電子冷卻技術(shù)調(diào)研

1、電子散熱技術(shù)最新研究進展近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件正朝著小型化、集成化、高性能化方向發(fā)展。同時，隨著芯片集成度和封裝密度及性能的提高，單位體積的功耗也急劇增加。但大部分功耗都轉(zhuǎn)化為熱能，導致芯片溫度快速升高，降低芯片運行的可靠性，縮短其使用壽命。就CPU而言，芯片處熱量的積累會嚴重影響其穩(wěn)定性和使用壽命。研究表明，如果單個電子元件的工作溫度升高，其可靠性會降低 50%，而 55% 的 CPU 故障是由過熱引起的1。研究表明，將芯片表面溫度保持在50100，可以有效避免物理損壞、計算速度下降和邏輯錯誤2。因此，在極其有限的空間內(nèi)進行有效及時的散熱，保持芯片溫度的穩(wěn)定，成為電子元器

2、件設(shè)計的難題。本文將重點介紹電子冷卻技術(shù)的最新研究進展。10一、電子散熱的原理及分類電子設(shè)備散熱的目的是保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。常用的方法主要有：自然散熱或冷卻、強制散熱或冷卻、液冷、制冷方式、能量導流方式、熱隔離方式和PCM（相交材料）溫控方式等。根據(jù)冷源之間的關(guān)系溫度和環(huán)境溫度，各種冷卻方式可分為被動冷卻和主動冷卻兩大類。1.1 被動散熱被動散熱是指冷源溫度高于環(huán)境溫度的方式。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，可分為風冷和液冷。(1)風冷Air cooling refers to a heat dissipation method that takes away the leopard heat g

3、enerated by electronic components through the flow of air. It can be divided into natural convection and forced convection. The heat dissipation capacity of natural convection cooling is very limited, and its convection heat transfer coefficient is usually between 0 and 20. This can only satisfy the

4、 electronic components with low heat generation. Forced convection cooling refers to the flow of medium under the action of external force, which mainly forces the air around devices such as fans to flow and take away heat. This heat dissipation method has much stronger heat dissipation capacity tha

5、n natural convection, and its convection heat transfer coefficient can reach 10 100 by combining with heat sink. At present, this heat dissipation method has been widely used.之間。這只能滿足發(fā)熱量較小的電子元件。強迫對流冷卻是指介質(zhì)在外力作用下的流動，主要借助于風扇等強迫器件周邊空氣流動，將熱量帶走。這種散熱方式具有比自然對流強得多的散熱能力，通過與熱沉組合可使其對流換熱系數(shù)達。目前這種散熱方式已得到廣泛應用。(2) 液

6、冷液體制冷是一種通過液體的流動帶走電子元件產(chǎn)生的熱量的散熱方式。主要是針對芯片或芯片元器件提出的概念。與空氣冷卻相比，液體冷卻有很多優(yōu)點，其中最突出的就是液體的比熱容比氣體大得多，因此它的熱負荷能力非常大。此外，它具有噪聲低、溫度穩(wěn)定等特點，但也存在系統(tǒng)復雜、成本高、可靠性低等缺點。1.2 主動散熱主動冷卻是一種冷源溫度低于環(huán)境溫度的散熱方式。這種散熱方式可以獲得較低的芯片溫度，有利于芯片性能的提升。但它需要消耗更多的能量，其可靠性較低?？煞譃橹评涞蜏乩鋮s技術(shù)、熱電冷卻技術(shù)（TEC）、MEMS冷卻技術(shù)（微通道、微泵、微熱管）等。電子冷卻技術(shù)中應考慮的各種因素有：熱阻、尺寸、重量、維護要求、可靠

