熱電製冷的界面熱-電輸運特徵及尺度效應的研究

《熱電製冷的界面熱-電輸運特徵及尺度效應的研究》是依託華中科技大學，由申利梅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：熱電製冷的界面熱-電輸運特徵及尺度效應的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：申利梅
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

晶片強化冷卻是面向國家重大戰略需求的關鍵科學技術問題，熱電製冷是冷卻晶片的有效方式之一。然而從巨觀到微觀過渡時熱電製冷溫差驟降，使其在晶片冷卻套用中困難重重，雖有研究指出此現象可能是由熱擴散勢壘區的電阻和熱阻引起的，但相關機理尚不清楚。申請人擬從熱電製冷界面熱-電輸運過程著手，基於熱傳輸形式(熱擴散和熱波)、界面接觸效應和晶片產熱傳熱特性，構建基於分子動力學-界面元-有限元的熱物理模型，運用多尺度分析方法，研究熱擴散勢壘區的熱-電輸運特性；採用變頻方波電源驅動熱電模組，分析界面接觸熱阻、電阻和尺寸對熱電製冷性能的影響，尤其是界面接觸效應和熱傳輸形式變化的耦合區間；闡述熱電製冷的界面熱-電輸運特性及尺度效應，揭示微尺度熱電製冷溫差驟降的機理。該研究為解決晶片冷卻問題提供理論支撐，填補熱電製冷界面熱-電輸運過程的相關研究空白，對提升我國軍事、航空航天領域等設備的可靠性和壽命有重要實際意義。

結題摘要

晶片內/晶片間增強冷卻是國家重大戰略需求的關鍵科學技術問題，而熱電製冷是晶片冷卻的最好方式之一，但因微型熱電製冷器集成封裝冷卻晶片時製冷溫差驟降，使得實際套用中困難巨大。如果能揭示熱電製冷從巨觀到微觀過渡區間性能轉變規律，那么就可以指導微型熱電製冷器的設計，為解決晶片冷卻問題提供理論支撐。基於上述背景，本項目展開了以下三部分研究內容：(1)基於聲子、電子的Boltzmann輸運方程，建立熱電製冷的界面熱-電輸運模型，分析墊壘層厚度對界面邊界熱阻和電阻的影響，進一步探討界面效應對熱電製冷性能的影響；並自主設計搭建了熱電製冷器物性測試台，修正物性參數，使模型精度控制在5%以內。(2)通過耦合Boltzmann熱輸運和傅立葉導熱，引入器件熱物性參數關聯接觸熱阻/電阻和邊界熱阻/電阻，建立了微型熱電製冷器的仿真模型，運用多尺度分析方法，研究電子、聲子輸運對器件熱物性參數的影響，分析了界面效應和尺度效應對其內部溫度分布、製冷溫差、製冷量和COP的影響，最佳化設計的微型熱電製冷器冷卻通量可達300 W/cm2；基於界面效應引起的器件物性參數變化，提出了一種分段結構的熱電製冷器，可將熱電製冷溫差、製冷量和COP分別提高151.8%, 103.4%, 71.0%。(3)採用數值和實驗方法研究了微型熱電製冷器冷卻晶片及熱點的特性，分析了微尺度下的脈衝過冷效應，探索了冷卻高熱流密度熱點的能力，提出了一種微接觸形式，進一步降低熱點冷卻溫度；並制定和實施了熱電冷卻晶片的溫控策略，提出了熱電冷卻晶片凝露問題的解決方案。