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，就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。

顺应这种电子产品设计的趋势，衍生出各种温度管理技术，包括被动式的散热鳍片、热管，主动式的散热鳍片加风扇、水冷系统和热电冷却器(ThermoelectricCooler，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。其体积小，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SolidWorksFlowSimulation中完成TEC(图1)的仿真，以及介绍其相关理论背景技术。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013130399.jpg

　　图1单层热电冷却器(1616mm)

　　二、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，具有热电能量转换特性的材料可产生致冷功能，称之为热电致冷。这种效应可以用来产生电能，用于测量温度、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1823年由德国物理学家Seebeck发现。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(ThermalCouples)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。

　　三、FlowSimulation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)。这种热带动方式自然会伴随着焦耳热于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×T-R×i2/2-k×ΔT。相同地，于TEC热面的净热释放量为Qh，Qh=a×i×T+R×i2/2-k×ΔT。

　　在FlowSimulation中，TEC是指定于一个平板(方块)的实体模型，需要指定其热面，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(图2)。

　　(1)最大DC直流电流为imax。

　　(2)在imax且ΔT=0时，最大热传量为Qcmax(图3)。

　　(3)当Qc=0时，最大温度差为ΔTmax。

(4)对应于imax时的电压为Vmax。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013146918.jpg

图2FlowSimulation中TEC的定义画面，必须定义4项参数

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013203785.jpg

　　图3TEC的每项参数都必须定义在两个Th温度时的数值，此为Qcmax

　　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。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FlowSimulation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(ContactResistance)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。

　　四、TEC应用实例

　　本文使用装置是使用在红外线焦点平面数组检探测器(Infraredfocalplanearraydetector)的主动式冷却装置，应用于火星太空任务中。

由于硬件的需求，此冷却器(图4和图5)的尺寸为：厚度4.8mm，冷面8mmx8mm，热面12mmx12mm。由三层半导体材料颗粒堆栈而成，其主要成份为(Bi,Sb)2(Se,Te)3。此冷却器设计的工作温度为热面120～180K，而且在其表面可提供超过30K的温降。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013216337.jpg

图4热电冷却器的结构，此为三层式TEC

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013229296.jpg

　　图5TEC测试架设图

要使用FlowSimulation求解此工程问题，冷却器必须以一个梯型角锥实体取代，在热面设定固定温度(温度边界条件)，在冷面给定热流动(热流边界条件)，如图6和图7所示。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013243644.jpg

图6FlowSimulation用来分析TEC的模型示意图

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013300382.jpg

　　图7在FlowSimulation中设定画面，热面接触的零件设定固定温度Th，冷面接触的零件设定热流动状况Qc

要在FlowSimulation中设定TEC，必须在工程数据库中事先定义好各项TEC参数，必要的有4项参数。本文提供的参数如图8所示。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013310413.jpg

　　图8本文中TEC各项参数

指定TEC时，选择整个简化的梯型角锥实体，再选择热面像素。在参数中，只需要输入电流量I，并指定已储存于工程数据库中的TEC型号(图9)。本文要仿真两种情形，第一种情形是固定Qc值，变动电流I，需要知道ΔT与I的结果关系。第二种情形是固定电流I=imax，变动Qc值，需要知道ΔT与Qc的结果关系。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013323695.jpg

　　图9FlowSimulation中TEC指令的定义画面，选择TEC实体、热面、输入电流值及选择TEC型号

模拟完成之后，第一种情形结果与实测的比较，如图10所示。热面与冷面温度降与电流I的关系，通过使用Flow Simulation模拟的结果与实测值相当符合。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013336215.jpg

　　图10ΔT与电流I的结果汇整，对应两个不同的Th

第二种情形分析结果与实测的比较也相当接近。如图11所示，在两个不同的Th时，ΔT与Qc的关系。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013349798.jpg

　　图11ΔT与Qc的结果汇整，对应两个不同的Th

　　TEC组件经常用一个无因次的效能系数COP(coefficientofperformance)，其定义为：。

其中Pin为冷却器的功率损耗，Qc及Qh分别为冷面及热面的热流量。COP与ΔT的结果汇整如图12所示。

http://www.idnovo.com.cn/uploadfile/magazine/uploadfile/201107/20110717013404568.jpg

　　图12COP与ΔT的结果汇整，对应两个不同的Th

　　最后，我们由这些模拟结果得知：FlowSimulation对于热电冷却器在不同的电流及温度下，可以精确计算出热现象。