Mathematical Modelling of Thermo-Mechanical Stresses Arising in Rectangular Supports of Thermoelectric Modules

Traditionally available unsegmented thermoelectric modules are simple to operate but their applications are limited. Whereas, segmented thermoelectric modules have got significant amount of advantage over unsegmented thermoelectric modules, materially and performance vise, but structural reliability is still unresolved challenge. Thermoelectrical module encounters high stresses due to increase in operating temperature and difference in coefficient of thermal expansion. Consequently, these stresses create deformation and cracks in thermoelectric legs, especially at higher temperature. In this paper a comprehensive analytical model for Thermoelectric modules is discussed. The model can predict thermally induced and shearing stresses in Thermoelectric module. The contemplation of geometrical shape for thermoelectrical module is limited to rectangular and beam-like design, for unsegmented and segmented modules. The analytical model was compiled in MATLAB and Python and results are discussed in detail.

Традиционные имеющиеся несегментированные термоэлектрические модули просты в эксплуатации, но их применение ограничено из-за низкой эффективности преобразования. Сегментированные термоэлектрические модули имеют значительное преимущество по материалу и по рабочим характеристикам по сравнению с несегментированными термоэлектрическими модулями, но проблема их конструктивной надежности при средней и высокой температурах (до 1000 °C и более) до сих пор не решена. Сегментированные модули сталкиваются с высокими напряжениями из-за повышения рабочей температуры. Следовательно, эти напряжения создают деформацию (изгиб, прогиб) и трещины на термоэлектрических опорах. В данной работе рассматривается комплексная аналитическая модель для термоэлектрических модулей. Полученная модель позволяет предсказать термически индуцированные напряжения и напряжения сдвига на кромке компонента. Созерцание геометрической формы для термоэлектрических модулей ограничено прямоугольной и балочной конструкцией, для несегментированных и сегментированных модулей. Аналитическая модель была составлена в MATLAB и Python, результаты подробно обсуждаются.