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（可参阅本根有限元其他技术分享）。Ansys workbench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。

热电制冷器原理简图如下所示：

根据原理简图，建立如下有限元模型

热电制冷器由铜带与半导体（硅块）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：Case1，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。

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：

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：

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）

提取制冷器电流输入的电压，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%

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：

通过FEA计算，得到：

01结果提取与讨论：

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：

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。

02结果提取与讨论：

热电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：

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。

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：

通过FEA计算，得到：

01结果提取与讨论：

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：

Case3与case2电场分析结果趋势相同，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。

02结果提取与讨论：

热电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：

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

通过ansys workbench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。