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研究生: 陳怡君
論文名稱: 熱電致冷元件模擬分析暨操作條件最佳化之研究
Modeling and operation optimization of thermoelectric cooling modulus
指導教授: 廖建能
Chien-Neng Liao
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 77
中文關鍵詞: 熱電致冷元件模擬
外文關鍵詞: thermoelectric cooler, simulation
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  • 熱電致冷元件的效能除了與熱電材料性質相關之外,亦受其操作條件及熱電材料幾何形狀所影響。本研究中定義一簡單的操作因子IG(操作電流乘以熱電材料的幾何形狀),並探討此操作因子對熱電熱電致冷元件性能之影響。研究發現經由簡單數學推導可求得達到最大熱電效能的幾何操作因子。接著以理論分析結果為基礎來討論熱電致冷元件中的電流密度分佈對其熱電效能的影響。此部分利用ANSYS有限元素分析軟體建立二維及三維的熱電模型,並藉由改變熱電材料長度來討論元件中電流不均勻性對熱電效能的影響。由模擬結果發現熱電材料長度變短後會使得電流壅塞效應越來越嚴重,而造成冷端與熱端的溫度差變大。因此從熱端回流到冷端的熱太多而造成效能下降。另外針對縮小接觸面積並施加均勻電壓與均勻電流兩種不同的負載,討論不同的電流分佈對熱電效能的影響。從模擬結果發現考慮接觸電阻效應之後會使得溫度差下降,且當負載為均勻電流時會使得接觸電阻所產生的焦爾熱大幅上升,進而使得冷端溫度上升,降低熱電致冷元件性能。


    Abstract

    The efficiency of thermoelectric cooler is not only affected by the properties of thermoelectric materials but also by the operating conditions and geometry of thermoelectric materials. In this research, we investigated the performance of the thermoelectric cooler by defining a geometric operation factor, IG, which is the applied current multiplied by the geometry of thermoelectric elements. We can calculate the optimized geometric operation factor to achieve the best performance of thermoelectric coolers. The effect of electric current distribution on the performance of thermoelectric devices is also discussed based on the theoretical analysis results. In this part, we build the 2D and 3D thermoelectric models using ANSYSTM FEA software, and explore the influence of non-uniform current in the thermoelectric elements. The simulation results indicate that the degree of current crowding in thermoelectric elements increases with decreasing length of TE elements. The longer TE elements result in larger temperature difference between both ends of TE elements. Therefore, there will be a marked conductive heat flowing from the hot side to the cold side, which degrades the performance of thermoelectric devices. According to the simulation results, it is found that the contact resistance effect causes the reduction of temperature difference. When the device loading is uniform current, the contact induced joule heat will raise the temperature at the cold side and decrease the performance of thermoelectric devices.

