CN109635442B - 一种基于comsol软件的面内型热电器件结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，包括以下步骤：在COMSOL软件模型向导中选择三维空间维度和热电效应物理场，进入稳态研究；建立需要求解的热电器件的几何物理模型；定义相关全局参数和赋予模型材料属性；设置模型的初始值和边界条件；划分网格并计算；改变边界电流条件通过COMSOL软件进行计算并比较，得出热电器件最佳电流下的工作状态，对得出的结果进行后处理。实现对不同结构热电器件工作时的温度场进行数值模拟，探索热电器件的温度场分布规律，缩减实验成本和时间，为热电器件的结构优化提供理论指导和技术支持。

Description

一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法
技术领域
本发明涉及热电器件结构设计技术领域，具体涉及一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法。
背景技术
随着电子元件的高度集成化和微型化发展，电子元器件的发热现象越来越严重，而且通常集中在密闭空间中难以发散出去，严重影响着电子元器件的性能和使用寿命，迫切需要开发高效的热管理方案。基于热电材料Peltier效应的热电制冷技术，具有无噪声、无污染、制冷迅速、操作简单、可靠性强、易于实现高精度温控等优点，有望解决高热流密度电子器件的散热问题，引起了研究者们的广泛关注。
目前，商业应用比较成熟的热电制冷器件是基于块体热电材料的面外型制冷器件。由块体p型和n型热电臂构成的热电元件以电串联和热并联的形式置于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之间，热量沿垂直于陶瓷基板方向传输。但是这种结构的热电器件柔性很差，而且难以满足集成时电子器件对制冷器尺寸的要求。虽然得益于微加工技术的发展，这种面外型热电制冷器件在逐步朝着微型化方向发展，但是热电臂长度减小带来的两端温差的大幅下降和界面电阻在器件总电阻中占比的增大以及热电厚膜材料的制备与微加工仍然是其进一步产业化的瓶颈。而基于热电薄膜或厚膜的面内型制冷器件，其热流方向与基板平行，优点是热电臂长，易于建立大温差，界面电阻在器件总电阻中占比小，可采用成熟的薄膜或厚膜工艺制备。但目前有关面内型热电制冷器件的研究相对较少，如何优化面内型热电制冷器件的结构是其进一步发展的一大瓶颈。
热电器件的实际制备到性能测试往往需要较长的周期，并且耗费较多成本，若是需要对多种结构热电器件的工作状态进行探索，任务量更为繁重。因此通过软件仿真来对热电器件结构进行优化，可以模拟不同结构热电器件工作时的状态，减少工作量，为实验提供理论指导和技术支持。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，实现对不同结构热电器件工作时的温度场进行数值模拟，探索热电器件的温度场分布规律，缩减实验成本和时间，为热电器件的结构优化提供理论指导和技术支持。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，包括以下步骤：
步骤1)在COMSOL软件模型向导中选择三维空间维度和热电效应物理场，进入稳态研究；
步骤2)建立需要求解的热电器件的几何物理模型；
步骤3)定义相关全局参数和赋予模型材料属性；
步骤4)设置模型的初始值和边界条件；
步骤5)划分网格并计算热点器工作时的温度分布；
步骤6)改变边界电流条件通过COMSOL软件进行计算热点器工作时的温度分布并比较，得出热电器件最佳电流下的工作状态，对得出的结果进行后处理。
按照上述技术方案，在所述的步骤1)中，热电效应物理场是固体传热物理场和电流物理场双向耦合得出。
按照上述技术方案，在所述步骤2)中，热电器件为面内型热电器件，热电器件的几何物理模型包括热电臂、电极和基板，热电臂的两端分别与相邻电极连接，电极设置于基板上，多个电极之间具有不同的连接方式。
