热电制冷的界面热-电输运特征及尺度效应的研究

芯片内/芯片间增强冷却是国家重大战略需求的关键科学技术问题，而热电制冷是芯片冷却的最好方式之一，但因微型热电制冷器集成封装冷却芯片时制冷温差骤降，使得实际应用中困难巨大。如果能揭示热电制冷从宏观到微观过渡区间性能转变规律，那么就可以指导微型热电制冷器的设计，为解决芯片冷却问题提供理论支撑。基于上述背景，本项目展开了以下三部分研究内容：(1)基于声子、电子的Boltzmann输运方程，建立热电制冷的界面热-电输运模型，分析垫垒层厚度对界面边界热阻和电阻的影响，进一步探讨界面效应对热电制冷性能的影响；并自主设计搭建了热电制冷器物性测试台，修正物性参数，使模型精度控制在5%以内。(2)通过耦合Boltzmann热输运和傅里叶导热，引入器件热物性参数关联接触热阻/电阻和边界热阻/电阻，建立了微型热电制冷器的仿真模型，运用多尺度分析方法，研究电子、声子输运对器件热物性参数的影响，分析了界面效应和尺度效应对其内部温度分布、制冷温差、制冷量和COP的影响，优化设计的微型热电制冷器冷却通量可达300 W/cm2；基于界面效应引起的器件物性参数变化，提出了一种分段结构的热电制冷器，可将热电制冷温差、制冷量和COP分别提高151.8%, 103.4%, 71.0%。(3)采用数值和实验方法研究了微型热电制冷器冷却芯片及热点的特性，分析了微尺度下的脉冲过冷效应，探索了冷却高热流密度热点的能力，提出了一种微接触形式，进一步降低热点冷却温度；并制定和实施了热电冷却芯片的温控策略，提出了热电冷却芯片凝露问题的解决方案。

芯片强化冷却是面向国家重大战略需求的关键科学技术问题，热电制冷是冷却芯片的有效方式之一。然而从宏观到微观过渡时热电制冷温差骤降，使其在芯片冷却应用中困难重重，虽有研究指出此现象可能是由热扩散势垒区的电阻和热阻引起的，但相关机理尚不清楚。申请人拟从热电制冷界面热-电输运过程着手，基于热传输形式(热扩散和热波)、界面接触效应和芯片产热传热特性，构建基于分子动力学-界面元-有限元的热物理模型，运用多尺度分析方法，研究热扩散势垒区的热-电输运特性；采用变频方波电源驱动热电模块，分析界面接触热阻、电阻和尺寸对热电制冷性能的影响，尤其是界面接触效应和热传输形式变化的耦合区间；阐述热电制冷的界面热-电输运特性及尺度效应，揭示微尺度热电制冷温差骤降的机理。该研究为解决芯片冷却问题提供理论支撑，填补热电制冷界面热-电输运过程的相关研究空白，对提升我国军事、航空航天领域等设备的可靠性和寿命有重要实际意义。

项目申请者提出了一个全新的铸轧界面传热热流研究方法。其特点是，不是在铸轧过程中，而是利用铸轧模拟装置获得从弯月面到辊缝处的铸轧界面传热热流分布（包括辊缝附近发生金属变形的情况）。在本申请项目中，通过铸轧模拟装置研究铸轧工艺参数及其它各种因素对铸轧界面传热热流分布的影响，并利用铸轧过程中实测的铸轧界面传热热流，对实验结果进行检验和修正；进而在整理和分析所获数据的基础上，归纳和推导铸轧界面传热热流密度的计算公式或方程。与铸轧过程中测量铸轧界面传热热流相比，申请者所提出的铸轧界面传热热流研究方法不仅简单易行、在实验室就可以进行，而且成本低、周期短。这对将来提高我国铸轧薄带产品在国际市场上的竞争力以及适应品种多、需求变化快的市场需求等具有重要意义。

本项目采用计算模拟和实验方法对脉冲电流驱动模式下热电制冷的系统动态特性及其优化与控制进行深入的理论分析与实验研究。探索脉冲式热电制冷的动态物理过程特性及其特征参数变化规律，阐明脉冲式热电制冷过程中的瞬态过冷效应与脉冲间隙冷端温度过冲特性以及对被冷却电子器件温度的影响规律；研究脉冲驱动模式与热电制冷的高效耦合机制，探讨脉冲驱动模式及其参量变化对制冷性能的影响关系，获得最佳脉冲驱动模式与优化调控方法；研究变工况及动态工作条件下热沉与脉冲式热电制冷的匹配关系，提出适合脉冲式热电制冷的高效经济的热沉方式及其优化匹配方法；探寻脉冲式热电制冷的非稳态建模新方法及构建系统优化模型，对脉冲式热电制冷系统进行热力学优化分析，获得系统优化设计方法。本研究将从更深的层次上揭示非稳态热电制冷过程的物理本质和基本规律，丰富热电制冷的理论体系，同时将为脉冲式热电制冷技术应用于电子器件冷却领域奠定基础并提供开发思路。