7、性、成本、熱效率、耐環(huán)境性（沖擊、振動和腐蝕等）、安全性、復雜性、功耗和對設(shè)備電氣性能的影響。需要指出的是，一種制冷方案并不局限于一種制冷方式，大多數(shù)方案根據(jù)具體情況包括幾種制冷方式，并結(jié)合使用。二、微通道冷卻技術(shù)2.1 微通道冷卻技術(shù)介紹一般將水力直徑為 11 000 m 的通道或管道定義為微通道 5。結(jié)果表明，微通道尺寸大大增加了流體與散熱器的接觸面積，液體在微通道中受熱會迅速發(fā)展為核沸騰。此時液體呈層狀結(jié)構(gòu)，其傳熱能力與通道直徑成反比，但會帶來明顯的壓降4。由于該技術(shù)的容積效率為20W/cc，在很多場合甚至可以完全替代傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)。圖 2-1 微通道模型The concept of M

8、icrochannel Heatsink ,MCHS) was first put forward by Tuckerman and Pease in 1981, and it was theoretically proved that the heat dissipation capacity of water-cooled microchannel can reach 1 000. Compared with conventional pipes, it is found that the heat transfer coefficient of micro-scale pipes is

9、30% 200% higher than that of conventional pipes, and the flow boiling heat transfer in micro-scale pipes is a good method to enhance heat transfer.。和常規(guī)管道比較后發(fā)現(xiàn)微尺度管道傳熱系數(shù)比常規(guī)管道傳熱系數(shù)高出2.2 Liquid Flow in Conventional Microchannels根據(jù)Chien-Hsin Chen8的研究，影響微通道內(nèi)強制對流流體散熱特性的四個主要工程參數(shù)是通道縱橫比()、慣性力()、孔隙率()和有效熱電導率 ()

10、。發(fā)現(xiàn)流體慣性力對無量綱速度分布和液體溫度分布有明顯影響，而對固體溫度分布影響不大。此外，整體 Nu 數(shù)隨著 的增加而增加，但隨著 的增加而減少。圖2-2 通道散熱片示意圖Han-Chieh Chiu、Jer-Huan Jang、Hung-Wei Yeh、Ming-Shan Wu 15研究了微通道水冷的冷卻特性，主要包括通道尺寸（縱橫比、孔隙率）和壓降。實驗用微通道散熱器尺寸圖如圖2-3所示。微通道散熱器包括四個部分：入口區(qū)、出口區(qū)、微通道模塊和頂蓋。無花果。圖2-4和2-5分別是微通道模型和實驗裝置系統(tǒng)圖。實驗裝置包括熱源、電源、泵、溫度計、蓄水池、水塔裝置、過濾器和管道系統(tǒng)。圖2-3 實驗

11、用微通道散熱器尺寸圖圖 2-4 微通道模型。圖2-5 實驗裝置系統(tǒng)圖結(jié)果表明，當壓降和縱橫比恒定，孔隙率在53%75%之間時，熱阻最小。當長徑比較大時，增加壓力可以大大提高冷卻效果。同時，局部努塞爾數(shù)隨著縱橫比的增加而減小。2.3 樹微通道冷卻Wang-Qi Wang、Arun S. Mujumdar、Christopher Yap 6的研究表明，傳統(tǒng)的平行管微通道和盤管微通道存在一些先天的缺點，如進出口壓降大、溫度分布不均勻等。他們發(fā)現(xiàn)樹狀通道結(jié)構(gòu)的通道阻力最小。與平行管微通道相比，樹形微通道效率更高，所需泵浦功率更少，受堵塞影響更小。圖 2-6 顯示了一個典型的樹狀微通道模型。該模型由底部

12、芯片、嵌入散熱片的樹狀微通道網(wǎng)絡和散熱片三部分組成。圖2-6 樹狀微通道典型物理模型堵塞可能是由于顆粒堵塞造成的，這在微通道冷卻系統(tǒng)中是非常危險的。由于流體不能分流，平行管微通道和盤管微通道的堵塞可能導致系統(tǒng)癱瘓。溫度可能會超過芯片和散熱器的溫度限制。在平行管微通道中，由于相鄰通道可以帶走熱量，部分管道的堵塞不一定會導致系統(tǒng)癱瘓，但溫度還是會升高。Xiang-qi Wang、Arun S. Mujumdar、Christopher Yap 6 發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象。雖然出風口被堵住了，但最高溫度并沒有升高。不同的是，堵塞的出口附近的溫度升高了一點。這說明對于樹狀微通道，尤其是分支較多時，部分通

