电子冷却技术调研

1、电子冷却技术调研电子冷却技术的最新研究进展近年来 , 随着电子技术的迅猛发展， 电子元件向微型化、 集成化、 高性能趋势发展。与 此同时，芯片集成度和封装密度的提高、性能的增强 , 最终导致单位体积上功耗急剧增加。 而大部分功耗则转换为热能 , 导致芯片温度的快速升高 , 这降低了芯片运行的可靠性、 缩短了 其使用寿命。就 CPU 而言，热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。有研究 表明，单个电子元件的工作温度如果升高10C ,其可靠性则会减少 50%,而CPU失效问题的55%都是由于过热引起的1。研究表明，芯片表面温度维持在 50100 C ,能有效避免物 理损伤、计算速度的下降和

2、逻辑错误 2。因此,在极其有限的空间内进行有效及时的散热和 维持芯片温度的稳定已经成为电子元件设计的问题。 本文将着重介绍电子冷却技术的最新研 究进展。一、电子冷却的原理及分类电子器件冷却的目的是保证其工作的稳定性和可靠性，常用的方法主要有： 自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、能量疏导方式、热隔离方式和PCM （相交材料） 温度控制方法等等。而根据冷源温度与环境温度的关系，可将各种冷却方法分为两大类 即被动式制冷和主动式制冷。1.1 被动式冷却被动式散热是指冷源温度高于环境温度的电子元件散热方式。按照冷却介质的不同又可分为空气冷却和液体冷却。（1 ）空气冷却空冷是指通过空气的

3、流动将电子元件产生豹热量带走的一种散热方式。它又可分为自然对流和强迫对流。自然对流冷却散热能力非常有限的，通常其对流换热系数在 020w（m2 K）之间。这只能满足发热量较小的电子元件。 强迫对流冷却是指介质在外力作用下的流动， 主要 借助于风扇等强迫器件周边空气流动， 将热量带走。 这种散热方式具有比自然对流强得多的 散热能力，通过与热沉组合可使其对流换热系数达10100w（m2 K）。目前这种散热方式已得到广泛应用。（2）液体冷却液体制冷是通过液体的流动带走电子元件产生热量的一种散热方式，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。 液体冷却与空气冷却相比有很多优势， 最突出的是液体具有比气体大

4、得多的比热容，因此其热负载能力很大。另外，它还其有噪声小、温度平稳等特点，但是它 也存在系统复杂、成本高和可靠性较低等缺点。1.2 主动式冷却主动式冷却是冷源温度低于环境温度的一种散热方式。 这种散热方式可以获得较低的芯 片温度，有利于芯片性能的提高；但是它需要消耗更多的能量，可靠性也较低。它可以分为 制冷与低温冷却技术、热电冷却技术（ TEC）、 MEMS 冷却技术（微通道、微型泵、微热管） 等。在电子冷却技术中应该考虑的各种因素有：热阻、尺寸、重量、维护要求、可靠性、成 本、热效能、耐环境度 （冲击、振动及腐蚀等 ） 、安全性、复杂性、功耗及对设备电性能的影 响。需要指出的是： 一个冷却方

5、案不限于一种冷却方式， 大多数方案都是根据具体情况，包 含几种冷却方式，相互配合使用。二、微通道冷却技术2.1 微通道冷却技术简介通常将水力学直径在 11 000m之间的通道或管道定义为微通道5。研究表明，由于微通道尺寸微小，极大地增大了流体与散热器的接触面积，液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，此时液体处于一种层状结构，其换热能力和通道直径成反比，但带来明显的压降4。由于该技术的容积效率达20 W/C /CC,在许多场合甚至完全可以替代常规制冷系统。I图2-1微通道模型微通道热沉（MiCroChannel Heat Sink ,MCHS）概念最早由 TUCkerman 和 PeaSe于

6、 1981 年 提出，并从理论上证明了水冷却微通道的散热能力可达1 OOO W/cm2。和常规管道内比较后发现微尺度管道内传热系数比常规管道内传热系数高出30%200%,微尺度管道内流动沸腾换热是一个很好的强化换热方法。2.2常规微通道中液体流动根据Chien-HSin Chen8的研究，影响微通道中强制对流流体散热特性的四个主要工程参数为通道高宽比（）、惯性力（）、孔隙度（）、有效导热系数比（）。研究发现，流体的惯性力对无量纲速度分布和液体温度分布有明显的影响，而对固体温度分布几乎没有影响。此外，整体 NU数随着和的增大而增大，而随着的增大而减少。图2-2通道热沉示意图Han-Chieh C

