高熱流密度電子部件熱電冷卻技術(shù)研究.pdf

1、電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,對電子產(chǎn)品的需求與日俱增。同時(shí),電子芯片的主頻和集成化程度越來越高,芯片尺寸在不斷的減小,從而導(dǎo)致芯片熱流密度急劇增加和溫度分布不均,使得芯片出現(xiàn)熱失效問題,這樣將嚴(yán)重影響其高效、穩(wěn)定、安全運(yùn)行和使用壽命。將電子元部件溫度降到安全可控范圍之內(nèi)是保證設(shè)備正常工作的必要前提。
　　熱電制冷作為固態(tài)制冷技術(shù),無制冷工質(zhì)、無噪音、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制冷容量可調(diào)范圍大、便于集成安裝等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于軍事、民用、航天科技、醫(yī)

2、藥衛(wèi)生、電子等領(lǐng)域。本文基于熱電制冷技術(shù),對電子設(shè)備冷卻進(jìn)行研究,具體研究內(nèi)容包括:
　　(1)利用數(shù)值模擬方法,對熱電制冷器的冷熱端傳熱特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:當(dāng)熱端產(chǎn)熱量較大時(shí),強(qiáng)化傳熱,最大限度減小冷熱端溫差是提高制冷效率的有效方法。單純依靠提高換熱系數(shù)效果并不明顯,而改變換熱介質(zhì)溫度則傳熱效果更為顯著;提高冷端換熱介質(zhì)溫度和降低熱端換熱介質(zhì)溫度對熱電制冷器性能的提高有利。
　　(2)對模擬芯片和均勻熱表面的熱電冷卻進(jìn)

3、行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在諸如電子封裝外殼或散熱基板的熱電冷卻中,當(dāng)被冷卻對象材料導(dǎo)熱系數(shù)較小時(shí),熱電制冷器適用于局部冷卻,不宜用于整體降溫冷卻。單塊制冷片無法達(dá)到冷卻效果時(shí),可相應(yīng)增加熱表面制冷片數(shù)目,增加被冷卻面積。就整體冷卻角度而言,冷卻對象的材料導(dǎo)熱系數(shù)越大,擴(kuò)展熱阻越小,越有利于傳熱,熱電冷卻效果越佳。
　　(3)對熱電制冷技術(shù)在芯片冷卻中的冷卻效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了電子芯片冷卻實(shí)驗(yàn)裝置,通過測試芯片表面溫度與制

4、冷器熱端散熱強(qiáng)度及工作電流的關(guān)系,分析了熱電制冷在芯片冷卻中的冷卻效果。
　　實(shí)驗(yàn)表明:要想提高冷卻效果和制冷器性能,無論熱電制冷器熱端采用水冷還是風(fēng)冷,增大水流量或風(fēng)扇功率來提高散熱強(qiáng)度,對冷卻效果均有利,但是隨著散熱強(qiáng)度增大到一定值后,制冷器的制冷量變化較小,冷卻效果無太大的變化,因此在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)節(jié)制冷器散熱強(qiáng)度,達(dá)到最佳冷卻效果和運(yùn)行效益。
　　隨著熱電輸入電流的增大,被冷卻部位溫度(制冷片冷端溫

5、度)降低,當(dāng)電流增至最佳冷卻電流時(shí),隨著電流的增大,被冷卻部位溫度逐漸升高。在本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),最佳冷卻電流為2.5-3.0 A。最佳冷卻電流的值并非固定的,與被冷卻對象的發(fā)熱功率有關(guān)。在實(shí)際熱電冷卻中,應(yīng)根據(jù)發(fā)熱部件的功率,調(diào)整熱電輸入電流,既能滿足冷卻效果又能降低運(yùn)行成本。
　　(4)對熱電制冷技術(shù)在均勻熱表面冷卻中的冷卻效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置,通過測試熱表面溫度與制冷器熱端散熱強(qiáng)度及工作電流的關(guān)系,分析了熱電制冷器

6、在均勻熱表面冷卻中的冷卻效果。
　　實(shí)驗(yàn)表明:由于被冷卻對象在冷卻過程中,存在擴(kuò)展熱阻,使得溫度分布出現(xiàn)非對稱性,矩形被冷卻熱表面寬度方向溫度變化與長度方向不同。因而,在冷卻過程中,根據(jù)被冷卻對象的幾何形狀,合理布置制冷片,對冷卻效果的提高有較大的促進(jìn)作用。
　　在電子設(shè)備高度集成化和低碳環(huán)保的大背景下,高效、便于集成和無制冷劑污染的熱電冷卻技術(shù),預(yù)期將成為電子冷卻領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。研究熱電制冷與電子設(shè)備傳熱耦合,為熱電冷