13、道的堵塞對冷卻性能的影響遠小于平行管微通道和盤管微通道。這也意味著樹形微通道冷卻系統(tǒng)的可靠性高。圖2-7 部分出口堵塞時中間界面溫度分布（圖中黑色區(qū)域為堵塞部分，單位：k）2.4 葉尖間隙和通道翅片Jung Yimmin、Seok Piljang、Sung Jin Kim 7 的研究表明，通道頂部的間隙也會影響微通道的冷卻性能。頂部的間隙對散熱器的傳熱現(xiàn)象有兩個影響。首先，由于頂面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加，提高了傳熱效率；其次，由于旁路效應，傳熱效率降低。圖21是具有頂部間隙的微通道散熱器的示意圖。總熱阻是肋條的熱阻和流體的熱阻之和。公式如下：(1)肋條的熱阻包括肋條表面的導熱系數(shù)和肋條之間的對流熱阻。

14、(2)中和是散熱器底部的最高溫度和體積平均溫度。流體的熱阻導致冷卻介質(zhì)從入口到出口的溫度升高，可由能量守恒得到：(3)入口溫度、比熱容和質(zhì)量流量在哪里。在這里，我們將固定泵浦功率作為限制條件。在這種情況下，質(zhì)量流量不是固定的，而是隨著系統(tǒng)的阻力而變化。圖2-8 帶頂隙的微通道散熱器示意圖(a) 微通道散熱器； (b) 計算周長。從圖 2-9 可以看出，對于不同通道縱橫比和孔隙率的微通道，當泵浦功率=0.6 時，存在一個最佳的頂部間隙。當泵浦功率為2.27W且=0.6時，最小熱阻為0.058。當=0.6時，微通道散熱片的散熱性能較無頂隙可提高3.5%左右。 =0。 =0.6 =0.6圖2-9 熱

15、阻變化示意圖Andrew JL Foong、N. Ramesh、Tilak T、Chandratillekep 19 發(fā)現(xiàn)帶肋的微通道具有更好的流體流動和散熱特性。圖2-9為四肋微通道示意圖，微通道尺寸為200(W)200(H)(L)。微通道和翅片由鋁制成，壁厚和翅片厚度分別為10和20，翅片相對高度為00.85。結(jié)果表明，對于給定的微通道，存在一個最佳的翅片高度。圖 2-9 中微通道的最佳相對高度為 0.67。 （W） 200 (H)120mm和20 ，肋片的相對高度為0圖 2-9 四肋微通道示意圖2.5 微通道系統(tǒng)的組成微流控系統(tǒng)作為MEMS的一個重要分支，是指能夠在微觀尺度上控制、操作和

16、檢測復雜流體的系統(tǒng)，包括微傳感器、微泵、微閥、微混合器和微通道16。微通道中的流體流動行為與人們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降暮暧^流體流動行為有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，微型泵、微型閥、微型混合器、微型過濾器、微型分離器等微型器件往往與相應的宏觀器件有很大的不同。應用于電子芯片的冷卻，特別適合電子芯片向小體積、高集成化的發(fā)展趨勢。2.5.1微型泵通常，微通道驅(qū)動器采用所謂的電動泵。電動泵是利用靜電引力原理設(shè)計的一種液體泵，又稱電容泵。在靜電場的作用下，液體可以獲得足夠的能量來保持循環(huán)流動。這種電動泵完全擺脫了機械結(jié)構(gòu)，沒有運動部件。因此，它幾乎完全無噪音地工作，具有極高的可靠性和比傳統(tǒng)泵更長的使用壽命。于敖，強，

