热电制冷的界面热-电输运特征及尺度效应的研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51506060
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0601.工程热力学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Chip enhanced cooling is the key science and technology problem of national major strategic needs. Thermoelectric cooling is one of the best cooling method. While the temperature difference of thermoelectric cooling abruptly decreased from macro to micro, therefore it is very difficult to use in chip cooling. Although there is research shows that it may be caused by contact thermal and electrical resistance of diffusion barrier, but the mechanism is not clearly now. So we plan to firstly study the interfacial thermo-electric transport process of thermoelectric cooling. Then, we establish the molecular dynamics-Interface Element-Finite Element thermal physical model according to the heat transfer form(heat diffusion and heat wave), interfacial contact effect, the heat generation and transfer characteristic of chip, the multi-scale analysis method is used to study the thermos-electric transport character of the thermal diffusion barrier. The square wave electric source is used to drive the thermoelectric module, the effect of interfacial contact thermal resistance, electrical resistance and dimension on the cooling performance are analyzed, especially in the coupling region of interfacial contact effect and the change of heat transfer form. It presents the interfacial thermo-electric transport process characters and scale effect of thermoelectric cooling, and reveal the suddenly change mechanism of micro thermoelectric cooling. This study provides the theoretical support for solving the thermal management problem of chip cooling, and make up the study blank about interfacial thermo-electric transport process of thermoelectric cooling. It is very important for increasing the reliability and lifetime of military and aerospace devices.
芯片强化冷却是面向国家重大战略需求的关键科学技术问题,热电制冷是冷却芯片的有效方式之一。然而从宏观到微观过渡时热电制冷温差骤降,使其在芯片冷却应用中困难重重,虽有研究指出此现象可能是由热扩散势垒区的电阻和热阻引起的,但相关机理尚不清楚。申请人拟从热电制冷界面热-电输运过程着手,基于热传输形式(热扩散和热波)、界面接触效应和芯片产热传热特性,构建基于分子动力学-界面元-有限元的热物理模型,运用多尺度分析方法,研究热扩散势垒区的热-电输运特性;采用变频方波电源驱动热电模块,分析界面接触热阻、电阻和尺寸对热电制冷性能的影响,尤其是界面接触效应和热传输形式变化的耦合区间;阐述热电制冷的界面热-电输运特性及尺度效应,揭示微尺度热电制冷温差骤降的机理。该研究为解决芯片冷却问题提供理论支撑,填补热电制冷界面热-电输运过程的相关研究空白,对提升我国军事、航空航天领域等设备的可靠性和寿命有重要实际意义。

结项摘要

芯片内/芯片间增强冷却是国家重大战略需求的关键科学技术问题,而热电制冷是芯片冷却的最好方式之一,但因微型热电制冷器集成封装冷却芯片时制冷温差骤降,使得实际应用中困难巨大。如果能揭示热电制冷从宏观到微观过渡区间性能转变规律,那么就可以指导微型热电制冷器的设计,为解决芯片冷却问题提供理论支撑。基于上述背景,本项目展开了以下三部分研究内容:(1)基于声子、电子的Boltzmann输运方程,建立热电制冷的界面热-电输运模型,分析垫垒层厚度对界面边界热阻和电阻的影响,进一步探讨界面效应对热电制冷性能的影响;并自主设计搭建了热电制冷器物性测试台,修正物性参数,使模型精度控制在5%以内。(2)通过耦合Boltzmann热输运和傅里叶导热,引入器件热物性参数关联接触热阻/电阻和边界热阻/电阻,建立了微型热电制冷器的仿真模型,运用多尺度分析方法,研究电子、声子输运对器件热物性参数的影响,分析了界面效应和尺度效应对其内部温度分布、制冷温差、制冷量和COP的影响,优化设计的微型热电制冷器冷却通量可达300 W/cm2;基于界面效应引起的器件物性参数变化,提出了一种分段结构的热电制冷器,可将热电制冷温差、制冷量和COP分别提高151.8%, 103.4%, 71.0%。(3)采用数值和实验方法研究了微型热电制冷器冷却芯片及热点的特性,分析了微尺度下的脉冲过冷效应,探索了冷却高热流密度热点的能力,提出了一种微接触形式,进一步降低热点冷却温度;并制定和实施了热电冷却芯片的温控策略,提出了热电冷却芯片凝露问题的解决方案。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(11)
专利数量(5)
Optimization design and experimental study of thermoelectric dehumidifier
热电除湿机优化设计及实验研究
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2017.05.172
  • 发表时间:
    2017-08
  • 期刊:
    Applied Thermal Engineering
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Yao Yu;Sun Yongjun;Sun Dongfang;Sang Ce;Sun Miao;Shen Limei;Chen Huanxin
  • 通讯作者:
    Chen Huanxin
A study on thermoelectric technology application in net zero energy buildings
热电技术在净零能耗建筑中的应用研究
  • DOI:
    10.1016/j.energy.2016.07.038
  • 发表时间:
    2016-10
  • 期刊:
    ENERGY
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Shen Limei;Pu Xiwang;Sun Yongjun;Chen Jiongde
  • 通讯作者:
    Chen Jiongde
The optimization design and parametric study of thermoelectric radiant cooling and heating panel
热电辐射制冷制热板优化设计及参数研究
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2016.10.094
  • 发表时间:
    2017-02
  • 期刊:
    Applied Thermal Engineering
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Shen Limei;Tu Zhilong;Hu Qiang;Tao Cheng;Chen Huanxin
  • 通讯作者:
    Chen Huanxin
驱动电源对热电模块制冷性能的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    制冷技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    何红;申利梅;陈焕新;张晓屿;涂志龙
  • 通讯作者:
    涂志龙
The real-time study of solar thermoelectric generator
太阳能热电发电机的实时研究
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2017.03.075
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    APPLIED THERMAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Sun Dongfang;Shen Limei;Yao Yu;Chen Huanxin;Jin Shiping;He Hong
  • 通讯作者:
    He Hong

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其他文献

影响热电制冷性能的关键因素及其分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    Infrared and Laser Engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    申利梅;陈焕新;张威;舒朝晖
  • 通讯作者:
    舒朝晖
基于热电冷却的集成散热装置的性能优化分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    低温工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    申利梅;陈焕新;汤魁;吕宙
  • 通讯作者:
    吕宙
主元分析用于多联式空调系统传感器故障检测和诊断
  • DOI:
    10.3969/j.issn.0253-4339.2017.03.076
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    制冷学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张弘韬;陈焕新;李冠男;申利梅;李绍斌;胡文举
  • 通讯作者:
    胡文举
基于融合聚类预处理和主元分析的传感器故障检测与诊断优化策略
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张弘韬;陈焕新;郭亚宾;李冠男;申利梅
  • 通讯作者:
    申利梅
结构与性能参数对单级半导体制冷器性能影响的数值分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    流体机械
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李爱博;陈焕新;申利梅;梅佩佩
  • 通讯作者:
    梅佩佩

其他文献

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申利梅的其他基金

热电薄膜制冷器的热-电传输调控及协同冷却特性研究
  • 批准号:
    52176007
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    58 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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