高熱流密度電子部件熱電冷卻技術研究.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,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,這樣將嚴重影響其高效、穩(wěn)定、安全運行和使用壽命。將電子元部件溫度降到安全可控范圍之內是保證設備正常工作的必要前提。
　　熱電制冷作為固態(tài)制冷技術,無制冷工質、無噪音、系統(tǒng)結構簡單、制冷容量可調范圍大、便于集成安裝等優(yōu)點,被廣泛應用于軍事、民用、航天科技、醫(yī)

2、藥衛(wèi)生、電子等領域。本文基于熱電制冷技術,對電子設備冷卻進行研究,具體研究內容包括:
　　(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行分析。結果表明:當熱端產(chǎn)熱量較大時,強化傳熱,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,而改變換熱介質溫度則傳熱效果更為顯著;提高冷端換熱介質溫度和降低熱端換熱介質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

3、行了數(shù)值模擬。模擬結果發(fā)現(xiàn),在諸如電子封裝外殼或散熱基板的熱電冷卻中,當被冷卻對象材料導熱系數(shù)較小時,熱電制冷器適用于局部冷卻,不宜用于整體降溫冷卻。單塊制冷片無法達到冷卻效果時,可相應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,冷卻對象的材料導熱系數(shù)越大,擴展熱阻越小,越有利于傳熱,熱電冷卻效果越佳。
　　(3)對熱電制冷技術在芯片冷卻中的冷卻效果進行了實驗研究。設計了電子芯片冷卻實驗裝置,通過測試芯片表面溫度與制

4、冷器熱端散熱強度及工作電流的關系,分析了熱電制冷在芯片冷卻中的冷卻效果。
　　實驗表明: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冷,增大水流量或風扇功率來提高散熱強度,對冷卻效果均有利,但是隨著散熱強度增大到一定值后,制冷器的制冷量變化較小,冷卻效果無太大的變化,因此在實際應用中,應根據(jù)實際情況合理調節(jié)制冷器散熱強度,達到最佳冷卻效果和運行效益。
　　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,當電流增至最佳冷卻電流時,隨著電流的增大,被冷卻部位溫度逐漸升高。在本文實驗范圍內,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。在實際熱電冷卻中,應根據(jù)發(fā)熱部件的功率,調整熱電輸入電流,既能滿足冷卻效果又能降低運行成本。
　　(4)對熱電制冷技術在均勻熱表面冷卻中的冷卻效果進行了實驗研究。設計了實驗裝置,通過測試熱表面溫度與制冷器熱端散熱強度及工作電流的關系,分析了熱電制冷器

6、在均勻熱表面冷卻中的冷卻效果。
　　實驗表明:由于被冷卻對象在冷卻過程中,存在擴展熱阻,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作用。
　　在電子設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,預期將成為電子冷卻領域的主流技術之一。研究熱電制冷與電子設備傳熱耦合,為熱電冷