按照上述技术方案，热电臂的形状包括矩形、扇形、梯形和S形中的一种或多种；在不同的热电臂之间进行连接，构成电流的通路。
按照上述技术方案，电极之间的连接方式包括单级串联、单级并联、单级串并联、多级串联、多级并联和多级串并联中的任意一种。
按照上述技术方案，在所述步骤3)中，定义相关全局参数和赋予模型材料属性的具体过程为：将热电臂的材料属性设定为Bi2Te3、SnSe和PbTe中的任意一种的物性参数；电极的材料属性设定为Ag、Cu和Au中的任意一种的物性参数；基板的材料属性设定为聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中任意一种的物性参数。
按照上述技术方案，物性参数包括导热系数、密度、常压热容、电导率、相对介电常数和Seebeck系数。
按照上述技术方案，在所述的步骤4)中，设置热电器件模型的边界条件具体包括：设定模型边界热通量为外部自然对流，设定对流传热系数为1W/(m2·K)；设定热电器件边界通入电流和接地。不同结构热电器件的最佳电流大小不同。
按照上述技术方案，在所述步骤5)中，网格划分的序列类型包括用户控制网格和物理场控制网格，单元大小包括极细化、超细化、较细化、细化、常规、粗化、较粗化、超粗化和极粗化。
按照上述技术方案，在所述步骤6)中，后处理具体包括绘制热电器件温度分布图、等值线和温度变化曲线。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过在COMSOL有限元软件中建立不同的几何物理模型，实现对不同结构热电器件工作时的温度场进行数值模拟，探索热电器件的温度场分布规律，可以大大缩减实验成本和时间，为热电器件的结构优化提供理论指导和技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例1中单级环型串联热电器件的几何物理模型图；
图2是本发明实施例1中单级环型串联热电器件的网格划分图；
图3是本发明实施例1中单级环型串联热电器件最佳电流下的温度分布图；
图4是本发明实施例1中单级环型串联热电器件最佳电流下的电势图；
图5是本发明实施例2中单级环型热电器件的几何物理模型图；
图6是本发明实施例2中单级环型热电器件的网格划分图；
图7是本发明实施例2中单级环型热电器件最佳电流下的温度分布图；
图8是本发明实施例2中单级环型热电器件最佳电流下的电势图；
图9是本发明实施例3中两级环型热电器件的几何物理模型图；
图10是本发明实施例3中两级环型热电器件的网格划分图；
图11是本发明实施例3中两级环型热电器件最佳电流下的温度分布图；
图12是本发明实施例3中两级环型热电器件最佳电流下的电势图；
图13是本发明实施例3中两级环型热电器件中心到其边缘的弧长与温度的关系曲线；
图中，1-N型碲化铋，2-P型碲化铋，3-电极，4-PI基板，5-通入电流边界，6-接地边界。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图13所示，本发明提供的一个实施例中的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，包括以下步骤：
步骤1)在COMSOL软件模型向导中选择三维空间维度和热电效应物理场，进入稳态研究；
步骤2)建立需要求解的热电器件的几何物理模型；
步骤3)定义相关全局参数和赋予模型材料属性；
步骤4)设置模型的初始值和边界条件；
步骤5)划分网格并计算热点器工作时的温度分布；
步骤6)改变边界电流条件通过COMSOL软件进行计算热点器工作时的温度分布并比较，得出热电器件最佳电流下的工作状态，对得出的结果进行后处理。
进一步地，在所述的步骤1)中，热电效应物理场是固体传热物理场和电流物理场双向耦合得出。
进一步地，在所述步骤2)中，热电器件为面内型热电器件，热电器件的几何物理模型包括热电臂、电极和基板，热电臂的两端分别与相邻电极连接，电极设置于基板上，多个电极之间具有不同的连接方式。
