高热流密度界面采用脉冲瞬态强化热电制冷效应的动态特性

The interfacial problems of the high heat flux in heat dissipation is the focus of attention on the coupled heat transfer, which breakthough the continuous media hypothesis and constraint condition of isotropy. So,it is a challenging task to interpret the general characteristics of interface heat transport properties in the microscale heat transfer process. From the view of cross disciplinarity referred to Cryogenics, Semiconductor physics of solids, Materials and interface science and other subjects, combined with the model correction method of adaptive logic identification on Hot switch algebra theory, research contents put forward the new mechanism on the transient supercooling of thermoelectric effects in the process of heat transport and thermoeletric conversion for the efficiently interface cooling and accurate temperature control technology, and explore the structural optimization, as well as the best pulse driven mode and the optimal control strategy for the improvement of thermoelectric cooling system, which cover the areas from macroscopic components to microscopic energy transport medium with the further coupling mechanism of the physical effects. Research Purpose is to promote the thermal control management on the high heat flux interface of the areas such as aerospace components, microelectronic devices, and precise instruments to change gradually from the empirical design to system simulation optimization. Besides, set up a theoretical basis on the prototype with independent intellectual property rights, and also provide the corresponding methods.

高热流密度界面的散热问题是目前耦合传热过程关注解决的焦点，在一定意义上突破了连续介质假说和各向同性的约束。因此，诠释微尺度条件下传热过程面临的界面层热输运特性中的共性问题具有挑战性。研究内容从学科交叉（半导体固体物理、材料与界面科学、电子学及控制论等）角度出发，结合热开关代数理论的自适应逻辑辨识模型修正法，从宏观元器件向微观能量输运介质及其物理作用效应的若干非定常因素的耦合机制入手，提出基于瞬态强化热电制冷效应的高效界面冷却和精确控温技术的热输运及热电转换过程中的新机理、寻求结构优化的新途径以及为获得装置热电转换效应的最佳脉冲驱动模式与合理设计控制策略提供准定量准则。研究计划建立在以实验为主导，数值模拟为支撑的构架上，为促进我国航天、微电子、精密仪器等领域高热流密度界面的热控管理由经验设计过渡到仿真优化设计，为形成自主知识产权技术的雏形建立提供理论与方法支持。

热电制冷基于自身的优点被广泛应用在电子散热领域，课题是将微型热电制冷片应用到具有较大热流密度半导体激光器散热分析的研究。研究工作使用的方法是基于有限元分析与实验研究相结合的方法。首先介绍了在使用热电制冷时，如何准确高效的选择合适的热电制冷片。然后利用选择的热电制冷片的性能参数，进行有限元分析的参数设定和数值模拟。分别考虑了散热系统只有热电制冷片、热电制冷片结合热端热沉以及热电制冷片结合热端热沉和散热风扇的三种散热系统，结果表明只有结合热端热沉和散热风扇的散热系统才能满足热设计的要求。为了验证实验热设计的准确性，通过实验台对热设计过程进行了实验论证。实验结果与模拟分析结果有一定的差距，考虑到实验过程中热绝缘以及接触热阻等因素的影响，结果认为模拟分析结果具有较好的参考应用价值。为了进一步优化热设计结果，得到热设计中散热热沉、散热风扇以及外界环境温度对散热系统和热电片制冷性能的影响，本文利用有限元分析法做了进一步的分析和优化。得出了热设计时的热端最大散热热阻，以及热电制冷片的COP的变化趋势。本文结合实际应用案例，介绍了热电制冷应用于半导体激光器散热时需要考虑的因素以及具体实施的步骤和方法，可以为基于热电制冷的热设计的具体实施提供一定的参考。