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摘 要

本文立足于半导体制冷技术的理论基础，利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立了具有双热电臂的半导体制冷单元模型。基于Bi₂Te₃基热电磁能量转换材料的热电性能，采用理论分析和软件模拟相结合的方法，讨论了热电磁能量转换制冷器件在稳态条件下工作电流、热电臂长度以及热电臂横截面积对热电器件制冷性能的影响。研究表明，制冷温差与工作电流呈现二次函数关系，在最优的工作电流下获得了最大制冷温差。当电流处于最优值时，最大制冷温差会随着热电臂面长比的增大而降低。本文的研究结果为研制基于Bi₂Te₃基热电磁能量转换材料的半导体制冷器件结构优化设计提供了依据。

关键词：半导体制冷；优化设计；有限元分析；

Abstract

The objective for the optimization research to optimize the total refrigeration performance of the thermoelectric cooling device.This paper is based on the theoretical basis of semiconductor refrigeration technology, used the finite element analysis software COMSOL Multiphysics, established a semiconductor refrigeration unit model with dual thermoelectric legs. Combinated theoretical analysis and software simulation.Discussed the effects of semiconductor refrigeration device operating current, thermoelectric leg length and cross-sectional area on refrigeration performance under steady-state conditions. Among them, the cooling temperature difference and the working current have a quadratic function relationship, and it have a maximum cooling temperature difference. When the current is at the current corresponding to the maximum cooling temperature difference, the maximum cooling temperature difference will decrease with the increase with the ratio of the thermoelectric leg’s cross-sectional area and length. The research results provide a basis for the development of optimized design of semiconductor refrigeration devices based on Bi2Te3 based thermo-electromagnetic energy conversion materials.

Key Words：semiconductor refrigeration；optimal design；finite element analysis；

目录

第1章.绪论 1

1.1半导体制冷技术的研究背景 1

1.2国内外半导体制冷技术的研究现状 2

1.3课题研究内容 4

1.4选题对社会、健康、安全以及环境的影响 5

第2章.半导体制冷的基本原理 6

2.1热电效应 6

2.1.1塞贝克效应 6

2.1.2帕尔贴效应 7

2.1.3汤姆逊效应 8

2.1.4焦耳效应 8

2.1.5傅立叶效应 8

2.2三种热电效应的联系 9

2.3半导体制冷的基本原理 9

第3章.半导体制冷单元的模拟与仿真 12

3.1半导体制冷单元模型的建立 12

3.2半导体制冷单元的仿真 13

3.3结果分析 15

第4章.总结与展望 16

4.1工作内容总结 16

4.2展望 16

参考文献 17

致谢 19

1. 绪论

1.1半导体制冷技术的研究背景

半导体制冷技术，又称热电制冷技术，它是建立在帕尔贴效应的基础上的一种崭新的制冷技术。与常规机械制冷相比，它具有以下几个优点：①热惯性较小，响应速度快②工作时无制冷剂和机械部件，无振动无噪音，安全性强，环境友好；③半导体制冷器件可做成各种不同大小形状，能够满足微型化的需要；④可双向工作，易于调节，通过控制输入电流即可调整制冷与加热模式；⑤性能可靠。使用寿命长，环境友好。因此，半导体弥补了常规制冷的部分缺点，扩大了制冷技术的应用的范围，在各行各业受到了广泛应用。

半导体制冷科学和技术的发展主要分为以下两个阶段

（1）第一阶段：热电理论的建立

1821年，德国科学家塞贝克将由两种不同材料构成的导体首尾相连构成闭合回路，并在该闭合回路附近放置指南针，当他加热导体结点的时候，放置在回路附近的指南针发生了偏转。但是受当时科技发展水平所限，塞贝克未能认识到这是由于温差导致导体内部产生了电流，而是认为这是与磁有关的现象。

1834年，法国科学家帕尔贴发现：当电流流过由不同种类导体相连而成回路时，导体接头附近的温度将会产生变化，并在法国王宫做了水滴结冰的演示。1838年，俄国科学家愣次对帕尔贴效应的本质做出了解释。他发现，导体结点处温度变化取决于电流方向和大小。但是由于当时电磁学的快速发展，温差电相关的研究并未引起人们的重视，而是淹没在了更伟大的发现中。

1855年，英国物理学家汤姆逊运用热力学理论分析了塞贝克效应和帕尔帖效应。此外，他还通过理论计算预言了汤姆逊效应的存在。

1885年，英国科学家瑞利对利用塞贝克效应进行发电展开了研究。1910年左右，阿特克希提出了热电制冷以及发电的基础理论，并提出了优值系数Z用来描述材料热电性能的好坏。