进一步地，热电臂的形状包括矩形、扇形、梯形和S形中的一种或多种；其尺寸可以根据设计的实际需要进行变化；在不同的热电臂之间进行连接，构成电流的通路；其尺寸根据热电臂的尺寸进行变化。
进一步地，热电器件实际制备过程中的衬底，电流不在基板中通过，少部分热量在基板中传递，其尺寸可以根据设计的实际需要进行变化。
进一步地，电极之间的连接方式包括单级串联、单级并联、单级串并联、多级串联、多级并联和多级串并联中的任意一种。
进一步地，多个电极形成多层级分布，不同层级之间通过热电臂连接，各层电极之间形成单级串联、单级并联、单级串并联、多级串联、多级并联和多级串并联中的任意一种。
进一步地，在所述步骤3)中，定义相关全局参数和赋予模型材料属性的具体过程为：将热电臂的材料属性设定为Bi2Te3、SnSe和PbTe中的任意一种的物性参数；电极的材料属性设定为Ag、Cu和Au中的任意一种的物性参数；基板的材料属性设定为聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中任意一种的物性参数。
进一步地，物性参数包括导热系数、密度、常压热容、电导率、相对介电常数和Seebeck系数。
进一步地，在所述的步骤4)中，设置热电器件模型的边界条件具体包括：设定模型边界热通量为外部自然对流，设定对流传热系数为1W/(m2·K)；设定热电器件边界通入电流和接地。不同结构热电器件的最佳电流大小不同。
进一步地，在所述步骤5)中，网格划分的序列类型包括用户控制网格和物理场控制网格，单元大小包括极细化、超细化、较细化、细化、常规、粗化、较粗化、超粗化和极粗化。不同结构热电器件采用不同网格划分方式。
进一步地，在所述步骤6)中，后处理具体包括绘制热电器件温度分布图、等值线和温度变化曲线。
实施例1：
按本发明中的单级热电器件设计方法，模拟环型串联热电器件在最佳工作电流下的温度分布。包括如下步骤：
(1)选择物理场：
进入软件主界面，选择“模型向导”，在“空间维度”中选择“三维”，在物理场的固体传热模块的子模块下选择“热电效应”，在“研究”中选择“稳态”。
(2)建立几何物理模型：
在几何主窗口下选择“工作平面”，进入二维图形构建界面。利用二维绘图工具绘制半径分别为3.5mm和4.5mm的同心圆，扇形角设定78°，利用“布尔操作和分割”下的“差集”工具把4.5mm的圆减去3.5mm的圆，得到部分环形图案。同样的方法把半径为13mm的圆减去半径12mm的圆，根据连接需要设定不同扇形角，得到较大的部分环形图案，重复操作并排布位置。构建顶边为4.85mm，底边为2.5mm的等腰梯形，重复构建8个同样的等腰梯形等距分布在环形图案四周，并使用“布尔操作和分割”使其与环形图案的连接边圆弧化。使用“拉伸”工具使全部二维图案拉伸成厚度为0.02mm的三维模型，并构建尺寸为30mm×30mm×0.15mm的几何体置于其底部，点击“形成联合体”。(参见图1)
(3)设定材料属性：
在材料主窗口选择“空材料”，输入N型碲化铋物理化学属性，点击图1中的域1赋予其材料属性；选择“空材料”，输入P型碲化铋物理化学属性，点击图1中的域2赋予其材料属性；选择“空材料”，输入电极物理化学属性，点击图1中的域3赋予其材料属性；选择“空材料”，输入PI基板物理化学属性，点击图1中的域4赋予其材料属性。
(4)设定初始值和边界条件：
在“固体传热”节点下选择环境温度设定为26.85℃，初始温度设定为环境温度，热通量设定为自然对流传热，传热系数设定为1W/(m2·K)，在“电流”节点下选择图1中的边界5设定为通入电流，图1中的边界6设定为接地。
(5)划分网格：
网格的序列类型选择物理场控制网格，单元大小选择常规，点击构建。(参见图2)
(6)计算结果对比与后处理：
计算后得到温度分布图，进行分析。改变电流条件再次计算，直至得出最佳工作电流下的热电器件工作状态，绘制温度分度图(参见图3)和电势图(参见图4)。
本实施例模拟的热电器件在工作电流为9mA下的热端温度为31.4℃，冷端温度为22.8℃，相比于环境温度，冷端制冷温差达到4.05℃，且温度呈发散式均匀分布。
