热电制冷器在ANSYS中的有限元分析过程

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1、热电制冷器在ANSYS中的有限元分析过程1应用背景热电制冷器（热电冷却器）工程应用非常广泛，其基本原理为热电效应。Ansysworkbench具有广泛平台性，非常适合于参数化建模以及优化设计，同时具有较强的耦合场分析能力，在热电制冷器分析方面具有得天独厚优势。利用有限元分析技术，能够快速地得到热电制冷器的各项性能指标参数仿真结果，从而加速热电制冷器的研制。2原理说明与FEM2.1热电制冷器原理简图如下所示：1/122.2有限元模型2.2.1有限元分析模型示意图2/122.2.2热电制冷器详细组成热电制冷器由铜带与半导体（硅块）

2、组成：01几何模型：硅块基本尺寸为10*10*10mm，硅块相距20mm，其中Z向左端为N型半导体，右端为P型半导体；铜带厚度为2mm；其他几何尺寸随意设定。02硅块热电系数（塞贝克系数）：N型为-165uV/K，P型为210uV/K.03铜与硅其他热电参数：分析不考虑瞬态效应，因此其他材料参数包括热导率以及电阻率，详情参阅计算文件04基本加载条件：底部铜带恒温50摄氏度，其中左侧端部输入电流20安培，右侧端部电位0伏特，从而形成回路；顶部铜带上表面为冷却端，分析过程中，假定温度相同（采用耦合自由度等方式实现）05工况设定：C

3、ase1，用于计算热电制冷器制冷效率；Case2，计算理想绝热条件下制冷器在铜带顶部的温度分布；Case3，计算制冷器暴露在空气中的铜带顶部的温度分布。3有限元分析详细过程3.1Case1（制冷效率分析）3.1.1加载条件制冷效率分析时，假定铜带顶部温度为0，其他基本加载条件不变：3/123.1.2计算结果通过FEA计算，得到热电制冷器的电场分布与电流密度矢量图如下所示：电场分布：电流密度矢量分布：3.1.3结果讨论提取制冷器顶部热发生率P1=0.38255W（这里得到的制冷器功率作为下面工况的加载条件）4/12提取制冷器电流

4、输入的电压，与加载电流结合得到输入功率P2=6.0113e-002*20=1.2023W计算得到制冷器制冷效率为beta=P1/P2=32%3.2Case2（热冷却分析）3.2.1加载条件热冷却分析时，对铜带顶部温度自由度耦合，并输入制冷器热功率：3.2.2计算结果3.2.2.1结果提取1热电制冷器的电场分布与电流密度矢量图如下所示：电场分布：5/12电流密度矢量分布：热冷气分析时，电场计算与制冷效率分析结果基本相同，这是因为此分析为理想分析，温度分布基本接近，热电效应逆反应产生的电流较小。6/123.2.2.2结果提取2热电

5、制冷器的温度分布与热通量分布如下所示：铜带顶部表面温度分布：制冷器温度分布：制冷器热通量矢量分布：7/12从计算结果看，制冷器顶部表面温度约为零下0.15摄氏度，底部温度为50度，制冷效果较好；P型半导体具有较高的塞贝克系数与较低的电阻率，因此右侧热通量较大。8/123.3Case3（热冷却分析-对流环境为空气）3.3.1加载条件对流环境为空气时的热冷却分析，在暴露于空气中的制冷器表面添加对流条件，其他与case2相同：3.3.2计算结果3.3.2.1结果提取1电场分布：电流密度矢量分布：9/12Case3与case2电场分析

6、结果趋势相同，但是具体数据明显不同，这是因为外部环境产生的逆热电效应导致的，不过影响甚小。3.3.2.2结果提取2铜带顶部表面温度分布：制冷器温度分布：10/12制冷器热通量矢量分布：从计算结果看，制冷器顶部表面温度约为0.66摄氏度，与case2比较，相差约0.8摄氏度，说明实际工程应用中，考虑环境对流是非常必要的。其他热结果趋势与case2基本相同11/124总结与说明通过ansysworkbench计算，总结制冷器分析要点如下：1首先确定制冷器热冷却效率，再次计算热冷缺分析；2一般情况下选择SOLID226单元，此单元具

7、有热电分析的全部能力；3加载与约束过程需要分别满足电场分析与温度分析，初步分析可通过单场分析验证模型，然后再结合起来计算热电耦合效果；4工程应用分析过程中，需要考虑多种条件，可通过wb建立参数化模型，快速验证具体参数5热电分析伴随温度梯度变化过程，因此，在材料属性定义时，应考虑随温度变化的各种参数，通过wb可快速与准确地创建。12/12