脈衝強化熱電製冷的瞬態熱輸運特性及熱電轉換規律

《脈衝強化熱電製冷的瞬態熱輸運特性及熱電轉換規律》是依託華中科技大學，由陳煥新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：脈衝強化熱電製冷的瞬態熱輸運特性及熱電轉換規律
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳煥新
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

封裝縮小化及高熱流密度散熱出現的問題是目前耦合傳熱過程關註解決的焦點，在一定意義上突破了連續介質假說和各向同性的約束。因此，詮釋微尺度條件下傳熱過程面臨的界面層熱輸運特性中的共性問題具有挑戰性。研究內容從學科交叉（半導體固體物理、材料與界面科學、電子學及控制論等）角度出發，結合多模態控制實驗法和熱開關代數理論的自適應邏輯辨識模型修正法，從巨觀元器件向微觀能量輸運介質及其物理作用效應的若干非定常因素的耦合機制入手，提出基於瞬態強化熱電製冷效應的高效界面冷卻和精確控溫技術的熱輸運及熱電轉換過程中的新機理、尋求結構最佳化的新途徑以及為獲得裝置熱電轉換效應的最佳脈衝驅動模式與合理設計控制策略提供準定量準則。研究計畫建立在以實驗為主導，數值模擬為支撐的構架上，為促進我國航天、微電子、精密儀器等領域高熱流密度界面的熱控管理由經驗設計過渡到仿真最佳化設計，為形成自主智慧財產權技術的雛形建立提供理論與方法支持。

結題摘要

高熱流密度的光電子器件的散熱問題成為制約其發展的瓶頸，本項目圍繞光電子器件的熱管理，研究如何利用脈衝過冷效應強化熱電製冷的能力。目前的研究多是特定工況下的脈衝過冷效應，但沒有考慮實際套用中脈衝過冷後引起的溫度升高的問題，而為了保證熱電製冷系統的溫度精度要求，必須解決該問題。因此本項目的研究內容主要是完善熱電脈衝過冷效應的理論，並為光電子器件的溫度精度控制提供理論支撐。本項目首先探討實際套用工況下熱電模組的最大製冷能力與熱端換熱器熱阻的關係，研究影響熱電製冷系統性能的權重因素。再利用熱電脈衝過冷效應強化熱電製冷的能力，分析隨機工況下熱電脈衝過冷的動態過程、影響因素和最大強化製冷能力。最後研究冷卻連續雷射器和脈衝雷射器的不同熱電製冷方式，同時搭建了微型熱電模組集成冷卻半導體雷射器的實驗台，驗證階梯冷卻的現象，探索實驗結果與理論結果誤差。通過熱電脈衝過冷效應的分析，引入了熱電脈衝增益效應，完善熱電脈衝過冷效應的概念。對比理論與實驗研究，發現存在一個最優的脈衝振幅，當脈衝振幅小於它時，最小過冷溫度隨脈衝振幅的增大而減小；當脈衝振幅大於它時，最小過冷溫度隨脈衝振幅的增大而增大。研究發現由於焦耳熱和帕爾貼熱的聯合影響，熱電脈衝的最小過冷溫度不可能達到先前研究報導的絕對零度。在70℃的高溫工作環境下，當雷射器的脈衝寬度大於臨界脈衝寬度時，引入階梯冷卻方法冷卻脈衝雷射器，即通過階梯電壓驅動來抵消脈衝增益溫度，保證高熱流密度和大脈衝寬度的脈衝雷射器的溫度精度。並發現熱電階梯冷卻脈衝負荷的冷端溫度變化曲線類似於二階系統單位階躍回響的減幅的衰減振盪曲線，從而擬合出了熱電階梯冷卻脈衝負荷的冷端溫度的時間回響函式，為半導體雷射器的溫度控制過程的執行單元和控制單元設計提供了理論依據。