热电制冷器散热性能实验研究1赵亮，张丰华,杨明明，吴波

　　热电制冷器散热性能，热源大功率50W，大热流密度22.2W/cm2，外形尺寸为15mmX15mmX3mm模拟芯片发热；热电制冷器型号为HCTEC1-12709，大电流9A，大温度差67大制冷量80W；热电制冷器热端采用铝制液冷散热器进行散热；恒温槽为液冷散热器提供温度为20C的冷却液；采用2台0 ~35V的直流电源分别为热电制冷器和热源供电；接触面间填充1mm厚导热垫以减少热阻；采用T型热电偶测试温度，热电偶1，2，3监测热源表面（冷端）温度，热电偶4，5，6监测热电制冷器热端温度；通过数据采集器和PC机读取热电偶温度值。

　　实验测试系统2.2实验测试方法实验测试时在热源和结构件腔体之间填充硅酸盐绝热材料，以确保热量主要由热电制冷器带走。在热源与结构件腔体之间设置垫块，通过螺栓压紧固定，以确保热源与热电制冷器紧密接触，减少热阻。

　　热源与热电制冷器冷端间设置1mm厚导热垫，由于导热垫非常薄，热电偶压入后忽略导热垫两面温差，认为热电偶1，2，3监测热源表面与冷端温度。调节电源输出电流改变热源功率和热电制冷器功率。当每根热电偶的温度随时间的变化在30min内不超过0.5°C，则认为温度已经达到稳定的状态。记录下各个热电偶的温度值和实验的其它参数，取三个温度测试点的平均值作为温度测试结果。

　　3热电制冷器散热性能实验测试结果与分析3.1热电制冷器不同功率下的冷端温度环境温度26C，恒温槽供液温度为26C，当热源供电电压为30V，电流1.2A，总功耗36W，热流密度为16W/cm2时，调节热电制冷器供电电流，改变热电制冷功率，测试冷端温度（热源表面温度）。

　　从中可看出，热电制冷器功率为58.7W时，热源表面温度低，控制在85C以内，当热电制冷器功率增大后，冷端温度（热源表面温度）反而上升。

　　实验测试结果表明热电制冷器的热端散热能力―定的情况下，热源表面温度与热电制冷器功率不是线性关系，存在优功率值。这是因为，当热电制冷器功率超过58.7W后，热电制冷器在制冷的过程中，自身产生大量的焦耳热，造成热源温度升高；当热电制冷器功率低于58.7W时，制冷量又不能满足热源散热要求，所以温度超过了85C.因而，对电子设备芯片冷却时，应根据不同的芯片发热功耗，热端散热能力，调节热电制冷器工作电流，确定热电制冷器优功率，达到优的散热性能。

　　3.2热电制冷器不同功率下的热端温度环境温度26C，液冷散热器供液温度为26C，当热源供电电压为30V，电流1.2A，总功耗36W，热流密度为16W/cm2时，调节热电制冷器供电电流，改变热电制冷功率，测试热电制冷器热端温度。

　　从中可以看出，热电制冷器的热端温度随功率增加而升高。当功率大于优功率58.7W后，温度快速升高。

　　实验测试结果表明热电制冷器的热端散热能力―定的情况下，当电流增大超过优功率58.7W后，热电制冷器的降温效果在逐渐减弱，热电制冷器自身产生的焦耳热增加，对热源散热不利，热端温度快速升高，容易对热电制冷器造成损坏，使散热系统失效。

　　4结论通过建立热电制冷器实验测试系统，测试热电制冷器在不同功率下的散热性能，得到以下结论：应用热电制冷技术，在环境温度下可以将热流密度16W/cm2的芯片温度控制在85C以内，可以满足高功耗商业档芯片的散热需求。

　　热电制冷器的功率与散热性能密切相关，热电制冷器并不是功率越高散热能力越好，热电制冷器在使用过程中根据热源功耗及热端散热能力的不同存在优功率。

　　3）当超过热电制冷器优功率后热电制冷器产生的焦耳热增加，热电制冷器热端温度会快速升高，对热源散热不利，容易对热电制冷器造成损坏，使散热系统失效。

　　是：硬度值普遍较低；随着Al23体积分数的增加整体呈下降趋势。主要原因有：铜粉末与胶体颗粒的结合程度很有限；粉末颗粒没有得到有效的细化和均匀的混合；压制时保压时间短，块体中残留有空气；烧结试样存在被氧化的情况。所以粉末制备阶段，粉末混合阶段，粉末压制阶段以及粉末烧结阶段的实验好坏终决定了烧结后所得试样的各种物理性能。为了获得力学性能优良的复合材料，AI2O3颗粒以及铜粉末的颗粒应该越细越好，并且粉末应该分布均匀，无表面偏析，粉末形状应为球形。

　　表1硬度数据成分2.3EDS分析数据体积分数为2.5与3的复合材料的晶内与晶界的铝含量差异很大，晶界的铝含量比晶内的高，铝元素在晶界处发生偏聚有这样的趋势：随着氧化铝体积分数的增加，发生铝元素偏聚的趋势越大。体积分数为3的复合材料偏聚现象更明显。发生偏聚的主要原因是，粉末制备阶段所得的粉末成分不均。

　　表2 EDS数据体积分数SEM分析从可以看出，白色颗粒主要有三种形态：薄片状，颗粒状，针状。中看不到明显分布的白色相，只有少量呈层片状的白色相，从孔洞的侧壁上可看到其整体结构呈层状，这种结构通常使得复合材料（上接第124页）（4）热电制冷器相当于一个热泵，自身的散热仍然是关键问题，实验中热量终通过液冷散热器中的液体散失。热电制冷器可用于小空间不易安装液冷散热器的地方，可先通过热电制冷器将热量传递到液冷散热器上，解决小空间高热流密度芯片散热问题。