温差电致冷技术在计算机外设中的应用

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1、温差电致冷技术在计算机外设中的应用安晓雨张建中信息产业部电子第十八研究所天津市296信箱53分箱邮编：300381摘要：电子设备的抗熟加固是提高整机可靠性的有效措施．本文对微通道传热理论和温差电致冷技术进行了介绍．提出耦合微型散热器的温差电致冷纽件加固计算机外设，并对此作了初步尝试．一关键词：温差电致冷g垦步7徽通道理论散热计算机外设1前言”17jt丁√‘J‘2⋯。占2J电子设备工作时产生的高温，是造成器件性能衰减导致失效的主要原因之一．随着国防现代化的发展，要求军用计算机及其外设的体积越来越小、功耗越来越低，因而也要求元器件体积小、功耗抵，使外设高

2、度集成化、模块化．提高热设计水平，使热量沿低热阻通路尽快散出，也就成为提高整机可靠性的必然要求．温差电致冷技术有体积小、无噪声、无致冷剂、安装和操作简便等优点，通过改变电流方向可实现致冷和加热，是微环境系统理想的散热控温方式．近几年来，半导体温差电致冷组件的制造工艺有了较大发展，热电性能、寿命及可靠性水平都进一步提高，在工业、商业，军工及航天领域得到越来越多的重视与应用．微通道的报道最早见于八十年代中期”‘，荚国学者Tuckerman和Pease介绍了一种硅基材的水冷肋片式散热器．该散热器的结构为：通道宽m)和通道壁厚m)均为50／．uD，通道高宽比

3、(h／w，)约为10．其冷却过程为在底面加上的热量Q经徽通道壁(类似于“肋”)传导至通道内然后被强迫对流的流体所带走．他们的试验表明当水的流量为10cm’／s，水的温升为71℃时，冷却热流密度高达790W／c=1．该散热器冷却能力大大翅过目前已知的常规冷却手段所能达到的水平．微通道的出现首先应用于不断增高的微电子芯片热流密度的冷却需要，它在其它领域作为高效紧凑的散热器或冷却装置同样拥有广阔的应用前景．国外温差电致冷技术在军用计算机外设上已经得到广泛应用．抗恶劣环境计算机及其外部设备近几年来已经发展成为一种新兴产业．随著国防现代化的发展，要求军用外设的

4、体积越来越小、功耗越来越低，因而要求元器件体积小、功耗低，使外设高度集成化、模块化．我们试图将微通道散热技术与温差电致冷技术相结合，使计算机外设的热设计达到一个新的水平，对此进行了探索性尝试．～70一2微通道传热的近似模型按照前述两位学者的解释，徽通道强化传热的机理在于通道的微小，大大提高了对流换热系数，即在充分发展的条件下，换热系数反比于通道的当量直径．当通道尺寸非常小时，微通道的传热特性有可能违背经典结果．但就工程意义来讲，经典结果作为初级近似可以被接受．本文即在经典理论的范围内就微通道的传热研究情况做以介绍．＼经典一维肋模型该模型采纳应用于大通

5、遘的经典一维肋模型，将微通道假定为只存在沿肋高方向的温度梯度的一维肋片．对厚度为AX，横截面积为^(x)，表面积为S(x)的控制体积进行分析，假定导热沿正x方向，由热力学第一定qxb—qx卜小一qc20(I)由傅立叶定律可得ndT／dxIx+△x—kAdT／dxlx—hS(T—TJt0i2J用周长P(x)和Ax的积来表示S(x)，整理可得：图1微通道肋片中的微元俸(kAdT／dxIx+△x—kAdT／dx卜)／Ax；hP(T—To(3)当△xj0时，取极限可得：d[kA(x)dT／dx】／血一hP(x)【T—T∞】-0(4)求解此微分方程可得矩形肋片

6、的传热计算式．但它忽略了沿肋厚方向的温度梯度，并且未加肋片表面及肋基温度的下降对传热的影响，给分析结果带来了一定的误差，所以一维肋模型在微通道传热分析中很少使用．二维肋近似模型假定：(1)流动为层流，流场和温度场均是充分发展的：(2)流速取平均速度：(3)忽略流体中的导热；(4)高宽比h／Ws》1，热流全部由“肋”根导人，槽底部绝热，忽略“肋”在厚度方向z上的导热；(5)锄”端绝热．依据这些假设，可得到描述微通道传热的一个二维能量偏微分方程组的定解问题⋯：扩Ts／Sx2+02Ts／ay2t0(Ts—Tr)(5)盯rlax=Y(Ts—Tf)(6)所。／

7、ax1一-o(7)aT。／axm-0(8)研，／ayra。-q-／k，(9)扎／田f，一一=0(10)Trf，o-TI(11)一7l～以上方程中，Ts(x，y)，Tf(x，y)分别代表“肋”和流体的温度．Dn2a／x。．V／。。7‘2a．1p,‘c-’V’耻，其中Ks为“肋”的导热系数，pl·c，为流体热容，V为流速，a为对流换热系数，a—Kr·Nu／D，这里n是流体的导热系数，D为微通道的当量宣径，D一4h·Wd2(h+Wc)；2Wc(对h／wc*1)．在边界条件(9)中，qt。Q’(1+We／W,)／(w+L)为进人“肋”根的热流，这里Q为均匀加

8、人的热量．(11)中，TD为流体人口温度．我们可以用中心差分格式的有限差分法近似计算二维肋模型的控制方程．以