17、喬大勇，于健14研究了離子拖曳式電液微型泵，它是通過MEMS技術(shù)在硅片上制造的。微型泵由一組寬度為40m、發(fā)射極和集電極之間距離為50m的平面電極組成。有90對電極，每對電極之間的距離為100/zm。在微型泵靜壓實驗中，以HFETl00和無水乙醇為工作液，施加直流電壓驅(qū)動工作液。當輸入電壓為200 V時，微泵靜壓可達250 Pa。實驗結(jié)果表明，微泵靜壓與外加輸入電壓呈二次關(guān)系，與微通道高度成反比。研究發(fā)現(xiàn)，工作介質(zhì)的物理參數(shù)也是決定泵性能的重要因素，選擇合適的流體可以提高整個微型泵冷卻系統(tǒng)的性能。研究還表明，微型泵的性能與工作壽命、實驗環(huán)境的清潔度、工作液的凈化等密切相關(guān)。2.5.2微型閥微閥

18、作為微流控系統(tǒng)的主要組成部分之一，其功能包括徑流調(diào)節(jié)、開/關(guān)切換以密封生物分子、微納米顆粒、化學試劑等。其特性包括無泄漏、小死角體積，低功耗，高壓阻，對顆粒污染不敏感，快速響應，線性操作等16。目前，微型閥主要分為主動式微型閥和被動式微型閥。主動式微閥需要在一定的驅(qū)動能量的作用下控制微流控，而被動式微閥不需要從外界輸入能量，通常在正向壓力和反向壓力的作用下控制微流控。另外，根據(jù)初始狀態(tài)，微閥可分為正常開式和常閉式。(1) 壓電微閥壓電驅(qū)動可以產(chǎn)生很大的驅(qū)動力和快速的響應時間，但即使有很高的電壓，膜片也只能產(chǎn)生很小的偏移。 J.Kruckow 等人。 17 通過硅熔合將兩層硅結(jié)構(gòu)粘合在一起，開發(fā)

19、了一種壓電驅(qū)動的自閉式常閉微型閥。其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2-10所示。不加電壓時，微型閥具有良好的密封性能。當電壓為 100 V 時，氣體流速為 0.38 ml/min。圖2-10 壓電硅微閥示意圖JMPark 等人。 18 開發(fā)了一種用于在低溫下調(diào)節(jié)流量的常開壓電微閥，該閥包括由絕緣體上硅 (S2OI) 制成的芯片、玻璃板、壓電堆棧驅(qū)動器和玻璃陶瓷膠囊。閥門反應時間小于1ms，帶寬可達820khz。在室溫下，當入口壓力為 55 kPa 時，如果微閥完全打開（0 V），流速可以達到 980 mL/min。當施加 60 V 的驅(qū)動電壓時，流速為 0 mL/min。當溫度為 80 K，入口壓力為 1

20、04 kPa 時，閥門可以成功地將氣體流速從 350 mL/min 調(diào)節(jié)到 20 mL/min。 EHYang 等人。 研制了一種用于微型航天器的常閉壓電微型閥，其結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。當輸入電壓為 10 V，入口壓力為 2068.5 kPa 時，層流流速為 52 ml/min。要完全打開閥門，輸入電壓應為30V，微型閥消耗的功率應為3MW。閥座因其狹窄的閥座環(huán)和受力的硅支鏈而具有良好的防泄漏能力。當壓力為5516 kPa時，泄漏率為10-4 ml/mi。圖2-11 防漏壓電微型閥示意圖(2) 磁性微型閥CHCheng 等人。 4 將鐵粉摻雜到PDMS中，將混合物填充在硅KOH各向異性蝕刻后的

