论文部分内容阅读
电子产业的迅猛发展,对电子产品的需求与日俱增。同时,电子芯片的主频和集成化程度越来越高,芯片尺寸在不断的减小,从而导致芯片热流密度急剧增加和温度分布不均,使得芯片出现热失效问题,这样将严重影响其高效、稳定、安全运行和使用寿命。将电子元部件温度降到安全可控范围之内是保证设备正常工作的必要前提。热电制冷作为固态制冷技术,无制冷工质、无噪音、系统结构简单、制冷容量可调范围大、便于集成安装等优点,被广泛应用于军事、民用、航天科技、医药卫生、电子等领域。本文基于热电制冷技术,对电子设备冷却进行研究,具体研究内容包括:(1)利用数值模拟方法,对热电制冷器的冷热端传热特性进行分析。结果表明:当热端产热量较大时,强化传热,最大限度减小冷热端温差是提高制冷效率的有效方法。单纯依靠提高换热系数效果并不明显,而改变换热介质温度则传热效果更为显著;提高冷端换热介质温度和降低热端换热介质温度对热电制冷器性能的提高有利。(2)对模拟芯片和均匀热表面的热电冷却进行了数值模拟。模拟结果发现,在诸如电子封装外壳或散热基板的热电冷却中,当被冷却对象材料导热系数较小时,热电制冷器适用于局部冷却,不宜用于整体降温冷却。单块制冷片无法达到冷却效果时,可相应增加热表面制冷片数目,增加被冷却面积。就整体冷却角度而言,冷却对象的材料导热系数越大,扩展热阻越小,越有利于传热,热电冷却效果越佳。(3)对热电制冷技术在芯片冷却中的冷却效果进行了实验研究。设计了电子芯片冷却实验装置,通过测试芯片表面温度与制冷器热端散热强度及工作电流的关系,分析了热电制冷在芯片冷却中的冷却效果。实验表明:要想提高冷却效果和制冷器性能,无论热电制冷器热端采用水冷还是风冷,增大水流量或风扇功率来提高散热强度,对冷却效果均有利,但是随着散热强度增大到一定值后,制冷器的制冷量变化较小,冷却效果无太大的变化,因此在实际应用中,应根据实际情况合理调节制冷器散热强度,达到最佳冷却效果和运行效益。随着热电输入电流的增大,被冷却部位温度(制冷片冷端温度)降低,当电流增至最佳冷却电流时,随着电流的增大,被冷却部位温度逐渐升高。在本文实验范围内,最佳冷却电流为2.5-3.0 A。最佳冷却电流的值并非固定的,与被冷却对象的发热功率有关。在实际热电冷却中,应根据发热部件的功率,调整热电输入电流,既能满足冷却效果又能降低运行成本。(4)对热电制冷技术在均匀热表面冷却中的冷却效果进行了实验研究。设计了实验装置,通过测试热表面温度与制冷器热端散热强度及工作电流的关系,分析了热电制冷器在均匀热表面冷却中的冷却效果。实验表明:由于被冷却对象在冷却过程中,存在扩展热阻,使得温度分布出现非对称性,矩形被冷却热表面宽度方向温度变化与长度方向不同。因而,在冷却过程中,根据被冷却对象的几何形状,合理布置制冷片,对冷却效果的提高有较大的促进作用。在电子设备高度集成化和低碳环保的大背景下,高效、便于集成和无制冷剂污染的热电冷却技术,预期将成为电子冷却领域的主流技术之一。研究热电制冷与电子设备传热耦合,为热电冷却的自动控制系统的设计和热电薄膜冷却技术的发展提供技术参考。