脉冲强化热电制冷的瞬态热输运特性及热电转换规律

The problems in the minification of packaging and 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 multi mode control(MMC) experimentation and 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.

封装缩小化及高热流密度散热出现的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，结合多模态控制实验法和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。

高热流密度的光电子器件的散热问题成为制约其发展的瓶颈，本项目围绕光电子器件的热管理，研究如何利用脉冲过冷效应强化热电制冷的能力。目前的研究多是特定工况下的脉冲过冷效应，但没有考虑实际应用中脉冲过冷后引起的温度升高的问题，而为了保证热电制冷系统的温度精度要求，必须解决该问题。因此本项目的研究内容主要是完善热电脉冲过冷效应的理论，并为光电子器件的温度精度控制提供理论支撑。本项目首先探讨实际应用工况下热电模块的最大制冷能力与热端换热器热阻的关系，研究影响热电制冷系统性能的权重因素。再利用热电脉冲过冷效应强化热电制冷的能力，分析随机工况下热电脉冲过冷的动态过程、影响因素和最大强化制冷能力。最后研究冷却连续激光器和脉冲激光器的不同热电制冷方式，同时搭建了微型热电模块集成冷却半导体激光器的实验台，验证阶梯冷却的现象，探索实验结果与理论结果误差。通过热电脉冲过冷效应的分析，引入了热电脉冲增益效应，完善热电脉冲过冷效应的概念。对比理论与实验研究，发现存在一个最优的脉冲振幅，当脉冲振幅小于它时，最小过冷温度随脉冲振幅的增大而减小；当脉冲振幅大于它时，最小过冷温度随脉冲振幅的增大而增大。研究发现由于焦耳热和帕尔贴热的联合影响，热电脉冲的最小过冷温度不可能达到先前研究报道的绝对零度。在70℃的高温工作环境下，当激光器的脉冲宽度大于临界脉冲宽度时，引入阶梯冷却方法冷却脉冲激光器，即通过阶梯电压驱动来抵消脉冲增益温度，保证高热流密度和大脉冲宽度的脉冲激光器的温度精度。并发现热电阶梯冷却脉冲负荷的冷端温度变化曲线类似于二阶系统单位阶跃响应的减幅的衰减振荡曲线，从而拟合出了热电阶梯冷却脉冲负荷的冷端温度的时间响应函数，为半导体激光器的温度控制过程的执行单元和控制单元设计提供了理论依据。