实施例2：
按本发明中的单级热电器件设计方法，模拟环型热电器件在最佳工作电流下的温度分布。包括如下步骤：
(1)选择物理场：
进入软件主界面，选择“模型向导”，在“空间维度”中选择“三维”，在物理场的固体传热模块的子模块下选择“热电效应”，在“研究”中选择“稳态”。
(2)建立几何物理模型：
在几何主窗口下选择“工作平面”，进入二维图形构建界面。利用二维绘图工具绘制半径分别为3.5mm和4.5mm的同心圆，利用“布尔操作和分割”下的“差集”工具把4.5mm的圆减去3.5mm的圆，得到第一个环形图案。同样的方法把半径为12mm的圆减去半径4.5mm的圆，得到第二个环形图案。同样的方法把半径为13mm的圆减去半径12mm的圆，得到第三个环形图案。使用“拉伸”工具使全部二维图案变成厚度为0.02mm的三维模型，并构建尺寸为30mm×30mm×0.15mm的几何体置于其底部，点击“形成联合体”。(参见图5)
(3)设定材料属性：
在材料主窗口选择“空材料”，输入P型碲化铋物理化学属性，点击图5中的域2赋予其材料属性；选择“空材料”，输入电极物理化学属性，点击图5中的域3赋予其材料属性；选择“空材料”，输入PI基板物理化学属性，点击图5中的域4赋予其材料属性。
(4)设定初始值和边界条件：
在“固体传热”节点下选择环境温度设定为26.85℃，初始温度设定为环境温度，热通量设定为自然对流传热，传热系数设定为1W/(m2·K)，在“电流”节点下选择图5中的边界5设定为通入电流，图5中的边界6设定为接地。
(5)划分网格：
网格的序列类型选择物理场控制网格，单元大小选择常规，点击构建。(参见图6)
(6)计算结果对比与后处理：
计算后得到温度分布图，进行分析。改变电流条件再次计算，直至得出最佳工作电流下的热电器件工作状态，绘制温度分度图(参见图7)和电势图(参见图8)。
本实施例模拟的热电器件在工作电流为105mA下的热端温度为32.8℃，冷端温度为21.8℃，相比于环境温度，冷端制冷温差达到5.05℃，且温度呈发散式均匀分布。
实施例3：
按本发明中的多级热电器件设计方法，模拟两级环型热电器件在最佳工作电流下的温度分布。包括如下步骤：
(1)选择物理场：
进入软件主界面，选择“模型向导”，在“空间维度”中选择“三维”，在物理场的固体传热模块的子模块下选择“热电效应”，在“研究”中选择“稳态”。
(2)建立几何物理模型：
在几何主窗口下选择“工作平面”，进入二维图形构建界面。利用二维绘图工具绘制半径分别为3.5mm和4.5mm的同心圆，利用“布尔操作和分割”下的“差集”工具把4.5mm的圆减去3.5mm的圆，得到第一个环形图案。同样的方法把半径为12mm的圆减去半径4.5mm的圆，得到第二个环形图案。同样的方法把半径为13mm的圆减去半径12mm的圆，得到第三个环形图案。同样的方法把半径为13mm的圆减去半径12mm的圆，得到第三个环形图案。同样的方法把半径为20.5mm的圆减去半径13mm的圆，得到第四个环形图案。同样的方法把半径为21.5mm的圆减去半径20.5mm的圆，得到第五个环形图案。使用“拉伸”工具使全部二维图案变成厚度为0.02mm的三维模型，并构建尺寸为50mm×50mm×0.15mm的几何体置于其底部，点击“形成联合体”。(参见图9)
(3)设定材料属性：
在材料主窗口选择“空材料”，输入P型碲化铋物理化学属性，点击图9中的域2赋予其材料属性；选择“空材料”，输入电极物理化学属性，点击图9中的域3赋予其材料属性；选择“空材料”，输入PI基板物理化学属性，点击图9中的域4赋予其材料属性。
(4)设定初始值和边界条件：
在“固体传热”节点下选择环境温度设定为26.85℃，初始温度设定为环境温度，热通量设定为自然对流传热，传热系数设定为1W/(m2·K)，在“电流”节点下选择图9中的边界5设定为通入电流，图9中的边界6设定为接地。
(5)划分网格：
网格的序列类型选择物理场控制网格，单元大小选择常规，点击构建。(参见图10)
(6)计算结果对比与后处理：
