Object oriented model of TE elements for use in electronic system

The goal of this thesis is the development of a dynamic model of Thermoelectric device (TEC/TEG) using an object-oriented approach. The applications of this model are mainly to develop active heat removal schemes for electronic devices, including desktop and server processors. The high spatial temperature gradients commonly found in such application demand detailed models taking into account a non-uniform temperature across the sides of the thermoelectric element, thus motivating this research. The modeling start form the an analysis of the component structure, by modeling the physical behavior of its elements. The core of the simulation is a model of the semiconductor elements of the TEC. Whose equation are written considering the physical effects into play such as the Seebeck and Peltier ones. Particular attention is paid to the metal interconnects that carry current through the elements, analyzing their thermal behavior and designing a model to map their temperature to that of an uniform grid to take into account the non-uniform temperature of the device to which the TEC is attached. The model is also capable of simulating the power generation that occurs when a temperature differential is applied to such devices, acting thus as thermoelectric generators (TEG) Simulation results are compared with experiments performed on a real Thermoelectric element, in order to tune the model parameters. The implementation of the model is performed using OpenModelica, a free software object-oriented simulation environment.

L'obiettivo di questa tesi si focalizza nello sviluppo di un modello di un componente Termoelettrico (TEC/TEG) utilizzando strumenti di modellazione object oriented. Le applicazioni di questo modello si concentra principalmente nel sviluppare schemi per dispositivi elettronici mirati alla dissipazione attiva del calore, in particolare processori desktop e server. Gli alti gradienti di temperatura spaziali che si trovano comunemente in tali applicazioni richiedono modelli dettagliati che tengono conto di una temperatura non uniforme su entrambi i lati dell'elemento termoelettrico, motivando cosi questa ricerca. La modellazione comincia da un'analisi della struttura dei componenti, modellando il comportamento fisico dei suoi elementi. Il nucleo della simulazione e' un modello degli elementi a semiconduttore della TEC. Queste equazioni sono scritte considerando gli effetti fisici in gioco come, in particolare, gli effetti Seebeck e Peltier. Particolare attenzione e' rivolta alle interconnessioni metalliche che portano corrente attraverso gli elementi, analizzando il loro comportamento termico e progettazione di un modello per mappare la loro temperatura a quella di una griglia uniforme per tener conto della temperatura non uniforme del dispositivo a cui il dispositivo e' connesso. Il modello e' anche in grado di simulare la produzione di energia che si verifica quando una differenza di temperatura viene applicata a tali dispositivi, agendo quindi come generatori termoelettrici (TEG) I risultati della simulazione sono confrontati con esperimenti effettuati su un vero elemento termoelettrico, al fine di ottimizzare i parametri del modello. L'implementazione del modello viene eseguita utilizzando OpenModelica, un ambiente software object-oriented di simulazione opensource.