热电制冷液体冷却技术的实验研究

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1、分类号：TB657.9密级：公开UDC：学校代码：10127硕士学位论文论文题目：热电制冷液体冷却技术的实验研究英文题目：ExperimentalInvestigationofNovelThermoelectricLiquidCoolingTechnique学位类别：学术硕士研究生姓名：张博学号：201202049学科(领域)名称：化学工程与技术指导教师：王亚雄职称：教授2015年6月7日内蒙古科技大学硕士学位论文摘要随着半导体电路密集化和电子设备小型化程度逐步提升，微电子芯片的热负荷和热通量正在迅猛增长。较大的热流密度导致芯片温度上升，过高的节点温度会影响芯片的可靠性和使用寿命。

2、为了保证微电子芯片的正常运行，使其维持在一定温度范围内，现迫切需要更高效合理的散热冷却技术。本文提出热电制冷液体冷却技术，应用于微电子芯片的散热冷却。自行设计开发了一套热电制冷液体冷却散热器，以实现电子芯片低于环境温度的冷却，解决芯片超频运行的二次散热问题。从热电制冷基本原理出发，建立热电制冷散热模型，针对芯片节点温度、制冷量、能效比（COP）、工作电流和热沉热阻等参数进行分析计算。然后搭建实验平台，通过控制虚拟热源发热量、散热风速和热电制冷器（TEC）工作状况，重点从热阻、最大散热能力、制冷能力、制冷效果和制冷效率对该热电制冷液体冷却散热器进行全面的实验研究。研究结果表明，TEC

3、存在一个最佳的工作电压值，使得散热器整体的热阻和制−2冷量达到最优，因此确定TEC的最佳工作电压尤为重要，当热通量28.5W·cm、风−1−1速5m·s和9m·s时，最佳工作电压分别为28V和32V。此外散热器工作在高环境温度(35℃)下，TEC有效降低散热阻力，提升最大散热量。热电制冷装置通电后能−2够快速制冷，响应迅速从而保障芯片超频运行，当热通量23.78W·cm、风速−15m·s时，开启TEC运行10s热源表面温度降低3℃，30s之后温降达到最大值5.4℃。热电制冷装置能够实现芯片低于环境温度的冷却，保持热源表面温度与环境−1温度相同，TEC工作电压48V、风速3~5m·s

4、的条件下，散热能力最大达到−27W·cm。结果同时显示，传统液冷散热系统能够弥补TEC能效比较低、制冷量有限的不−1足，维持热源表面温度高于环境温度10℃、TEC输入电压4~48V、风速3~5m·s−2情况下，最大能效比达到3.5，最大热通量达到15.7W·cm。在限定热源表面温度−1−2（65℃）的条件下，散热器在实验风速3~9m·s时，最大散热能力达45.2W·cm，−1装置最低总热阻0.107℃·W，可以满足目前微电子芯片的散热需求。关键词：热电制冷；液体冷却；电子芯片；设计I内蒙古科技大学硕士学位论文AbstractMoreandmoredenseofsemiconduct

5、orcircuitsandminiatureofmicroelectronicdeviceresultinhigherheatloadandheatfluxonthechips.Theexcessivecasetemperaturehashugeinfluenceonthechips’stabilityandreliability.Inordertomaintainthechipsatacertaintemperaturerangeandrunnormally,moreefficientcoolingtechniquesarerequiredurgently,especiallyt

6、heover-clockofthechipsneedssub-ambientcoolingsupporting.Inthispaper,anovelthermoelectricliquidcoolingtechniquewasproposedtomeetthecoolingofmicroelectronicchips.Andthen,anovelliquidthermoelectriccoolingdevicecombinedwiththermoelectriccoolingandtraditionalliquidcoolingwasdevelopedandassembledfor

7、sub-ambienttemperaturecoolingandheatdissipationinover-clockingorsupercalculating.Amodelofthermoelectriccoolingforcentralprocessingunit(CPU)heatdissipationwasestablishedbasedonthemechanismofthermoelectriccoolingandcoolingcharacteristicso