7、hiU , Jer-HUa n Jang, HU ng-Wei Yeh, Min g-Sha n Wu15研究了微通道水冷却的冷却特性，主要是通道尺寸（高宽比、孔隙度）和压降。图2-3为实验用的微通道热沉尺寸图。微通道热沉包括四个部分：进口区、出口区、微通道模块、顶盖。图2-4和2-5分别16 / 21为微通道模型和实验装置系统图。实验装置包括热源、电源、泵、温度计、蓄水池、水塔装 置、过滤器和管路系统。Ul二 UJL图2-3实验用的微通道热沉尺寸图图2-4微通道模型。图2-5实验装置系统图研究表明压降和高宽比一定时，孔隙度在53%75%之间时，有最小的热阻。在高宽比较大时，提高压力可以较大的

8、提高冷却效果。 同时，当地努赛尔数随着高宽比的增加而减小。2.3树状微通道冷却Xian g-Qi Wang, Arun S. MUjUmdar , ChriStoPher Yap6的研究表明常规平行管微通道和盘管微通道有一些固有的缺点，如出入口压降较大、温度分布不均匀。他们研究发现树状的通道结构有最小的通道阻力。与平行管微通道相比，树状微通道效率较高、需要的泵功较少,并且受堵塞的影响较小。图2-6为一种典型的树状微通道模型。这个模型包括三个部分：底部的芯片、镶嵌在热 沉中的树状微通道网络和热沉。图2-6典型的树状结构微通道物理模型堵塞可能是微粒的壅塞引起，这在微通道冷却系统中是很危险的。由于流

9、体不能被分流，在平行管微通道和盘管微通道中通道的堵塞可能会引起系统的瘫痪。温度可能会升高超过芯片和热沉的温度限度。在平行管微通道中，因为热量可以由相邻的通道带走，某些管道的堵塞并不一定导致系统的瘫痪，但是温度还是会升高。Xian g-Qi Wang, Arun S. MUjUmdar , ChriStOPher YaP 6 研究发现一个有趣的现象，尽管出口被堵塞，但是最高温度并没有上升。不同之处是，被堵塞的出口附近温度有一点点的升高。这表明对于树状微通道尤其是当分支次数较多时，部分通道的堵塞对冷却性能的影响远比平行管微通道和盘管微通道的要小。这也意味着树状微通道冷却系统的可靠性较高。r;器二二

10、黑揺粘8 肚仁二»:二、Kj- 1图2-7当某些出口堵塞时中间界面上的温度分布(图中黑色区域表示堵塞部分；单位:2.4叶顶间隙和通道内部肋片JUng Yim Mi n, Seok PilJa ng,Su ng Jin Kim7研究表明通道顶部间隙对微通道的冷却性能 也有影响。顶部间隙对热沉传热现象有两个方面的影响，首先由于顶部表面传热系数的增大导致传热效率的提高；其次，由于旁路效应导致传热效率的降低。图21为有顶部间隙微通道热沉的示意图。总的热阻是肋的热阻和流体热阻之和。公式如下：fin flow肋的热阻包括肋表面的导热热阻和肋之间的对流热阻。T max T bfin(2)q式中和分

11、别是热沉底部的最高温度和体积平均温度。流体热阻导致了冷却介质从入口到出口的温升，由能量守恒可得：Tb Tin 1flow (3)qmCp式中分别是进口温度、比热容、质流量。这里我们把泵功固定作为一个限定条件，在这个条件下，质流量并不固定而是随着系统的阻力变化而变化。图2-8有顶部间隙的微通道热沉示意图(a)微通道热沉；(b)计算范围。n.s-ooj PrWHnl=Aq Rji=l QJl0.OK IlIlllDo 02 QA D 608.0从图2-9中我们可以看出对于不同通道高宽比、孔隙度的微通道，在各种不同的泵功下，在HcWc=0.6时都存在一个最佳的顶部间隙。当泵功为2.27W，在HcWC