21、V型腔內(nèi)，作為閥塞和閥塞支架。這是一個常閉微型閥。當施加磁場時，閥塞和支架被抬起，閥門打開。 M.Duch 等人。 5 提出了一種功耗低、使用方便的磁性微型閥。微閥由上V形懸臂梁和下硅膜片組成，V形懸臂梁上電鍍一層ConI合金。當磁場分別作用于微型閥的上下部分時，閥門相應地打開和關(guān)閉，如圖2-12所示。圖2-12 磁驅(qū)微流量調(diào)節(jié)器示意圖C.Fu 等人。 6 以直徑為 3mm 的鐵球為元件，可外加磁場驅(qū)動，研制出常開微型球閥。微型球閥由三層熱壓聚合物層和三層金屬層組成，通過膠膜連接。開關(guān)頻率可達30 Hz，開關(guān)時間為10 ms。當電流為200ma，壓力為50kpa時，微閥關(guān)閉，排放速度為0.5l

22、/min。此外，微型閥還可以作為比例閥來調(diào)節(jié)出口壓力。當進口壓力為200 kPa時，調(diào)節(jié)范圍為0112.5 K。(3) 靜電驅(qū)動微型閥靜電反應時間快，功率低，但驅(qū)動力小。此外，由于靜電驅(qū)動的微型閥通常以二元方式工作，因此需要使用閥門陣列來控制流量。 T長谷川等人。 7 提出了一種無死體積的氣動微分配系統(tǒng)，其主要部件是一個 10 出口多向微動開關(guān)閥，其方向由微電磁驅(qū)動器切換。這種開關(guān)閥包括一個帶有硅橡膠圈的旋轉(zhuǎn)裝置和一個帶有鋼球的自定位鎖定裝置。定位裝置可準確自動定位出風口，檢測當前選擇的出風口，無需其他傳感器和控制器。為了使芯片在500 kPa以上的高壓下快速切換，硅膠環(huán)的高度應為300 m，

23、轉(zhuǎn)子的壓縮力應為3 N，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力應為0.8 N. 當向螺線管施加 6 VDC 電壓時，吸引力為 1 N，開關(guān)時間為 0.1。采用光刻或其他刻蝕方法在基板上制作橫截面尺寸僅為幾十至數(shù)百微米的通道的技術(shù)，其中換熱介質(zhì)流經(jīng)換熱器的基板，并通過以下方式與其他換熱介質(zhì)進行熱交換?；?。微通道由硅、銅、鋁及其合金制成。除水外，還采用液氮、乙醇、硅油、氟利昂等液體作為熱交換介質(zhì)。典型的微通道結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。電子芯片的可靠性主要取決于其組件之間的溫度。由于其高傳熱系數(shù)，微管可用于設(shè)計用于冷卻電子芯片的水冷散熱器，已成為芯片液冷研究的重點。2.5.3微混合器2.6 微通道制冷劑沸騰冷卻微通道散熱器常

24、用的工作介質(zhì)有空氣、水和制冷劑。當冷卻水似乎是短期內(nèi)的首選解決方案時，它具有大的溫度梯度、高冰點以及使用水與電氣連接點緊密接觸的危險。而微通道制冷劑沸騰冷卻則不存在這樣的問題。Bruno Agostini、John Richard Thome、Matteo Fabbri、Bruno Michel、Daniele Calmi、Urs Kloter 20 研究了封閉在硅微通道中的冷卻劑 R236 在大熱通量、速度和質(zhì)量蒸汽質(zhì)量下的局部傳熱系數(shù)。在低熱通量、低蒸汽質(zhì)量和低質(zhì)量流量下，傳熱系數(shù)隨蒸汽質(zhì)量的增加而增加，與熱通量和質(zhì)量流量無關(guān)。介質(zhì)熱通量的傳熱系數(shù)幾乎與蒸汽質(zhì)量無關(guān)，而與熱通量有關(guān)。此外，

