热电制冷技术应用于电子器件热管理的数值分析

高性能电子器件发热量过大已成为制约其进一步发展的关键问题，近年来由于热电制冷在应用于电子器件热管理方面独特优势，已受到了广泛重视，并有望成为下一代高热流密度下电子散热主流解决方案。但在对基于热电制冷的散热系统研究时，研究人员往往是单独考虑热电制冷器本身的效率提升或致力于得到更为高效的散热热沉。本文对应用在电子散热时影响热电制冷器效率，并综合考虑散热热沉的角度对散热系统进行优化分析的关键参数进行了分析，以保证散热系统散热能力同时具有足够的效率。 课题来源于“国家自然科学基金委员会科学部主任基金”(No:51246005)、“湖北省自然科学基金”（No.2011CD13288）和中国科学院“低温工程学重点实验室开放课题基金”（No. CRYO201121）。论文在分析影响热电制冷器效率方面，突破以往设定热电模块冷热端温差这一不合理假设，综合考虑热端热沉的影响，提出了新的控制方程。综合分析了方程式中各参数（电流、尺寸因子、热电偶对数）对COP及接点温度（即电子器件温度）的影响。并给出在给定制冷量及热端散热热阻的条件下，确定了如何得到最小的接点温度同时得到最大COP的方法。接着利用CFD模拟软件对散热系统进行了整体仿真。研究表明控制接点温度在环境温度之下时需设置恒温箱，但系统整体散热效率较低。而当接点温度较环境温度高时，在满足散热需求的前提下其制冷效率会显著提高，COP值甚至可达到2以上。需要指出的是，以上两种工况都已超出常规热沉散热极限能力。 研究表明基于热电制冷的电子散热系统效率受到多个参数的影响，而这些参数本身也相互制约。本文提出了热电制冷应用在电子散热时，同时获得最小接点温度及最大COP的计算方法。