    目錄 頁數 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 實驗目的 2 第二章 文獻回顧 3 2.1 熱電致冷原理介紹 3 2.1.1 Seebeck效應 3 2.1.2 Peltier效應 5 2.1.3 Thomson效應 6 2.1.4 熱電致冷 7 2.2 熱電致冷模組設計 10 第三章 理論分析與模擬流程 15 3.1 理想熱電致冷模組 15 3.2 接觸電阻對熱電模組效能影響 22 3.3 熱電致冷模擬分析 28 3.3.1 ANSYS有限元素分析法簡介 29 3.3.2 ANSYS模擬分析 29 第四章 結果與討論 45 4.1 熱電致冷器模組模擬結果評估 45 4.2 電流密度分佈對熱電致冷模組效能的影響 53 4.3 高電流密度對熱電效能影響之探討 60 4.3.1 重建模型 60 4.3.2 接觸電阻效應 65 第五章 結論 74 參考文獻 76 圖目錄 頁數 圖2-1 Seebeck效應 (a)平衡前(b)平衡後示意圖 4 圖2-2 Seebeck效應示意圖 5 圖2-3 Peltier效應示意圖 6 圖2-4 Thomson效應示意圖 7 圖2-5 熱電致冷元件運作原理示意圖 8 圖2-6 不同熱電材料的熱電優值隨溫度變化之情形 9 圖2-7 (A)金字塔型(B)方塊型二層熱電致冷元件結構示意圖 11 圖2-8 理想的一維與三維熱電致冷器示意圖 13 圖2-9 熱電效能比值對電流比值之作圖 14 圖3-1 熱電致冷器中致冷效應示意圖 16 圖3-2 熱電致冷模組(a)效能係數、(b)模組溫差及(c)致冷功率隨幾何操作因子改變之情形 20 圖3-3 熱電模組綜合效能隨幾何操作因子變化之關係圖 21 圖3-4 具不同β值的熱電模組之(a)效能係數與(b)模組溫差隨幾何操作因子改變之關係圖 25 圖3-5 具不同β值的熱電模組致冷功率隨幾何操作因子改變之關係圖 26 圖3-6 當熱電致冷模組具不同ZTc值時,βcritical對Th/Tc之作圖 26 圖3-7 考慮接觸電阻效應(假設β=0.1)下,綜合熱電模組效能隨幾何操作因子變化之關係圖 27 圖3-8 有限元素分析示意圖 28 圖3-9 (a)線性(linear)元素(b)二次性(quadratic) 元素示意圖 30 圖3-10 (a)線性元素趨近(b)二次性元素趨近(c)多次線性元素趨近圖 31 圖3-11 ANSYS模擬流程圖 33 圖3-12 Top-down 法建立結構 34 圖3-13 Bottom-up 法建立結構 34 圖3-14 熱電致冷模組二維結構示意圖 35 圖3-15 熱電材料與銅導線接觸層示意圖 36 圖3-16 完成材料性質設定之熱電模組結構圖 36 圖3-17 接觸層電阻示意圖 37 圖3-18 熱電致冷模組結構網格化處理結果(a)自動網格化與(b)棋盤式網格化 40 圖3-19 熱電致冷模組模擬結構邊界條件施加示意圖 42 圖3-20 熱電模擬結構邊界條件檢視圖 43 圖3-21 熱電致冷模組溫度與電流模擬分析結果 44 圖4-1 ANSYS模型電流密度擷取示意圖 46 圖4-2 ANSYS模型熱流擷取示意圖 47 圖4-3 熱電致冷元件電流密度分佈圖 51 圖4-4 熱電致冷元件 (a)整體(b)冷端(path1) (c)熱端(path2)溫度分佈圖(I=2A) 52 圖4-5 通入不同電流,熱電致冷元件縱軸(path3)的溫度分佈 52 圖4-6 相同幾何操作因子不同熱電材料長度時,模擬與理論COP、Qc差異 57 圖4-7 不同熱電材料長度,電流密度Max./Min.比值圖 58 圖4-8 不同熱電材料長度下,Peltier效應與焦爾熱效應模擬相對於理論所增加的百分比圖 58 圖4-9 不同熱電材料長度時,冷端、熱端溫度差對材料長度作圖 59 圖4-10 不同熱電材料長度下,熱傳導效應模擬相對於理論所增加的百分比圖 59 圖4-11 重建模型示意圖 60 圖4-12 模型網格化圖 61 圖4-13 數據擷取示意圖 62 圖4-14 通入(a)均勻電流(b) 均勻電壓時接觸面溫度分佈圖(path1) 63 圖4-15 通入(a)均勻電流(b) 均勻電壓(I=0.2)時接觸面電壓分佈圖(path1) 63 圖4-16 通入(a)均勻電流(b)均勻電壓時接觸面電流密度分佈圖 64 圖4-17 理論與不同接觸面積時,溫度差的比較 65 圖4-18 不同接觸電阻率時,電流與最大溫度差之圖(接觸面積50μm×50μm) 67 圖4-19 不同接觸電阻率時,電流與最大溫度差之圖(接觸面積60μm×60μm) 68 圖4-20 接觸面接觸電阻設計示意圖 69 圖4-21 為均勻接觸電阻與case A、B溫度差比較圖 71 圖4-22 接觸面為均勻接觸電阻與不均勻接觸電阻的電流密度分佈圖(path2) 72 表目錄 頁數 表2-1 不同結構,操作因子假設 11 表3-1 線性元素與二次性元素之比較表 30 表3-2 利用元素solid 226及元素solid 227模擬相同熱電模組的結果比較表 32 表3-3 熱電模組中各項材料性質 37 表3-4 三層界面層的材料性質 38 表3-5自動網格化與棋盤式網格化之比較 40 表4-1 輸入電流與通過N-type熱電材料之電流 46 表4-2 熱電致冷模組中 不同位置熱量值 48 表4-3 理想狀況時,理論與模擬之熱電效能比較表 49 表4-4 考慮接觸電阻後時,理論與模擬之熱電效能比較表 49 表4-5 相同幾何操作因子時,模擬與理論之比較 56 表4-6 不同熱電材料長度,Peltier效應與焦爾熱效應模擬與理論之比較 57 表4-7 文獻材料參數 61 表4-8 不同接觸面積、不同接觸電率時,冷端溫度變化 67 表4-9 均勻電壓時,理論計算與模擬分析操作條件比較表 68 表4-10 兩種不同的接觸電阻通入不同電流後所得的冷端溫度 71 表4-11 不同接觸電阻率時,理論計算與模擬分析出的接觸層焦爾熱 73

