热电制冷应用于CPU散热的仿真研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着电子技术的快速发展，cpu 的散热问题成为制约其发展的瓶颈，热电制冷具有结构紧凑，噪音低、可精确温控等优点，在 cpu 散热上具有极大的应用价值。

随着微电子技术的发展，电子芯片呈小型化，高集成度方向发展。高集成度使芯片的功耗越来越大，据统计，一些电子器件表面的热流密度已超过 1106w/m2，而电子器件需要一个可靠的工作温度，有研究表明，如果电子器件的工作温度升高10℃，其可靠性则会下降一半；温度越高，电子器件越容易失效，如果芯片温度从 75℃增加 10~20℃，其故障率也将增加一倍，对于硅芯元件，温度如果超过 170℃，器件也将彻底损坏[2]。大部分情况，电子器件的接点温度最高不能超过 85℃。这对传统的风冷、液冷等被动式散热技术提出了严峻的挑战。

科学技术的飞速发展，对计算机性能和图形处理能力的要求也越来越高，这要求 cpu 具有更快的运行速度，目前电脑 cpu 的运行频率最高可达到5ghz以上。1971 年，intel 推出第一代微处理器的晶体管数目大约为 2000 个，到 1993 年推出第五代微处理器 pentium，集成的晶体管数目大约为 310 万个，再到 2005 年推出的双核奔腾 d 处理器，其晶体管数目已高达 2.3 亿个。而如今，一些微处理器芯片包含的晶体管数目已超过 100 亿个。如此多的晶体管集成在一起，将产生极大的热流量。因此，电脑 cpu 的散热问题已成为目前电脑产业和市场的焦点，我们知道，电脑 cpu 温度需在设计范围内才能保证电脑稳定运行，如果 cpu 的工作温度超过其临界温度，电脑会就出现死机等问题。目前，台式机 cpu 主流的散热方式是热管散热，但这种散热方式已逐渐不能满足 cpu 的散热要求。

2. 研究的基本内容与方案

学习热力学与流体力学基础知识，学习flotherm软件基础操作知识与pcb建模知识。了解现有主流cpu的尺寸与热设计功耗，比较主流散热方案：风冷热沉散热，热管散热，液冷散热的与热电散热的优缺点。

学习热电制冷的基本原理，包括帕尔贴效应，塞贝克效应和焦耳发热效应，分析影响散热的各个因数，通常，热电冷却系统的性能在很大程度上取决于热电模块的物理参（塞贝克系数α，热导率κ和电导率σ）。通常采用无因次的品质因数zt来表示材料特性对热电的影响，分析各个效应对散热效果的影响。

应用webparts建立热电散热器模型，tec增强系统的配置，其中tec夹在处理 器和风扇却散热器之间，tec的冷侧连接到处理器，热侧连接到散热器。在冷侧和处理器之间的接口以及热侧和散热器之间的接口处应用了一些热界面材料(tim)。导入flotherm软件进行仿真分析。调节cpu热设计功耗，分析冷端温度散热效果的影响；调整tec模型尺寸，工作电流，电偶对数，分析物理参数对散热效果的的影响；调整热端温度，分析环境因素对散热效果的影响。

3. 研究计划与安排

第一周-第三周：阅读相关文献，完成开题报告；

第四周-第十三周：对热电制冷的工作特性进行仿真研究，确定热端散热强度、工作电流、工作热负荷等工况参数对实际热电制冷系统性能的关系；

第十四周-第十六周：撰写论文；

4. 参考文献（12篇以上）

1. 阚超, 热电制冷应用于cpu散热的数值模拟研究, 2015, 华中科技大学.

2. 李波，flotherm软件基础与应用实例，北京：中国水利水电出版社, 2016.07.

3. cai, y., et al., thermoelectric cooling technology applied in the field of electronic devices: updated review on the parametric investigations and model developments. applied thermal engineering, 2019. 148: p. 238-255.