Výzkum nového polovodičového chladicího systému využívajícího kovovou pěnu

S rychlým rozvojem technologie elektronické integrace se také elektronická zařízení posouvají směrem k miniaturizaci, nízké hmotnosti a inteligenci. Miniaturizace integrovaných elektronických zařízení však zvyšuje hustotu výkonu a zároveň se zvyšuje odvod tepla. Tradiční technologie chlazení bylo obtížné splnit požadavky na chlazení. Proto je zvláště důležité studovat rozptyl tepla elektronických součástek s vysokou hustotou tepelného toku. V tomto článku je navržena vzduchem-chlazená metoda odvodu tepla, to znamená, že na základě technologie polovodičového chlazení v kombinaci s pěnovým kovovým radiátorem je navržen chladicí systém a jeho chladicí účinek je testován pomocí experimentálního Modelka.

1. Teoretický základ a experimentální zařízení

Chladič polovodičů je nástroj pro přenos tepla. Když proud prochází termočlánkovým párem tvořeným kouskem polovodičového materiálu typu N- a kouskem polovodičového materiálu typu P-, dochází k přenosu tepla mezi dvěma konci, což má za následek teplotní rozdíl tvoří teplé a studené konce. Polovodič sám o sobě má ale odpor, který při průchodu proudu vytváří teplo, které ovlivňuje přenos tepla. Teplo mezi oběma deskami také prochází zpětným přenosem tepla vzduchem a samotným polovodičovým materiálem. Když horký a studený konec dosáhnou určitého teplotního rozdílu a obě množství přenosu tepla jsou stejná, dopředný a zpětný přenos tepla se navzájem vyruší a teplota studeného a horkého konce se nebude dále měnit. Proto, aby se dosáhlo nižší teploty, lze ke snížení teploty horkého konce použít metody, jako je odvod tepla.

Kovová pěna je porézní kovový materiál s porézností více než 90 procent a určitou pevností a tuhostí. Tento typ kovového materiálu má vysokou propustnost pro vzduch, velký povrch pórů a malou objemovou hustotu materiálu. Když proudí vzduch, má velkou kontaktní plochu, která přispívá k výměně tepla.

Chlazení je realizováno polovodičovou chladicí deskou. Vzhledem k tomu, že studený povrch polovodičového chladicího plechu nemůže být v přímém kontaktu s předmětem rozptylujícím teplo a účinek přirozeného přenosu tepla prouděním studeného povrchu studeného povrchu do vzduchu není významný, je připevněn k pěnovému kovu. povrch pro zvýšení výměny tepla. oblasti, k dosažení efektu posílení výměny chladové energie. Chladicí polovodič a pěnový kov jsou spojeny silikonovým mazivem pro snížení kontaktního tepelného odporu. Část proudu vzduchu odebírá chladící energii, tvoří studený vzduch a odvádí teplo k cíli, a horký povrch je prouděním vzduchu také odváděn a vypouštěn do okolí.

Experiment využívá křížově{0}}propojené dvojité vzduchové kanály, z nichž jeden se používá k exportu studeného vzduchu a druhý se používá k exportu horkého vzduchu. Připojte ventilátory ke vstupu do potrubí studeného a horkého vzduchu, aby bylo zajištěno proudění vzduchu, a při zpracování vzduchovodů ponechte potřebné měřicí otvory a instalační otvory.