    [1] 東華大學http://www.ndhu.edu.tw/~ykkuo/thermoelectric.pdf

    [2] D.m.Rowe,”Possible Offshore Application of thermoelectric conversion”The Marine Technology Society
    Journal,1994

    [3] X.C. Xuan, K.C.Ng, C.Yap, H.T.Chua,”Optimization of two-stage thermoelectric coolers with two design configuration”,Energy Conversion and Management 43(2002)2041-2052

    [4] Luciana W. da Silva, Massoud Kaviany ”Micro-thermoelectric cooler:interfacial effects on thermal and electric transport”international Journal of Heat and Mass Transfer 47(2004)2417-2435

    [5] X.C. Xuan,”Investigation of thermal contact effect effect on thermoelectric coolers”,Energy Conversion and Management 44(2003)399-410

    [6] G.M.and D.M.Rowe,”Cooling performance of integrated thermoelectric microcooler”,Solid-State Electronics,vol.43,1999

    [7] G.M.and D.M.Rowe,”Improved model for calculating the coefficient of performance of a Peltier module”,Energy
    Conversion & Management, vol.41,2000

    [8] Yan Zhang and Ali Shakouri, ”High-power-density spot cooling using bulk thermoelectrics”, APL volume 85 ,number 14

    [9] Yan Zhang ,Zhixi Bian and Ali Shakouri,
    ”Improved maximum cooling by optimizing the geometry of thermoelectric leg elements”, 2005 International conference on thermoelectrics

    [10] D.M. Rowe ,Ph.D.and D.Sc.,CRC. Handbook of thermoelectrics,

    [11] G.A.Slack, CRC. Handbook of thermoelectrics, edited by D.M. Rowe(Chemical Ribber,Boca Raton,FL,1995),Chap.34

    [12] D.M. Rowe ,Ph.D.and D.Sc.,CRC. Handbook of thermoelectrics,CRC Press, Boca Raton,1994 Chap.3

    [13] 莊幸蓉碩士論文,”熱電致冷器與熱電能源產生器之設計與分析”,國立清華大學微機電系統工程研究所,2005

    [14] Peoperties of Lead-Free Solder http://www.boulder.nist.gov/div853/lead%20free/props01.html , National Institute of Standards & Technology and Colorado School of Mines

    [15] Elena E. Antonova and David C. Looman,”Finite Element for Thermoelectric Device Analysis in ANSYS”,ANSYS Inc. Southpoint , Technology Drive,Canonsburg ,PA 15317 ,USA

    [16] “ANSYS 基礎課程講義”國家高速網路與計算中心印製

    [17] Chien-Neng Liao and Kuan-Chia Chen,”Current Crowing Effect on Thermal Characteristics of Ni/Doped-Si Contact”,IEEE
    Electron device letters,vol.24,No10,2003

    [18] Chien-Neng Liao and Kuen-Ming Liou,”Electrical properties of Cu/Ta interfaces under electrical current stressing”, J.Vac.Sci.Technol A23(2), 2005

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