Forskning på nytt halvlederkjølesystem som bruker metallskum

Med den raske utviklingen av elektronisk integrasjonsteknologi beveger elektroniske enheter seg også mot miniatyrisering, lav vekt og intelligens. Miniatyriseringen av integrerte elektroniske enheter øker imidlertid effekttettheten mens varmespredningen også øker. Tradisjonelle kjøleteknologier har vært vanskelige å oppfylle kjølekravene. Derfor er det spesielt viktig å studere varmespredningen til elektroniske komponenter med høy varmeflukstetthet. I denne artikkelen er en luft-avkjølt varmeavledningsmetode foreslått, det vil si at på grunnlag av halvlederkjøleteknologi, kombinert med en skummetallradiator, utformes et kjølesystem og dets kjøleeffekt testes gjennom en eksperimentell modell.

1. Teoretisk grunnlag og forsøksapparat

Halvlederkjøleren er et varmeoverføringsverktøy. Når en strøm går gjennom et termoelementpar dannet av et stykke N--halvledermateriale og et stykke P--halvledermateriale, skjer varmeoverføring mellom de to endene, noe som resulterer i en temperaturforskjell til form de varme og kalde endene. Imidlertid har halvlederen i seg selv motstand, som genererer varme når strømmen går gjennom den, noe som påvirker varmeoverføringen. Varmen mellom de to platene gjennomgår også omvendt varmeoverføring gjennom luften og selve halvledermaterialet. Når de varme og kalde endene når en viss temperaturforskjell og de to varmeoverføringsmengdene er like, opphever varmeoverføringen forover og bakover hverandre, og temperaturen på den kalde og varme enden vil ikke fortsette å endre seg. Derfor, for å oppnå en lavere temperatur, kan metoder som varmespredning brukes for å redusere temperaturen på den varme enden.

Metallskum er et porøst metallmateriale med en porøsitet på mer enn 90 prosent og en viss styrke og stivhet. Denne typen metallmateriale har høy luftpermeabilitet, stor poreoverflate og liten materialtetthet. Når luftstrømmen passerer gjennom, har den et stort kontaktareal, noe som bidrar til varmeveksling.

Kjøling er realisert av halvlederkjøleark. Tatt i betraktning at den kalde overflaten til halvlederkjøleplaten ikke kan være i direkte kontakt med varmeavledningsobjektet, og den naturlige konveksjonsvarmeoverføringseffekten til den kalde overflaten på den kalde overflaten til luften ikke er signifikant, er den festet til skummetallet. overflate for å øke varmevekslingen. område, for å oppnå effekten av å styrke utvekslingen av kald energi. Den kjølende halvlederen og skummetallet er bundet sammen med silikonfett for å redusere den termiske kontaktmotstanden. En del av luftstrømmen tar bort kjøleenergien, danner kald luft og sprer varme til målet, og den varme overflaten tas også bort av luftstrømmen og slippes ut i miljøet.

Eksperimentet bruker kryss-tilkoblede doble luftkanaler, hvorav den ene brukes til å eksportere kald luft og den andre brukes til å eksportere varm luft. Koble til viftene ved inngangen til kald- og varmluftkanalene for å gi luftstrøm, og la de nødvendige målehullene og installasjonshullene være igjen når du behandler luftkanalene.

Når kjølehalvlederen aktiveres, genereres en temperaturforskjell, luftstrømmen gjennom den kalde overflaten avkjøles til kald luft, og luftstrømmen gjennom den varme overflaten kjøler den ned og slippes ut fra varmluftkanalen. Jo lavere temperatur på den varme siden og jo lavere temperatur på den kalde siden, desto bedre kjøleeffekt. Det er 4 symmetriske temperaturmålepunkter (angitt som T5, T6, T7, T8 i forsøket, enhetsgrad ) ved utløpet av kaldluftkanalen, og 4 vindmålere er anordnet symmetrisk for å måle utløpsluftens temperatur, mens inntaksluften temperaturen bestemmes av omgivelsestemperaturen. Installer et vindmåler for å måle vindhastigheten ved utgangen. I tillegg er overflaten av skummetallet i kontakt med halvlederens kalde overflate arrangert med 4 målepunkter symmetriske i midten, og 4 termoelementer er punktsveiset på kobberplaten for å måle temperaturen på kobberplaten sveiset på bunnflaten. av skummetallet, som samles inn av Keishleys datainnsamlingssystem. , samlet 100 ganger og gjennomsnittlig henholdsvis (registrert som T1, T2, T3, T4 i eksperimentet, enhetsgrad ), brukt til å beregne den relative varmeoverføringskoeffisienten for kjøling.

De numeriske simuleringsresultatene av kaldluftkanaltemperaturfeltet til denne modellen: omgivelsestemperaturen er 298K (25 grader), og i den simulerte kaldluftkanalen på 400mm*100mm*40mm fungerer halvlederkjølebrikken under nominelle forhold på 12V og 6A, og skummetallmaterialet er kobber. , størrelsen er 100mm*100mm*40mm, og den er 5 ppi. Den teoretiske effekten av kjøling kan bekreftes fra resultatene.

2. Den eksperimentelle prosessen

2.1 Eksperimentelt utstyr

1 plexiglass tverrluftkanal, 2 alle-kobberkjerne 80W hastighet-regulerte sentrifugalvifter, kjølehalvleder (klassifisert arbeidstilstand 12V, 6A) 50 mm*50 mm, 2 elektroniske vindmålere, 4 elektroniske vindmålere, 1 glass termometerstøtter, flere kobberskummetall, PC, kobberkonstant termoelement, isflaske, Keishiley 2700 datainnsamlingssystem, datainnsamlingskort, lineær stabilisert strømforsyning, etc.

