黃美嬌臺灣大學：機械工程學研究所周柏圭Chou, Po-KueiPo-KueiChou2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61043熱應力攸關薄膜熱電致冷元件的製作成敗。本文內容主要在建立一個簡易一維薄膜熱電元件通用之分析模型，並且和二維ANSYS薄膜熱電元件的熱應力分析比較。從分析中得知，一維分析在分布趨勢上可以和二維分析相似，但因為少考慮了z方向位移，故在應力值會小許多，且無法察覺出接腳處的應力。 此外，一般在熱電之相關書籍或論文中常會忽略湯姆生效應，而本文將其納入討論之中，目的在於能更廣泛的分析熱電元件的溫度及應力分布。由理論分析結果中發現湯姆生係數之值愈大，對於致冷能力之效果提升愈顯著，但是熱電元件所承受的正向應力也越大，層與層之間的剪應力也越大。此部份之結果可作為熱電材料發展之參考方向。而一維分析僅能提供一個初步的估算；若接腳問題能另有可靠製程解決，則一維分析也不失為一個快速提供有效數據的方法。The thermal stress is a critical issue to the success of a thin-film thermoelectric cooler. The main purpose of this thesis is to establish a simple 1-D model for a thermal stress analysis of a thin-film thermoelectric element. Numerical computations in use of the software ANSYS are also performed for a comparison. This study shows that 1-D results share similar trends to those observed from computations, but the stress magnitudes are smaller. The reason is because in 1-D analysis, the potential effect on the stresses of the Z-direction displacement is ignored. Moreover, junction stresses can not be correctly captured in the 1-D model. Furthermore, Thomson effect is also taken into consideration while it is usually ignored in the literatures. Taking advantage of this effect, a better cooling ability can be attained, although also resulted are bigger thermal stresses. This 1-D model can thus offer a primary estimation for the design of novel thermoelectric cooler without deep consideration of junction stress.目錄 中文摘要 v 英文摘要 vi 表目錄 x 圖目錄 xi 符號說明 xv 第一章 緒論 1 １-１ 熱電致冷器 1 １-２ 熱電材料的發展 3 １-３ 研究動機與背景 5 １-４ 論文架構 6 第二章 基本原理 7 ２-１ 熱電效應 7 ２-２ 熱應變 8 ２-３ 應力與應變關係 10 ２-４ 線動量守恆原則 10 ２-５ 破壞理論 12 第三章 熱電致冷器熱分析 14 ３-１ 大型熱電致冷器熱傳分析 14 ３-１-１ 熱導出率之探討 18 ３-１-２ 致冷能力 19 ３-１-３ 測試例 20 ３-２ 薄膜熱電致冷元件熱傳分析(thin-film) 22 ３-２-１ 薄膜熱電致冷元件的致冷效率 24 ３-２-２ 薄膜熱電致冷元件致冷能力 25 ３-２-３ 薄膜熱電致冷元件測試例 25 第四章 熱電致冷器應力應變分析 30 ４-１ 大型熱電致冷器應力應變分析模擬 31 ４-２ 薄膜熱電致冷元件一維應力分析 32 ４-２-１ 一維位移 32 ４-２-２ 薄膜與薄膜間之剪應力 33 ４-２-３ 線性溫度分佈 35 ４-２-４ 非線性溫度分佈 36 ４-３ 薄膜熱電致冷器二維應力分析(2D 分析) 37 ４-３-１ 統御方程式 37 ４-３-２ 邊界條件（Boundary Conditions） 38 ４-３-３ 二維應力應變ANSYS分析 41 第五章 結果與討論 44 ５-１ 大型熱電致冷器應力分析測試 44 ５-１-１ 電流對應力的影響 44 ５-１-２ 湯姆生效應對應力的影響 45 ５-１-３ 破壞分析 46 ５-２ 薄膜熱電致冷元件應力測試－(線性溫度分布) 47 ５-２-１ 一維分析結果 47 ５-２-２ 二維分析(ANSYS)結果 48 ５-２-３ 破壞分析 50 ５-３ 薄膜熱電致冷元件一維應力測試－(非線性溫度分布) 51 ５-３-１ 電流對應力的影響 51 ５-３-２ 最佳電流下湯姆生效應對應力的影響 51 ５-３-３ 臨界電流下湯姆生效應對應力的影響 52 ５-４ 薄膜熱電致冷元件二維應力測試－(非線性溫度分布) 53 ５-４-１ 最佳電流下無湯姆生效應之應力測試 53 ５-４-２ 臨界電流下有湯姆生效應之應力測試 55 第六章 結論及未來展望 57 ６-１ 結論 57 ６-２ 未來展望 59 附錄A 60 參考文獻1422094 bytesapplication/pdfen-US湯姆生效應熱電致冷元件熱應力Thermoelectric coolerthermal stressThomson effectthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61043/1/ntu-93-R91522311-1.pdf