12、=0.6时，最小的热阻是0.058。在HcWc=0.6时，微通道热沉冷却性能与没有顶部间隙的相比，大约可以提咼 3.5%。 F.uv5B g K= ftmw27' lttrrd5iW AilWjR 亦 Z 2 tlTT2图2-9热阻的变化示意图AndreW J.L.Foo ng,N.Ramesh,Tilak T,Cha ndratillekep19研究发现带内部肋片的微通道的 流体流动和散热特性更好。图2-9为带4个内部肋片的微通道的示意图，微通道的尺寸为200 m (W)200 m (H)120mm(L)。微通道和肋片都是铝制的，壁面和肋片厚度分别为10 m和20 m ,肋片的相对高

13、度为 00.85。结果表明，对于一个给定的微通道，有一 个最佳的肋片高度。图2-9中的微通道的最佳相对高度为0.67。图2-9带4个内部肋片的微通道的示意图atf2.5微通道系统构成微流体系统作为MEMS的一个重要分支，是指能在微观尺寸下实现对复杂流体控制、 操作和检测的系统，包括微传感器、微泵、微阀、微混合器和微通道等元件16。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差 别，因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件 差别甚大，应用在电子芯片冷却方面，特别适合电子芯片向小体积、高集成度发展趋势。2.5.1微泵通常微通道驱动器采

14、用所谓电动力泵。电动力泵是一种利用静电引力原理设计的液体 泵，也称电容泵，液体在静电场作用下获得维持循环流动的充足动力。这种电动力泵完全摆脱了机械结构，无活动部件，因此，工作时几乎完全没有噪声，可靠性极高，寿命也远远高 于传统水泵。于翮，张强，乔大勇，俞坚 14研究离子拖曳电液动力微泵，运用MEMS技术在硅片上加工了离子拖曳微泵，微泵由一组平面电极组成，电极的宽度为40m,发射极和集电极之间的间距为50m,共有90对电极对，每组电极对之间的距离为100/Zm。微泵静压力实验以HFETIoo和无水乙醇作工作流体，通过施加直流电压来驱动工作流体，当输入电压为200V时，微泵可以得到 250 Pa的

15、静压力。实验结果表明：微泵的静压力与施加的输入电压成 二次方关系，同微流道的高度成反比。实验发现工作介质的物性参数也是决定泵性能的一个重要因素，选择合适的流体可以提高整个微泵冷却系统的性能。研究还表明，微泵的性能与工作寿命和实验环境的洁净度以及工作流体提纯密切相关。2.5.2微阀微阀作为微流体系统的主要元件之一，其作用包括径流调节、开/关转换以及密封生物分子、微纳粒子、化学试剂等，其性质包括无泄漏、死体积小、功耗低、压阻大、对微粒玷 污不敏感、反应快、可线性操作的能力等16。目前，微阀主要被分为有源微阀和无源微阀。 有源微阀需要在某种驱动能的作用下实现对微流体的控制，无源微阀则不需要从外部输入

16、能量，通常在顺压与逆压作用下实现对微流体的控制。此外，按照最初的状态，微阀可分为常开型和常闭型两种（1）压电微阀压电驱动能够产生很大的驱动力、反应时间快，但即使有很高的电压，隔膜也只能产生很小的偏移量。JKruckow等人17利用体微加工的方法，通过硅熔融键合，将两层硅结构 键合在一起，研制了一种由压电驱动的自封锁常闭型微阀，其结构和工作原理如图2-10所示。在没有施加电压时，该微阀具有良好的密封性能，当电压为100V时，气体流速为 0.38mL/ min。带出 侧视图隔膨 压电 阀座撑杆转90。带出门的 侧規图悬架刚性霜（双面悬挂阀 Jf(L)图2-10压电硅微阀原理图J.M.Park等人1

17、8研制了一种用于低温下流速调制的常开型压电微阀，它包括由绝缘体上硅（S 20 1）制成的芯片、玻璃片、压电堆栈驱动器和玻璃陶瓷封壳。该阀的反应时间 低于Ims,带宽可达820kHz。在室温下，入口压力为55kPa时，若微阀全开（OV）, 流速可达 980mLmin ,当施加60 V驱动电压时，流速为OmL/min ,当温度为80K ,入口压力为 104kPa时，该阀能成功地将气体流速从350 mL/min调至 20mL/min。E.H.Ya ng等人口研发了一种应用于微飞船的常闭型压电微阀，其结构如图2 -11所示。当输入电压为 10V ,入口压力为 2068.5 kPa时，层流速率为 52