25、傳熱系數(shù)幾乎與質(zhì)量流量無關(guān)。在很高的熱通量下，傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量通量的增加而降低，但隨著熱通量的增加而降低。這些結(jié)果與宏觀流動沸騰的趨勢明顯不同。特別是，似乎沒有對流沸騰區(qū)域。The radiator consists of 67 parallel channels with a width of 223, a height of 680 and a length of 20. The variation range of bottom heat flux is 3.6 to 221, the mass flow rate is 281 to 1501, and the outlet steam

26、 quality is 2% to 75%. The working pressure and saturation temperature are set at 273 kPa and 25 respectively. Fig. 2-13 shows the experimental device, which includes the test section, a condenser with cooling pool, a liquid pump (Fluidotech model MGBR2), a preheater, a 7 filter and a Coriolis mass

27、flowmeter (Cologne Optimass3050F). The reservoir is used to store refrigerant and accurately control the working pressure. It is connected between the filter and the flowmeter.，高，長為。底面熱通量變化圍為，質(zhì)量流速為，出口蒸汽品質(zhì)為的過濾器和一個科里奧利質(zhì)量流量計（科隆圖 2-13 實驗裝置圖圖 2-14 硅片測試照片。左：微通道右圖：(a) 加熱器； (b) 熱電阻連接器； (c) 五個熱敏電阻通過光刻在芯片表面制作

28、單排電阻加熱器（10 nm 鈦、1 nm 金、30 nm 鎳和金）。如圖2-14所示，由6個寬度為0.5mm的平行條組成，從而形成6個寬度為3mm的加熱器。 59的熱阻（如加熱器組成，寬度為10）已存儲在五個不同的位置。這些 RTD 的敏感長度約為寬度的三分之一，并且在沿通道的五個位置測量溫度。五個 RTD 分別放置在3.267、6.534、9.801、13.068和 16.335. ，的熱電阻）已經(jīng)存放在這些黃金的不同位置。如圖2-15所示，Lexan顯示板（1mm厚）貼在硅片上，入口寬度為0.5mm，出口寬度為1mm。圖2-15 試驗件： (a) 裝配圖； (b) 分離圖：提供流動的歧管塊

29、和狹縫板； (c) RTD 的連接后視圖：加熱器的結(jié)構(gòu)和 RTD 的位置。三、熱電冷卻技術(shù)（TEC）3.1 熱電冷卻技術(shù)簡介熱電制冷是利用半導體材料的熱電效應珀耳帖效應來實現(xiàn)制冷的技術(shù)，又稱半導體制冷。珀耳帖效應是直流電流通過由兩種不同導體材料組成的回路時，節(jié)點會產(chǎn)生吸熱和放熱的現(xiàn)象。它最早是由法國人帕蒂埃發(fā)現(xiàn)的。圖24是熱電冷卻器的制冷原理示意圖。圖3-1 熱電制冷原理示意圖熱電效應包括塞貝克效應、珀耳帖效應、湯姆效應、焦耳效應和傅里葉效應。熱電制冷就是熱電效應，主要是珀耳帖效應在制冷技術(shù)中的應用。熱電制冷的制冷效率與冰箱冷端溫度和冷熱端溫差有關(guān)。溫差越大，制冷量越小，制冷系數(shù)越低。對于特定

30、的熱電冷卻器，如何隨時間散去熱端的熱量是提高熱電冷卻系數(shù)，增加熱電冷卻量的關(guān)鍵。在制冷片工作期間，只要冷熱表面存在溫差，熱量就會通過晶格能量不斷傳遞，熱量會移動到熱表面，通過熱量散發(fā)出去。消散設(shè)備。因此，散熱片是芯片的主動散熱裝置，但只能算是整個系統(tǒng)的主動導熱裝置。熱電冷卻的效果與冷端溫度、熱端溫度、熱導率、電導率、冷端與器件表面的接觸熱阻、熱端的熱阻和電流等多種因素有關(guān)。這些可調(diào)參數(shù)為熱電制冷的廣泛應用提供了有利條件。例如，在提供冷卻空間和除濕裝置中，熱電冷卻用于提供溫度低于周圍溫度的環(huán)境。在電子冷卻中，熱電冷卻是一種從溫度高于環(huán)境溫度的表面帶走熱量的裝置。其目的是將電子元件的溫度保持在安全

