,由于Peltier效应,a*i*Tc的热量会由TEC的“冷”面带至“热”面,其中a为Seebeck系数,Tc为TEC的“冷”面温度(“冷”面与“热”面是由直流电流方向决定)。此种热带动方式自然会伴随着焦耳(奥姆)热于TEC两侧表面释放,而且热会由较热面传导至较冷面(Peltier效应反向)。释放的焦耳热为R*i2/2,其中R为TEC的电阻抗值,热传导量为k*ΔT,其中k为TEC的热传导系数,ΔT=Th-Tc,Th为TEC的“热”面温度。所以净热传量由TEC的“冷”面传到“热”面为Qc,

Qc = a*i*Tc - R*i2/2 - k*ΔT,

相同地,于TEC的“热”面的净热释放量Qh,

Qh = a*i*Tc + R*i2/2 - k*ΔT,

在Flow Simulation中TEC是指定于一个平板(方块)的实体模型,要指定其“热”面,并且要由工程数据库中选择一笔已建立的TEC数据。

在工程数据库中TEC必须定义的参数如下:

 最大DC直流电流,imax
 在imax且ΔT=0时,最大热传量Qcmax
 当Qc=0时,最大温度差ΔTmax
 对应于imax时的电压Vmax

以上这些参数要对应于两个Th值作用时,而这些信息通常会由TEC的供货商所提供(如参考数据2)。藉由这些输入的参数,a(T)、R(T)、及k(T)的线性函数就会决定了。由函数相关所计算出来的边界条件就会自动指定在TEC的“冷”面及“热”面,这两侧面不能被指定其他的边界条件。

被指定为TEC的实体模型,其内部及表面的温度计算方式会与Flow Simulation的一般实体热传导不同,会用其独特的方式计算。

TEC的“热”面必须是接触于其他实体,也就是说不能曝露于流体中。而且TEC所求解出来的结果,如Th与ΔT必须在供货商指定的操作范围之内。

如果在同一个项目中有使用接触阻抗(Contact Resistance)设定,接触阻抗只能设定在TEC实体以外的其他实体上,而且不能直接与TEC实体接触。


(图四) Flow Simulation中TEC的定义画面,必须定义4项参数。


(图五) TEC的每项参数都必须定义在两个Th温度时的数值。此为Qcmax。


TEC应用实例

本实例中使用的装置是使用在红外线焦点平面数组检探测器(Infrared focal plane array detector)的主动式冷却装置,应用于火星太空任务中(参考数据3)。

   
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