18、mL/min。为 使该阀完全打开，输入电压须为30 V ,微阀消耗的功率为3mW。由于阀座上含有窄边座套环和受张应力的硅支链，因而具有很好的防泄漏能力，当压力为5516 kPa时，泄漏速率为IO 4mL/mi。图2-11防泄漏压电微阀的原理图(2)磁微阀C.H.Cheng等人4在PDMS中掺入铁粉，将该混合物填充在硅KoH各向异性刻蚀后的V型腔中，作为阀塞及阀塞支撑。这是一种常闭型微阀，当外加磁场时，阀塞和支撑被抬起，阀被打开。M.Duch等人5提出了一种低功耗、使用方便的磁微阀。这种微阀由上部V型悬臂梁和下部硅隔膜组成，V型悬臂梁上电镀一层C。Nl合金。当分别在微阀的上部和下部施加磁场时，阀

19、相应地被打开和关闭，如图2-12所示。微阀打开(L)微阀关闭图2-12磁驱动微流量调节器原理图C.Fu等人6禾U用直径为3mm铁球作为可由外部磁场驱动的部件研制了一种常开 型微球阀。该微球阀由三个热压聚合物层和三个金属层组成，各层通过黏附薄膜连接，开关频率可达30Hz,开关时间为 10ms。当电流为 200 mA,压力为50 kPa时，微阀被关 闭，泄流速度为 05Lmin。此外，这种微阀还可用作比例阀来调节出口压力，当入口 压力为200 kPa时，调节范围为O112.5k。(3)静电驱动微阀静电驱动反应时间快、功率低，但是驱动力较小。 此外，由于静电驱动微阀通常是以二进制的模式工作，所以需要

20、使用阀阵列来控制流动°THasegawa等人7提出 了一种由空气驱动无死体积的微分配系统，其中主要元件就是由微螺线管驱动器实现方向转换的IO出口多方向微开关阀。这种开关阀包含带有硅树脂橡胶环的旋转装置和带钢球的自定位闭锁装置。定位装置能精确地自动定位出口并检测当前选中的出口，因而不需要其他传感器和控制器。为使芯片能在5OOkPa以上的高压下快速转换，硅胶环的高度应为30Om,转子压缩力为3N, 转子旋转力为O. 8No当在螺线管上施加电压为6VDC时， 吸引力为1N,开关时间为0.1 o在基体上用光刻或其它刻蚀法制成截面尺寸仅有几十到上百微米的槽道，换热介质在这些小槽道中流过换热器基

21、体并通过基体与别的换热介质进行换热的技术。微通道制作的材料有硅、铜、铝及其合金等，换热介质除水外还有液氮、乙醇、硅油、氟利昂等液体。典型的 微通道结构如图2-1所示。电子芯片的可靠性主要取决于其内部组件本身及组件间的温度高 低，微管道由于具有很高的传热系数，因此可利用其设计电子芯片内部冷却用的水冷式散热器，并已成为芯片液冷研究的一个重点。2.5.3微混合器 2.6微通道制冷剂沸腾冷却微通道热沉中常用工作介质有空气、水和致冷剂。当冷却水在短期内似乎是首选的解决方案，但它具有大温度梯度、高的凝固点和使用水与电气连接点紧密接触危险。而在微通道制冷剂沸腾冷却中没有这些问题。BrUno AgoStini

22、,John RiChard Thome,Matteo Fabbri,BrUno MiChel,Daniele Caimi, UrSKloter20研究了冷却剂 R236在较大的热通量、速度和质量蒸汽品质范围内在硅微通道中的 局部传热系数。在低热流密度、低蒸汽品质、低质量流速时，传热系数随蒸汽质量的增加而 增加，而且与热通量和质流量无关。在中热通量的传热系数几乎蒸气质量无关，而和热流密度有关。此外，传热系数和质流量几乎无关。在非常高的热通量时，传热系数随着质流量增加速度减慢，而随着热通量的增加而下降。这些结果与宏观流动沸腾的趋势明显不同。特别是，似乎并不存在对流沸腾区域。散热器是由67个并行通道