Když je chladicí polovodič pod napětím, vzniká teplotní rozdíl, proud vzduchu skrz studený povrch se ochlazuje, aby se stal studeným vzduchem, a proud vzduchu přes horký povrch ho ochlazuje a je odváděn z potrubí horkého vzduchu. Čím nižší je teplota horké strany a čím nižší je teplota studené strany, tím lepší je chladicí účinek. Na výstupu z potrubí studeného vzduchu jsou 4 symetrické měřicí body teploty (v experimentu označené jako T5, T6, T7, T8, jednotka stupeň ) a 4 anemometry jsou symetricky uspořádány pro měření teploty výstupního vzduchu, zatímco vstupní vzduch teplota je určena okolní teplotou. Nainstalujte anemometr pro měření rychlosti větru u východu. Kromě toho je povrch pěnového kovu v kontaktu se studeným polovodičovým povrchem uspořádán se 4 měřicími body symetrickými uprostřed a na měděné desce jsou bodově navařeny 4 termočlánky pro měření teploty měděné desky navařené na spodním povrchu. pěnového kovu, který je shromažďován systémem sběru dat Keishley. , shromážděné 100krát a zprůměrované v tomto pořadí (zaznamenané jako T1, T2, T3, T4 v experimentu, jednotka stupně ), použité k výpočtu relativního koeficientu přestupu tepla chlazení.

Výsledky numerické simulace teplotního pole kanálu studeného vzduchu tohoto modelu: okolní teplota je 298 K (25 stupňů) a v simulovaném kanálu studeného vzduchu 400 mm * 100 mm * 40 mm pracuje polovodičový chladicí čip za jmenovitých podmínek 12 V a 6A a pěnovým kovovým materiálem je měď. , velikost je 100 mm * 100 mm * 40 mm a je 5 ppi. Z výsledků lze potvrdit teoretický efekt chlazení.

2. Experimentální proces

2.1 Experimentální zařízení

1 příčné vzduchové potrubí z plexiskla, 2 celo-měděné jádro 80W rychlost-regulované radiální ventilátory, chladící polovodič (jmenovitý pracovní stav 12V, 6A) 50mm*50mm, 2 elektronické anemometry, 4 elektronické anemometry, 1 sklo Podpěry teploměru, několik měděných pěnových kovů, PC, měděný konstantní termočlánek, láhev s ledem, systém sběru dat Keishiley 2700, karta pro sběr dat, lineární stabilizovaný napájecí zdroj atd.

2.3 Experimentální kroky

Postavte zkušební stolici podle návrhu a odečtěte pokojovou teplotu Ts ( stupeň ), což je 26,5 stupně.

Ventilátor je poháněn 220V zdrojem a chladící polovodič je napájen lineárním napěťově stabilizovaným zdrojem.

Udržujte rychlost větru V2 ventilátoru horkého vzduchu nezměněnou, upravte pracovní napětí U nebo proud I chladicího polovodiče, upravte rychlost větru V1 ventilátoru potrubí studeného vzduchu a postupně odečtěte T1~T8; poté změňte V2, upravte pracovní napětí nebo proud chladicího polovodiče a upravte vedení studeného vzduchu. Rychlost větru ventilátoru V1, čtěte postupně T1~T8; opakujte jako výše, kde V2 je 0,5 m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 je {{20}},5 m/s, respektive 1.0m/s, 1,5 m/s, 2.{{31 }}m/s, 2,5 m/s, 3.0m/s, 3,5 m/s, 4.0m/s, (U, I) jsou v tomto pořadí (1,4 V, 1 .0A) , (3,1V, 2.0A), (46V, 3.{{50}}A), (6,3V, 4,0A), ( 8,2 V, 5,0 A).

Průměrná teplota na výstupu z kanálu studeného vzduchu Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, průměrná teplota spodní měděné desky z kovové pěny v kontaktu se studeným povrchem polovodiče Ta{{6 }}(T1 plus T2 plus T3 plus T4)/4; podle vzorce h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb vypočítejte chladicí výkon Q a relativní součinitel prostupu tepla h, kde levá strana rovnice je výkon přenosu tepla studeného povrchu a pravá strana je chladicí výkon vypočítaný chlazením vzduchem. S – plocha spodního povrchu kovové pěny, ΔTa=Ts{15}}Ta, h je skutečný součinitel prostupu tepla, přičemž S je plocha přenosu tepla, Cp je měrné teplo vzduchu při pokojová teplota, odběr 1,004 kJ/

Jak ukazuje obrázek 2 až obrázek 4, jak je rychlost větru kanálu studeného vzduchu nižší, teplota výstupního vzduchu je nižší a chladicí účinek je lepší. Čím vyšší je výkon chladicí desky, tím nižší je teplota vzduchu na výstupu z potrubí studeného vzduchu, ale když výkon dosáhne maxima v experimentu, teplota vzduchu na výstupu z potrubí studeného vzduchu se opět zvýší, protože podmínky rozptylu tepla horkého povrchu jsou omezené, teplota stoupá a tomu odpovídá teplota studeného povrchu. vyzvednout.