31、的溫度范圍內(nèi)。熱電冷卻可能無法滿足未來電子冷卻的需求，但它具有可靠性高、適應性好、組裝方便、重量輕、溫度低等諸多優(yōu)點。熱電冷卻能力和可靠性取決于與芯片接觸的冷卻裝置。 TEC工作時，熱端需要一個冷卻裝置將熱量從冷卻器中帶走?，F(xiàn)在，熱電冷卻與風冷或水冷或其他液體冷卻技術(shù)的結(jié)合越來越受到關(guān)注。這種發(fā)展趨勢的主要優(yōu)點是負溫度梯度和較小的熱阻。3.2 熱電水冷Hsiang-Sheng Huang、Ying-Che Weng、Yu-Wei Chang、Sih-Li Chen、Ming-Tsunke 10 討論了電子熱電水冷裝置的散熱性能。熱電冷卻器的影響和現(xiàn)有熱電裝置的冷卻性能通過實驗和理論確定。本研究

32、開發(fā)了一種新的熱隱喻網(wǎng)絡分析模型來預測熱電器件的熱容量。模型的預測與實驗數(shù)據(jù)一致。實驗結(jié)果表明，當熱負荷從20W增加到100W時，最低總熱指數(shù)從0.75 KW.1增加到最佳用電0.627。 A：除KW.1外，目前這項研究證實，傳統(tǒng)的水冷裝置能有效改善熱電結(jié)合，其冷卻器的熱負荷低于57W。圖3-2 熱電式水冷裝置示意圖3.3 熱電冷卻系統(tǒng)優(yōu)化熱電冷卻器制冷量的增加受到冷端和熱端熱阻的限制。在這里，圖 28 和 29 顯示了兩個不同的系統(tǒng)示例。圖 28 帶液冷散熱器的熱電冷卻器圖 29 帶風冷散熱器的熱電冷卻器我們知道，很難從熱電冷卻器制造商那里獲得具體的熱電參數(shù)。為了使熱電冷卻器的運行優(yōu)化在設(shè)計

33、上更加直觀，我們采用了一種新的分析方法，將熱電冷卻器的熱平衡公式轉(zhuǎn)化為TEC標準參數(shù)。標準參數(shù)可由下式得知：（17）（18）（19）Type, and represent standard resistance, standard thermal conductivity and standard Zeebek coefficient, respectively. The formula (10)(11)(15) based on these standard parameters can be converted into the following forms:、分別代表標準電阻、標準熱導

34、系數(shù)、標準塞貝克系數(shù)。基于這些標準參數(shù)公式（20）（21）（22）Similarly, formula (15) becomes:（23）At this stage, the standard parameters and current in the heat balance formula expressed by standard parameters are known. The standard parameters, and can be obtained from the specific parameters of thermoelectric cooler such as,

35、and. Here is the maximum temperature difference between the hot end and the cold end at a given hot end temperature; Is the input current when the maximum temperature difference is generated by the thermoelectric cooler; Is the DC voltage at the maximum temperature difference; Is the maximum heat ab

36、sorbed by the cold end when the belt current is at the maximum and the temperature difference is zero. The relationship between standard parameters and specific parameters is as follows:、和可以從熱電冷卻器的具體參數(shù)如、和得到。這里是在一個給定的熱端溫度下熱端與冷端的最大溫差；是通過熱電冷卻器產(chǎn)生最大溫差時的輸入電流；是最大溫差時的直流電壓；是在帶電流在最大值且溫差為零時冷端吸收的最大熱量。標準參數(shù)與具體參數(shù)的