23、，宽 223 m ,高680 m ,长为20 mm。底面热通量变化 范围为3.6至221 W/cm2 ,质量流速为281到1501 kg/m2 ,出口蒸汽品质为 2%至75%。 工作压力和饱和度的温度分别设定在273千帕和25C。图2-13为实验装置图，它包括测试部分、一个带冷却池的冷凝器、液体泵（Fluidotech模型MGBR2 ）、预加热器、一个7 m的过滤器和一个科里奥利质量流量计（科隆OPtimaSS3050F、。蓄水池是用来储存制冷剂并准确地控制工作压力，它连接在过滤器和流量计之间。图2-13实验装置图图2-14硅芯片的测试照片。左图：微通道右图：（a）加热器；（b）热电阻连接器；

24、（C）五个热电阻单行多层电阻加热器（10纳米钛，1 m黄金，30纳米的镍和黄金）为通过光刻在芯片 表面的。如图所示 2-14,它是由六个0.5毫米宽的平行带组成，从而形成6个3毫米宽的加热器。59 的热电阻（如与加热器成分相同，宽10 m）已存放于在五个不同地点。这些RTD的敏感长度约为宽度的三分之一，温度沿通道在5个地点测量。五个RTD是放置在3.267, 6.534, 9.801, 13.068 和 16.335 mm 处的。如图2-15，LeXan显板（1毫米厚）被粘在硅芯片上，有0.5毫米宽进口和一个1毫米宽的出口。 -#' ib1 JIHlLfijdKIlt-IuS图2-15

25、测试部分：（a）组装图；（b）分开图：集成块和提供流量的狭缝板；（C） RTD的连接后视图：加热器的结构和RTD的位置。三、热电冷却技术（TEC）3.1热电冷却技术简介热电冷却是利用半导体材料的温差电效应一一帕尔贴效应来实现制冷的一种技术，也称为半导体制冷。帕尔贴效应是当直流电通过两种不同导体材料构成的回路时结点将产生吸热 和放热的现象，由法国人帕尔贴最早发现。图24为热电冷却器制冷原理示意图。臣汛电毎图3-1热电制冷原理示意图热电效应由塞贝克效应、帕尔贴效应、汤姆孙效应、焦耳效应和傅里叶效应五个不同的 效应组成。热电冷却是热电效应主要是帕尔贴效应在制冷技术方面的应用。热电冷却的冷却效率与制冷

26、器冷端温度、冷端和热端之间的温差有关。，温差越大制冷量越小，制冷系数越低。对于特定的热电冷却器，怎样及时散去热端的热量是提高热电冷却系数和增大热电冷却量的关键。在制冷片工作期间，只要冷、热面出现温差热量便不断地通过晶格能的传递，将热量移动到热面并通过散热设备散发出去。因此，冷却片对于芯片来说是主动制冷的装置， 而对于整个系统来说，只能算是主动的导热装置。热电冷却的效果与许多因素有关，如冷端温度、热端温度、热传导率、电传导率、冷端 与装置表面的接触热阻、热端的热阻及电流。这些可调节的参数为热电冷却的广泛应用提供 了有利条件。例如在提供冷却空间和除湿装置中，热电冷却被用来提供一个温度比周围温度低的

27、环境。在电子冷却中，热电冷却作为一个从温度比环境温度高的表面及时把热量带走的装置， 它的目的是维持电子元件的温度在安全温度范围内。热电冷却也许不能满足未来电子冷却的需求，但是它有诸多优点，如高可靠性、良好的适应性、方便组装、质量轻和可维持较低的 温度。热电冷却能力和可靠性取决于与芯片接触的冷却装置。TEC工作时热端需要一个冷却装置及时把热量从冷却器带走。现在，热电冷却与空气制冷或水或其它液体制冷技术的结合已 经引起越来越多的关注。这种发展趋势的主要优点在于一个负的温度梯度和较小的热阻。3.2热电水冷却HSia ng-She ng HUa ng, Yi ng-Che Weng, YU-Wei C