计算后得到温度分布图，进行分析。改变电流条件再次计算，直至得出最佳工作电流下的热电器件工作状态，绘制温度分度图(参见图11)和电势图(参见图12)。
本实施例模拟的热电器件在工作电流为130mA下的热端温度为31.6℃，冷端温度为19.3℃，相比于环境温度，冷端制冷温差达到7.55℃，且温度呈发散式均匀分布。从热电器件中心到其边缘绘制弧长与温度的关系曲线(参见图13)，可以看出热电器件的一级热端温度从单级时的32.8℃下降到29.5℃，热量通过级与级之间连接处传递，再传向四周，从而提高制冷效率。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)在COMSOL软件模型向导中选择三维空间维度和热电效应物理场，进入稳态研究；
步骤2)建立需要求解的热电器件的几何物理模型；
步骤3)定义相关全局参数和赋予模型材料属性；
步骤4)设置模型的初始值和边界条件；
步骤5)划分网格并计算热点器工作时的温度分布；
步骤6)改变边界电流条件通过COMSOL软件进行计算热点器工作时的温度分布并比较，得出热电器件最佳电流下的工作状态，对得出的结果进行后处理。
2.根据权利要求1所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，在所述的步骤1)中，热电效应物理场是固体传热物理场和电流物理场双向耦合得出。
3.根据权利要求1所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，在所述步骤2)中，热电器件为面内型热电器件，热电器件的几何物理模型包括热电臂、电极和基板，热电臂的两端分别与相邻电极连接，电极设置于基板上，多个电极之间具有不同的连接方式。
4.根据权利要求3所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，热电臂的形状包括矩形、扇形、梯形和S形中的一种或多种；在不同的热电臂之间进行连接，构成电流的通路。
5.根据权利要求3所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，电极之间的连接方式包括单级串联、单级并联、单级串并联、多级串联、多级并联和多级串并联中的任意一种。
6.根据权利要求3所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，在所述步骤3)中，定义相关全局参数和赋予模型材料属性的具体过程为：将热电臂的材料属性设定为Bi2Te3、SnSe和PbTe中的任意一种的物性参数；电极的材料属性设定为Ag、Cu和Au中的任意一种的物性参数；基板的材料属性设定为聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中任意一种的物性参数。
7.根据权利要求6所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，物性参数包括导热系数、密度、常压热容、电导率、相对介电常数和Seebeck系数。
8.根据权利要求1所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，设置热电器件模型的边界条件具体包括：设定模型边界热通量为外部自然对流，设定对流传热系数为1W/(m2·K)；设定热电器件边界通入电流和接地， 不同结构热电器件的最佳电流大小不同。
9.根据权利要求1所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，在所述步骤5)中，网格划分的序列类型包括用户控制网格和物理场控制网格，单元大小包括极细化、超细化、较细化、细化、常规、粗化、较粗化、超粗化和极粗化。
10.根据权利要求1所述的基于COMSOL软件的面内型热电器件结构设计方法，其特征在于，在所述步骤6)中，后处理具体包括绘制热电器件温度分布图、等值线和温度变化曲线。
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