CCD芯片热电制冷的非稳态传热研究

　　热电制冷(或称半导体制冷)是基于帕尔帖效应的一种制冷技术^[1]。文献^[2]对其最新研究进展进行了全面的介绍。对于电子部件，尤其是高功率密度集成电路部件的制冷，热电制冷具有诸多突出的优点，如：结构简单、无活动部件、体积小、重量轻、抗震性能好、可靠性高、寿命长、无噪声、无污染、成本低、功耗低等。因此热电制冷技术对CCD芯片制冷来说是上佳的选择。

　　为了优化热电制冷系统的性能，科研人员进行了大量的研究工作。陈林根从理论上研究了热电制冷机性能^[3]。姬鹏先等人分析了热电制冷器的制冷工作特性、变工况特性和变电压特性^[4]。杨明伟等人基于等效电路模型数值仿真了环境温度、工作电流以及电流源等因素对TEC工作特性的影响^[5]。M.Yamanashi研究了散热器的热阻对TEC系统性能的影响以及系统参数的设计^[6]。H.J.Goldsmid总结前人的工作，分析了几条提高热电制冷系统的性能的途径^[7]。Marc Hodes详细分析了工作电流和节点温度对制冷片工作模式的影响^[8]。Robert A.Taylo提出通过优化热电制冷电偶单元的面长比和制冷电流来提高热电系统制冷性能^[9]。由于应用背景中系统尺寸和质量等方面条件限制，加上热负载较小，文中热电制冷系统采用自然对流散热方式。散热受限使得热电制冷系统一定时间内处于非稳态。李茂德教授等人对半导体制冷系统非稳态温度工况进行了系列研究^[10-12]。PJ Taylor对热电制冷的非稳态温度变化进行了模型分析和实验研究^[13]。这里对CCD热电制冷的几乎整个非稳态传热过程进行了仿真分析和实验研究，重点分析制冷电流与热沉散热能力对制冷效果的影响。

　　1 数值仿真分析

　　模型视热电制冷片为一个整体，没有考虑诸如制冷片材料热物性随温度的变化、附加传热温差、焊缝电阻、冷热面间的杂散热交换等因素。对仿真结果的分析重点探讨了热沉散热能力和制冷电流对制冷效果的影响。

　　1.1 分析模型

　　如文献^[8]、[13]中的分析，从能量守恒的角度对找出热电制冷模块中的热平衡方程。图1表示了制冷开启后制冷结构中热量流向。与热电制冷原理相关的主要效应有塞贝克效应、帕尔帖效应、焦耳效应和傅立叶效应等^[1]。QJ表示在整个制冷片内焦耳热，图中的两个箭头表示方程一种宏观示意，并非指QJ一半传向冷端，一半传向热端;QK表示总的傅立叶热，即由于温度梯度而产生的传导热流;Qph为热端释放的帕尔帖热。模型中的热负载由CCD芯片提供。