28、ha ng , Sih-Li Che n, Min g-Ts Un Ke10 探讨 了电子热电水冷却装置的散热性能。热负荷的热电冷却器的影响和对现有的冷却性能热电装 置进行了实验和理论上确定。本研究发展了一种新的热比喻网络分析模型预测的热电装置热 能力。该模型的预测与实验吻合的数据。实验结果表明，当从20W到100瓦，热负荷增加了最低的总体热指标来增加从 .0.75 KW.1在最佳电0.627答：除了 KW.1目前，这项研究证 实，热性能传统的水冷却装置，可有效提高热电结合，它冷却器的热负荷时低于57瓦特WBtfr PHi厂（MltrflI VaX,e>Yaler CqU PlateIF

29、XCDId ShkHejitcr图3-2热电水冷却装置示意图akr UUICaM Pblr uf rwdIiIrthaftcrft. IHletf r c hiMqBrr mhRfc CUlkl jflc 11IMVifI mfrlvfRI COld IriMtlC bn sc IrrriHtCeisTirktiiffin r-s4aaceTlCcoltf Illlk ¥ lxdi rrlarrIe-亦 TI-I雲1电子冷却技术调研CZ=Zjo=> llhHes< EKChan.crVVater PUrnli ContrOl he-4Q*-戻1ir t Ylmdtr n

30、18 Z 21DiIlU RCcOrder20O OaO O*F"Po¼tr 詈Iipy10UOEsp. CUne-IItlinil 3QVr -40XV -.SoWIUEkCtrie CUmlIl / / A电子冷却技术调研28 / 21LieCtriC C UrreElI 1 i AO 235<7 H11Ekttt k current > 3.3热电冷却的系统优化热电冷却器冷却能力的增加受到冷端和热端热阻的限制。这里图28和29为两种不同的系统示例。图28液体冷却热沉的热电冷却器图29空气冷却热沉的热电冷却器我们知道具体的热电参数如很难从热电冷却器生产商那里

31、得到。为了使得热电冷却器的运行优化在设计上更加直观，我们采用新的分析方法， 所以热电冷却器的热平衡公式可以转变为TEC标准参数。标准参数可以从以下公式中知道：Rm2NrG（17）Km2NKG（18）2Ns（19）式中Rm、Km、&分别代表标准电阻、标准热导系数、标准塞贝克系数。基于这些标准参数公式（10）（ 11）（ 15）可以转化为下列形式：QC2N SmITC1 2-I2RmKm T2（20）QP2N SmI T1I2Rm2（21）ZSm2（22）RmKm同样地，公式（15）变为：VSn T RmI（23）在这个阶段用标准参数表示的热平衡公式中的标准参数和电流都是已知的。标准参数R

32、m、Km和Sn可以从热电冷却器的具体参数如I max、QmaX、 T max、T max和V max得到。这里 T max是在一个给定的热端温度Tho下热端与冷端的最大温差；ImaX是通过热电冷却器产生最大温差时的输入电流；V max是最大温差时的直流电压；Q max是在带电流在最大值且温差为零时冷端吸收的最大热量。标准参数与具体参数的关系如下：(Th0T max)V max(24)(25)RmTho I m ax(Th0T max)V max I m axKmSn2Th0 T m ax表4各种热电冷却器的给定参数和计算标准参数图36热电冷却器示意图ramerer5IECb5H33OWTEC2

33、- KimWTECl-Me1127atw=25:rTta-MeIl 27 ac Tia = SOtCDiJTIen5 ion 5SO m SDm 41=5 5 XlS39.5 X羽曲X3.S(mm)仏W19155,5B.45吐(W)曲2237262略土 M3223.414,416.1&4.5686774咯血29115测I 529 乩 15321152皿）AOOS 3 SaooE7CDo2 SlOM23 5亦(VIlKlD.1070.07S0.04&0.0465(WK)3.59C710.70 (Ohm)1321.171.311,44V maxTh0(26)3.2热电冷却与微通道冷

34、却的结合如图25所示，芯片产生的热量为QC ,这是当芯片温度 Tj在维持不变时由热电冷却器带走的热量。热电冷却器与芯片接触，其接触热阻为Ri。冷端温度和热端温度分别为 TC和Th。当热电冷却器运行时，需要外部输入的功为QP。在热端，需要被带走的热量为 Qh，这部分热量通过使用一个表面热阻为R2的热沉来实现。假惹热量传递连续，可以得到的计算式；1 2 rQC 2N SITC -IKG T（10）2G2 rQp 2N I2SI T（11）GQCCOP（12）QP式中N为热电元件的对数；S为塞贝克系数；I为电流；r为电阻；G为几何因子；K为热电 元件的热导率。由传热学知识得温度关系为Tj TC Qc