在这段时期里，热电效应的基础理论相继形成，塞贝克效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应的相继发现为热电理论奠定了基础。，但当时使用的材料热电性能较差 ,能量的转化率非常低，这使得热电材料的相关应用受到了很大限制。

（2）第二阶段：热电材料和器件的发展
20世纪30年代后，固体物理学迅速发展，人们对半导体材料的认识逐渐提升，为半导体热电材料的研究提供了理论依据，同时也促进了热电理论进一步的发展。1947年，泰柯斯制造出第一台利用了热电效应的温差发电器件，能量转化率可达5%。20世纪50年代，原苏联科学家约飞^[1]及其同事发现由两种或两种以上半导体所组成的固溶体可大大降低半导体材料热导率与电导率之比，这一发现使得半导体热电材料的发展取得了重大突破。

在此后的研究中，科学家们做了大量工作用以提高半导体材料热电性能，但进展仍然较为缓慢，存在较大阻力。与此同时，热电材料相关应用却发展迅速，例如应用于电子元件冷却的微型热电制冷器；应用于太空探测项目的放射性温差发电器以及高精度温度控制装置等等。此外，由于氟利昂对环境的危害被广泛认知，研究用以替代氟利昂的绿色无污染制冷材料已成为一项重要任务，半导体制冷技术因其环境友好无污染的优点再度引起人们的关注。在积极研究提高半导体材料热电性能的同时，人们又着眼于对半导体制冷器结构进行优化，探讨了众多影响制冷效果的因素，扩展了热电制冷技术的应用范围。

1.2国内外半导体制冷技术研究现状

到了20世纪70年代以后，由于氟利昂对制冷材料带来的冲击，半导体制冷技术以及热电材料相关研究一度停滞。90年代后，人们认识到了氟利昂对环境的危害，同时随着计算机电子技术的发展，半导体制冷重回人们的视线，热电材料的相关研究受到了广泛关注。美国、日本和欧洲国家在热电材料领域研究都非常先进，走在世界前沿。传统热电材料按照其工作温度范围可分为三个系列：①低温型：Bi₂Te₃及其合金，主要应用于300℃以下。②中温型：PbTe及其合金，主要应用于500-700℃。③高温型：锗硅合金，应用温度可高达1000℃以上^[2]。除此之外，理论上的预测表明，纳米结构可以大大提高材料热电性能。同时，随着现代合成和表征技术的发展，人们已探索到常规块装材料也含有纳米结构，可通过增加材料纳米结构来提高材料品质因数ZT，这主要通过两个途径实现：①含有纳米结构的块状材料②低纬纳米材料。对于包含纳米结构的块状材料，“声子玻璃电子晶体（PGEG）”材料是良好的热电材料^[4]。低纬纳米材料包括2D量子阱，1D量子线和0D量子点，通过电子载流子的量子限制效应来提高塞贝克系数，从而提高功率因数。目前研究中得到的热电材料品质因数ZT最高为3^[5],但受制备方法和成本所限，暂时无法用于实际应用。目前可用于商用的热电材料 ZT 值约为1左右。据估计，ZT值为1的热电材料卡诺循环效率仅有10%，ZT值为4的设备可以达到大约30％的卡诺循环效率（相当于家用制冷）。然而，把材料品质因数提升到4仍旧是一项艰巨的挑战。因此，人们在积极寻找提高半导体热电性能方法的同时，也着眼于对半导体制冷器结构和工作状况进行优化，并得到了很多可以提升制冷效果的结论，进一步拓展了半导体制冷的应用领域。

半导体制冷的结构优化主要集中在P型N型热电元件以及半导体制冷器两部分。热电元件的结构优化主要集中在热电元件横截面积A、臂长L以及对数等方面。MinGao等人通过模拟的方式研究了热电元件臂长、接触电阻、接触热阻对制

表1.1 近十年来的高品质热电材料^[6]

冷性能的影响^[7]。丁露等人做了关于变截面的金字塔形热电元件的优化研究^[8]，结果表明金字塔结构热电臂相对传统矩形热电臂可得到更大温差。赵举等人对多级热电制冷器的各级臂长进行了相应研究^[9]，结果表明靠近热端的臂长越短越有利于热端散热。H.Nami^[10]等人综合热力学和经济学对单极和两级热电制冷器展开了讨论，结果表明两级热电制冷器制冷效果更佳，但单极热电制冷器结构简单，成本低。

为了弥补半导体制冷制冷效率低的缺点，发挥半导体制冷的优势，近年来出现了很多半导体制冷与其他制冷系统相复合的形式，使得大功率半导体制冷模块阵列在大型负载场合的应用逐渐广泛。

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