Vzhledem k tomu, že experiment je ovlivněn přístroji a prostředím, i když křivka do určité míry kolísá, celkový závěr je takový, že s nárůstem rychlosti větru V2 horkovzdušného potrubí se teplota vzduchu Tb na výstupu z potrubí studeného vzduchu zvyšuje. klesá a chladicí účinek je dobrý.

Prostřednictvím výpočtu experimentálních dat lze získat skutečný součinitel prostupu tepla h studeného povrchu s S jako teplosměnnou plochou, chladicím výkonem Q a chladicím polovodičovým výkonem W. Analýza dat ukazuje, že pouze při změně rychlosti a proudění větru na výstupu z potrubí studeného vzduchu, tj. q se zvyšuje, se zvyšuje teplota výstupního vzduchu a zvyšuje se chladicí výkon Q; když se změní pouze výkon chladicího polovodiče, to znamená, že se zvýší W, sníží se teplota výstupního vzduchu a sníží se výkon chlazení. Výkon Q se zvyšuje; když se změní pouze rychlost větru horkovzdušného potrubí, to znamená, že se zvýší V2, sníží se teplota výstupního vzduchu a zvýší se chladicí výkon Q. Skutečný součinitel prostupu tepla h studeného povrchu s S jako teplosměnnou plochou h roste s nárůstem V1 a zvyšuje se s nárůstem V2; ale když se výkon chladícího polovodiče W zvýší, h postupně klesá.

V experimentu je naměřena nejvyšší hodnota chladicího výkonu Q ve stavu V2=3m/s, U=6,3V, I=4A, V1=4 m/s, což dokazuje, že chladicí výkon je potřeba komplexně zvažovat, zda podmínky odvodu tepla splňují odpovídající výkon a kvalitu proudění vzduchu. Velikost průtoku, rychlost chladicího větru a další faktory.

3. Závěr

V tomto článku je navržen experimentální prototyp využívající pěnový kovový polovodičový chladicí systém. Na základě experimentálních výsledků a statistické analýzy dat jsou vyvozeny následující závěry:

(1) Za stejných podmínek, čím nižší je rychlost větru studeného vzduchu, tím nižší je teplota výstupního vzduchu; čím vyšší je elektrický výkon chladicího polovodiče, tím nižší je teplota výstupního vzduchu; rychlost větru z potrubí horkého vzduchu se zvyšuje a teplota výstupního vzduchu z potrubí studeného vzduchu klesá.

(2) Za stejných podmínek se zvyšuje výstupní rychlost větru z potrubí studeného vzduchu, zvyšuje se teplota výstupního vzduchu a zvyšuje se chladicí výkon Q; výkon studeného polovodiče W se zvýší, teplota výstupního vzduchu se sníží a výkon chlazení se zvýší; rychlost větru v potrubí horkého vzduchu se zvyšuje, teplota výstupního vzduchu se snižuje, chladicí výkon se zvyšuje.

(3) Skutečný součinitel prostupu tepla h studeného povrchu s S jako teplosměnná plocha se zvětšuje s nárůstem V1 a zvyšuje se s nárůstem V2; výkon chladicího polovodiče se zvyšuje a h postupně klesá.

(4) Pro nižší chladicí výkon zvolte nižší rychlost studeného vzduchu, vyšší rychlost horkého vzduchu a elektrický výkon; pro vyšší chladicí výkon zvolte vyšší rychlost studeného vzduchu a rychlost horkého vzduchu a vyšší elektrický výkon.