35、Ri（ 13）Th Ta QhR2（ 14）热电冷却器的Z因子为：S2Z（ 15）rK直流电压为：IrV 2N s T（ 16）G从公式10可知，热电冷却器的制冷能力有三部分组成，帕尔贴热量、JoUIean热量损失和导电热损失。帕尔贴热量与电流I和冷端温度TC有关。Joulean热量损失总是降低冷却能力并且与电流的平方成正比。我们可以通过提高 TC或者降低温差 T来提高制冷能力，同时还可以在强制区域T <0运行。当热电冷却器在强制区域运行时，在公式10中导电热损失变成了正值，同时还可以减少泵功。因此我们看到在此区域运行时，TEC制冷能力和 CoP都会增加。从公式 13和14中还可以看出T

36、EC的性能还与热阻 R1和R2有关。TlIiTlILATTt =4乜心=叫芳忑=筒U昭=79.45 AL = 80 cCt-84.S ACOPTlR.QTiEICOPT0mCOP石R2-201门5l6l S46,6I870.6026?30.0201307JO佃1SSJ-10156.40J5846.2广5.60.54960o.w(15.90.540¢.0720145.30恥45.":丄心164.5OM66.50.060"1480.4W辭.310IM.2(J.449453J.壮(U豐.L'OlOSld*4ft.hj8加12l】肿44<I.7'14

37、2.2H.4Ir65,60,102I62J0.415S6.40.126%J L,9U.35344.-1JLlo,6.20.1230151.40377ZQ'1J40<s0,3(H44,0(1,117Ilw0325W.70.1430UljJ0-3410.163SO9.7026?43.50,141曲0-28?64.30464012920-?06SXIOJBI丰 C r-P车H¼K台匕一lt 夂/冲卞砧t t 加土口/TEC的性能比较表3在最大制冷能力条件卜的热电冷却器（表3为 热电冷却器的性能分析比较。这里的物理量和有关参数为N=31,S=0.0002 VK 1 ,r=0.0

38、0001 m ,K=1.5 Wm 1k 1 ,G=0.01196 m。在这里 TC有 40、 60和80 C三种选择，T为-20到50 C ,假设R=0.039 C /W。从表3中可以看出，最大制冷能力随着T的减小和TC的增大而增加。这里 T的增加受到热沉的性能限制。当T =-20 C，Tc=80 C时，QC有最大值207W。还可以看出温差一般不是很大，当T =-20 C时，TC为40, 60, 80 C对应的Tj分别为46.6，67.3和88 C。 对于TC为40，60时，对应的温度 Tj低于85 C ,这在电子冷却应用中还是可以接受的。对于热电冷却器的热端热阻R2 ,可以看出它随着T的减小

39、而减小。这就意味着好的热沉效果要求的 R2较小，尤其当其在强制区域运行时。当Tc =40 C， T 0时，R2不能满足要求因为热端温度低于环境温度。可以看出热电冷却器在最大制冷能力运行时，R2的最大值为0.181 C/W。常规制冷热沉是达不到这样的要求的，可能的方案是使用微通道热 沉技术。W4图26微通道空气制冷的热阻。LCh 300mm,泵功=IOW。图26和27分别为微通道空气制冷和微通道水制冷的热阻，由于较高的热导率，微通道水制冷的热阻相对较小，而且其尺寸较小。回到表3 ,要求的最大和最小热阻分别是0.181 C IW和0.021 C/W。从图中可以看出两种制冷剂能达到的最小热阻分别为0

40、.1 C IW和0.013 C/W。因此，对于在T >0的区域运行时，微通道空气制冷已能满足热阻需求，但是当 T<0时，只有微通道水制冷系统可以满足其热阻需求。400图27微通道水制冷的热阻,LCh 300 m ,泵功=4W。1OO200Hat Side cnnectorVITE7>r m»p-type TE!I E¾L 寸FCOlel SidE connector参考文献1 高翔，凌惠琴，李明，毛大立.CPU散热技术的最新研究进展上海交通大学学报，2007, 4: 48-52.2 王长宏，朱冬生.电子封装热管理的热电冷却技术研究进展.电子元件与材料，20

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