37、關(guān)系如下：(24)(25)(26)表4 各種熱電冷卻器的給定參數(shù)和計算標準參數(shù)圖36 熱電冷卻器示意圖3.2 熱電冷卻與微通道冷卻相結(jié)合As shown in fig. 25, the heat generated by the chip is the heat taken away by the thermoelectric cooler when the temperature of the chip is kept constant. The thermoelectric cooler is in contact with the chip, and its contact therma

38、l resistance is. The cold end temperature and the hot end temperature are respectively and. When the thermoelectric cooler is running, the work that needs external input is. At the hot end, the heat that needs to be taken away is, which is realized by using a heat sink with a surface thermal resista

39、nce of. If the heat transfer is continuous, the calculation formula can be obtained;，這是當芯片溫度在維持不變時由熱電冷卻器帶走的熱量。熱電冷卻器與芯片接觸，其接觸熱阻為。冷端溫度和熱端溫度分別為和。當熱電冷卻器運行時，需要外部輸入的功為。在熱端，需要被帶走的熱量為，這部分熱量通過使用一個表面熱阻為的熱沉來實現(xiàn)。假惹熱量傳遞連續(xù)，可以得到的計算式；（10）（11）（12）式中n為熱電元件的對數(shù)； S 是 Zeebek 系數(shù)； I 是電流； R是電阻； G是幾何因子； K是熱電元件的熱導率?；趥鳠嶂R的溫度關(guān)系

40、為（13）（14）熱電冷卻器的z因子為：（15）直流電壓為：（16）According to Equation 10, the refrigerating capacity of thermoelectric cooler consists of three parts: Peltier heat, Joulean heat loss and conductive heat loss. Peltier heat is related to current I and cold end temperature. Jouleans heat loss always reduces the cool

41、ing capacity and is proportional to the square of the current. We can improve the cooling capacity by increasing or decreasing the temperature difference, and at the same time, we can operate in the forced area 0. When the thermoelectric cooler operates in the forced area, the conductive heat loss b

42、ecomes positive in Equation 10, and the pump power can also be reduced. Therefore, we can see that TECs cooling capacity and COP will increase when operating in this area. It can also be seen from Equations 13 and 14 that the performance of TEC is also related to the thermal resistance sum.有關(guān)。Joulea

43、n熱量損失總是降低冷卻能力并且與電流的平方成正比。我們可以通過提高或者降低溫差來提高制冷能力，同時還可以在強制區(qū)域 0, microchannel air cooling can already meet the thermal resistance requirement, but when 0的區(qū)域運行時，微通道空氣制冷已能滿足熱阻需求，但是當0時，只有微通道水制冷系統(tǒng)可以滿足其熱阻需求。圖27 微通道水制冷的熱阻，泵功率=4W。 ，泵功率=4W。參考1 高翔，凌惠琴，明，毛大力 CPU散熱技術(shù)最新研究進展。交通大學學報，2007，4：48-52。2 王長紅，朱東升用于電子封裝熱管理的熱電

44、冷卻技術(shù)研究進展電子元器件與材料，2008，11：4-7。郭建宏、甄國、傅德平。大功率電力電子器件蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究電力電子技術(shù)，2005，10：138-140。建業(yè)，吳文偉。大功率變流器冷卻技術(shù)及其進展.大功率變流技術(shù)，2010，01：15-30。5 何燁，雷敏，陶。一種基于MEMS技術(shù)的新型微冷卻方法。儀器技術(shù)和傳感器，2004：43-45。雷軍喜，朱東升，王長虹，胡瑩。電子芯片液冷技術(shù)研究進展科學、技術(shù)與工程，2008，8：4258-4263。6 王祥琦,Arun S.Mujundar,Christopher Yap, 用于冷卻矩形散熱器的樹形微通道的熱特性. 國際熱科學雜志 45(2006)1103-1112.7 Jung Yim Min, Seok Pil Jang, Sung J