熱電制冷的界面熱-電輸運(yùn)特征及尺度效應(yīng)的研究

芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻是國家重大戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，而熱電制冷是芯片冷卻的最好方式之一，但因微型熱電制冷器集成封裝冷卻芯片時(shí)制冷溫差驟降，使得實(shí)際應(yīng)用中困難巨大。如果能揭示熱電制冷從宏觀到微觀過渡區(qū)間性能轉(zhuǎn)變規(guī)律，那么就可以指導(dǎo)微型熱電制冷器的設(shè)計(jì)，為解決芯片冷卻問題提供理論支撐。基于上述背景，本項(xiàng)目展開了以下三部分研究內(nèi)容：(1)基于聲子、電子的Boltzmann輸運(yùn)方程，建立熱電制冷的界面熱-電輸運(yùn)模型，分析墊壘層厚度對界面邊界熱阻和電阻的影響，進(jìn)一步探討界面效應(yīng)對熱電制冷性能的影響；并自主設(shè)計(jì)搭建了熱電制冷器物性測試臺，修正物性參數(shù)，使模型精度控制在5%以內(nèi)。(2)通過耦合Boltzmann熱輸運(yùn)和傅里葉導(dǎo)熱，引入器件熱物性參數(shù)關(guān)聯(lián)接觸熱阻/電阻和邊界熱阻/電阻，建立了微型熱電制冷器的仿真模型，運(yùn)用多尺度分析方法，研究電子、聲子輸運(yùn)對器件熱物性參數(shù)的影響，分析了界面效應(yīng)和尺度效應(yīng)對其內(nèi)部溫度分布、制冷溫差、制冷量和COP的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)的微型熱電制冷器冷卻通量可達(dá)300 W/cm2；基于界面效應(yīng)引起的器件物性參數(shù)變化，提出了一種分段結(jié)構(gòu)的熱電制冷器，可將熱電制冷溫差、制冷量和COP分別提高151.8%, 103.4%, 71.0%。(3)采用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法研究了微型熱電制冷器冷卻芯片及熱點(diǎn)的特性，分析了微尺度下的脈沖過冷效應(yīng)，探索了冷卻高熱流密度熱點(diǎn)的能力，提出了一種微接觸形式，進(jìn)一步降低熱點(diǎn)冷卻溫度；并制定和實(shí)施了熱電冷卻芯片的溫控策略，提出了熱電冷卻芯片凝露問題的解決方案。

芯片強(qiáng)化冷卻是面向國家重大戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，熱電制冷是冷卻芯片的有效方式之一。然而從宏觀到微觀過渡時(shí)熱電制冷溫差驟降，使其在芯片冷卻應(yīng)用中困難重重，雖有研究指出此現(xiàn)象可能是由熱擴(kuò)散勢壘區(qū)的電阻和熱阻引起的，但相關(guān)機(jī)理尚不清楚。申請人擬從熱電制冷界面熱-電輸運(yùn)過程著手，基于熱傳輸形式(熱擴(kuò)散和熱波)、界面接觸效應(yīng)和芯片產(chǎn)熱傳熱特性，構(gòu)建基于分子動(dòng)力學(xué)-界面元-有限元的熱物理模型，運(yùn)用多尺度分析方法，研究熱擴(kuò)散勢壘區(qū)的熱-電輸運(yùn)特性；采用變頻方波電源驅(qū)動(dòng)熱電模塊，分析界面接觸熱阻、電阻和尺寸對熱電制冷性能的影響，尤其是界面接觸效應(yīng)和熱傳輸形式變化的耦合區(qū)間；闡述熱電制冷的界面熱-電輸運(yùn)特性及尺度效應(yīng)，揭示微尺度熱電制冷溫差驟降的機(jī)理。該研究為解決芯片冷卻問題提供理論支撐，填補(bǔ)熱電制冷界面熱-電輸運(yùn)過程的相關(guān)研究空白，對提升我國軍事、航空航天領(lǐng)域等設(shè)備的可靠性和壽命有重要實(shí)際意義。

本項(xiàng)目采用計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)方法對脈沖電流驅(qū)動(dòng)模式下熱電制冷的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及其優(yōu)化與控制進(jìn)行深入的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。探索脈沖式熱電制冷的動(dòng)態(tài)物理過程特性及其特征參數(shù)變化規(guī)律，闡明脈沖式熱電制冷過程中的瞬態(tài)過冷效應(yīng)與脈沖間隙冷端溫度過沖特性以及對被冷卻電子器件溫度的影響規(guī)律；研究脈沖驅(qū)動(dòng)模式與熱電制冷的高效耦合機(jī)制，探討脈沖驅(qū)動(dòng)模式及其參量變化對制冷性能的影響關(guān)系，獲得最佳脈沖驅(qū)動(dòng)模式與優(yōu)化調(diào)控方法；研究變工況及動(dòng)態(tài)工作條件下熱沉與脈沖式熱電制冷的匹配關(guān)系，提出適合脈沖式熱電制冷的高效經(jīng)濟(jì)的熱沉方式及其優(yōu)化匹配方法；探尋脈沖式熱電制冷的非穩(wěn)態(tài)建模新方法及構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化模型，對脈沖式熱電制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化分析，獲得系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本研究將從更深的層次上揭示非穩(wěn)態(tài)熱電制冷過程的物理本質(zhì)和基本規(guī)律，豐富熱電制冷的理論體系，同時(shí)將為脈沖式熱電制冷技術(shù)應(yīng)用于電子器件冷卻領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)并提供開發(fā)思路。