2.3 Eksperimentelle trinn

Bygg en prøvebenk i henhold til designet, og les romtemperaturen Ts ( grad ), som er 26,5 grader .

Viften drives av en 220V strømforsyning, og kjølehalvlederen drives av en lineær spenningsstabilisert strømforsyning.

Hold vindhastigheten V2 til varmluftkanalviften uendret, juster arbeidsspenningen U eller strømmen I til kjølehalvlederen, juster vindhastigheten V1 til kaldluftkanalviften, og les T1~T8 etter tur; endre deretter V2, juster arbeidsspenningen eller strømmen til kjølehalvlederen, og juster kaldluftkanalen. Viftevindhastighet V1, les T1~T8 i rekkefølge; gjenta som ovenfor, der V2 er 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 er henholdsvis {{20}}.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2,5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, (U, I) er henholdsvis (1.4V, 1) .0A) , (3.1V, 2.0A), (46V, 3.{{50}}A), (6.3V, 4.0A), ( 8,2V, 5,0A).

Gjennomsnittstemperaturen ved utløpet av kaldluftkanalen Tb=(T5 pluss T6 pluss T7 pluss T8)/4, gjennomsnittstemperaturen til metallskumbunnen av kobberplaten i kontakt med halvlederens kalde overflate Ta{{6 }}(T1 pluss T2 pluss T3 pluss T4)/4; ved hjelp av formelen h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, beregner kjøleeffekten Q og den relative varmeoverføringskoeffisienten h, der venstre side av ligningen er den kalde overflatens varmeoverføringseffekt, og høyre side er kjøleeffekten beregnet ved luftkjøling. S – arealet av bunnoverflaten av metallskummet, ΔTa=Ts-Ta, h er den faktiske varmeoverføringskoeffisienten med S som varmeoverføringsarealet, Cp er luftens spesifikke varme ved romtemperatur, ta 1.004KJ/

Fra figur 2 til figur 4, ettersom vindhastigheten til kaldluftkanalen er lavere, er utløpsluftens temperatur lavere, og kjøleeffekten er bedre. Jo høyere kraft kjøleplaten er, desto lavere er lufttemperaturen ved utløpet av kaldluftkanalen, men når effekten når maksimum i forsøket vil lufttemperaturen ved utløpet av kaldluftkanalen øke igjen, pga. varmespredningsforholdene til den varme overflaten er begrenset, temperaturen stiger, og temperaturen på den kalde overflaten er tilsvarende. plukke opp.

Siden forsøket er påvirket av instrumenter og miljø, selv om kurven svinger til en viss grad, er den overordnede konklusjonen at med økningen av vindhastigheten V2 til varmluftkanalen, vil lufttemperaturen Tb ved utløpet av kaldluftkanalen. avtar, og kjøleeffekten er god.

Gjennom beregningen av de eksperimentelle dataene kan den faktiske varmeoverføringskoeffisienten h til den kalde overflaten med S som varmevekslingsareal, kjøleeffekten Q og kjølehalvledereffekten W oppnås. Dataanalysen viser at ved kun endring av vindhastighet og strømning ved utløpet av kaldluftkanalen, dvs. q øker, øker utløpsluftens temperatur og kjøleeffekten Q øker; når kun kjølehalvledereffekten endres, det vil si at W øker, avtar utlufttemperaturen og kjøleeffekten synker. Effekten Q øker; når kun vindhastigheten til varmluftkanalen endres, det vil si at V2 øker, utluftstemperaturen synker og kjøleeffekten Q øker. Den faktiske varmeoverføringskoeffisienten h for den kalde overflaten med S som varmevekslingsareal, h øker med økningen av V1, og øker med økningen av V2; men når den kjølende halvledereffekten W øker, avtar h gradvis.

I eksperimentet blir den høyeste verdien av kjøleeffekt Q målt i tilstanden V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, som beviser at kjøleeffekten må vurdere om varmespredningsforholdene oppfyller tilsvarende effekt og luftstrømkvalitet. Strømningsstørrelse, kjølevindhastighet og andre faktorer.

3. Konklusjon

I denne artikkelen er det utformet en eksperimentell prototype som bruker et halvlederkjølesystem av skummetall. I henhold til eksperimentelle resultater og statistisk analyse av dataene trekkes følgende konklusjoner:

(1) Under de samme forholdene, jo lavere vindhastigheten i kald luft er, desto lavere er utløpslufttemperaturen; jo høyere den elektriske kraften til kjølehalvlederen er, jo lavere er utløpslufttemperaturen; vindhastigheten i varmluftkanalen øker, og temperaturen på utløpsluften i kaldluftkanalen synker.

(2) Under de samme forholdene øker utløpsvindhastigheten til kaldluftkanalen, utløpslufttemperaturen øker og kjølekraften Q øker; den kalde halvledereffekten W øker, utløpsluftens temperatur synker og kjøleeffekten øker; varmluftskanalens vindhastighet øker, utløpsluftens temperatur synker, kjøleeffekten øker.

(3) Den faktiske varmeoverføringskoeffisienten h for den kalde overflaten med S som varmevekslingsarealet øker med økningen av V1, og øker med økningen av V2; kraften til kjølehalvlederen øker, og h avtar gradvis.

(4) For lavere kjøleeffekt, velg lavere kaldlufthastighet, høyere varmlufthastighet og elektrisk kraft; for høyere kjøleeffekt, velg høyere kaldlufthastighet og varmlufthastighet, og høyere elektrisk kraft.