Forskning i nyt halvlederkølesystem ved hjælp af metalskum

Med den hurtige udvikling af elektronisk integrationsteknologi bevæger elektroniske enheder sig også mod miniaturisering, lav vægt og intelligens. Miniaturiseringen af ​​integrerede elektroniske enheder øger imidlertid effekttætheden, mens varmeafgivelsen også stiger. Traditionelle køleteknologier har været svære at opfylde kølekravene. Derfor er det særligt vigtigt at studere varmeafgivelsen af ​​elektroniske komponenter med høj varmefluxtæthed. I denne artikel foreslås en luftkølet varmeafledningsmetode, dvs. på basis af halvlederkøleteknologi kombineret med en skummetalradiator, designes et kølesystem, og dets køleeffekt testes gennem en eksperimentel model.

1. Teoretisk grundlag og forsøgsapparat

Halvlederkøleren er et varmeoverførselsværktøj. Når en strøm passerer gennem et termoelementpar dannet af et stykke halvledermateriale af N-type og et stykke halvledermateriale af P-type, sker der varmeoverførsel mellem de to ender, hvilket resulterer i en temperaturforskel til danne de varme og kolde ender. Selve halvlederen har dog modstand, som genererer varme, når strømmen går igennem den, hvilket påvirker varmeoverførslen. Varmen mellem de to plader gennemgår også omvendt varmeoverførsel gennem luften og selve halvledermaterialet. Når de varme og kolde ender når en vis temperaturforskel, og de to varmeoverførselsmængder er ens, ophæver den fremadgående og omvendte varmeoverførsel hinanden, og temperaturen i de kolde og varme ender vil ikke fortsætte med at ændre sig. Derfor, for at opnå en lavere temperatur, kan metoder såsom varmeafledning bruges til at reducere temperaturen i den varme ende.

Metalskum er et porøst metalmateriale med en porøsitet på mere end 90 procent og en vis styrke og stivhed. Denne type metalmateriale har høj luftpermeabilitet, stort poreoverfladeareal og lille materialefylde. Når luftstrømmen passerer igennem, har den et stort kontaktareal, hvilket er befordrende for varmeveksling.

Køling realiseres af halvlederkøleplade. I betragtning af, at den kolde overflade af halvlederkølepladen ikke kan være i direkte kontakt med varmeafledningsobjektet, og den naturlige konvektionsvarmeoverførselseffekt af den kolde overflade af den kolde overflade til luften ikke er signifikant, er den fastgjort til skummetal. overflade for at øge varmeudvekslingen. område, for at opnå effekten af ​​at styrke udvekslingen af ​​kold energi. Den kølende halvleder og skummetal er bundet af silikonefedt for at reducere den termiske kontaktmodstand. En del af luftstrømmen fjerner køleenergien, danner kold luft og afgiver varme til målet, og den varme overflade tages også væk af luftstrømmen og ledes ud i miljøet.

Forsøget bruger krydsforbundne dobbelte luftkanaler, hvoraf den ene bruges til at eksportere kold luft og den anden bruges til at eksportere varm luft. Tilslut ventilatorerne ved indgangen til kold- og varmluftkanalerne for at give luftgennemstrømning, og efterlad de nødvendige målehuller og installationshuller ved behandling af luftkanalerne.

Når kølehalvlederen aktiveres, genereres en temperaturforskel, luftstrømmen gennem den kolde overflade afkøles til kold luft, og luftstrømmen gennem den varme overflade køler den ned og udledes fra varmluftkanalen. Jo lavere temperatur på den varme side og jo lavere temperatur på den kolde side, jo bedre køleeffekt. Der er 4 symmetriske temperaturmålepunkter (betegnet som T5, T6, T7, T8 i forsøget, enhedsgrad ) ved udløbet af koldluftkanalen, og 4 vindmålere er anbragt symmetrisk for at måle udgangsluftens temperatur, mens indblæsningsluften temperaturen bestemmes af den omgivende temperatur. Installer et vindmåler til at måle vindhastigheden ved udgangen. Derudover er overfladen af ​​skummetal i kontakt med halvlederens kolde overflade arrangeret med 4 målepunkter symmetriske i midten, og 4 termoelementer er punktsvejset på kobberpladen for at måle temperaturen på kobberpladen, der er svejset på bundfladen. af skummetalet, som indsamles af Keishleys dataopsamlingssystem. , indsamlet 100 gange, og gennemsnittet henholdsvis (registreret som T1, T2, T3, T4 i eksperimentet, enhedsgrad ), brugt til at beregne den relative varmeoverførselskoefficient for køling.

De numeriske simuleringsresultater af koldluftkanaltemperaturfeltet i denne model: omgivelsestemperaturen er 298K (25 grader), og i den simulerede koldluftkanal på 400mm*100mm*40mm fungerer halvlederkølechippen under de nominelle forhold på 12V og 6A, og skummetalmaterialet er kobber. , størrelsen er 100mm*100mm*40mm, og den er 5 ppi. Den teoretiske effekt af køling kan bekræftes ud fra resultaterne.

2. Den eksperimentelle proces

2.1 Eksperimentelt udstyr

1 plexiglas tværluftkanal, 2 alle-kobberkerne 80W hastighed-regulerede centrifugalventilatorer, kølende halvleder (nomineret arbejdstilstand 12V, 6A) 50 mm*50 mm, 2 elektroniske vindmålere, 4 elektroniske vindmålere, 1 glas termometerstøtter, flere kobberskummetal, PC, kobberkonstant termoelement, isflaske, Keishiley 2700 dataopsamlingssystem, dataopsamlingskort, lineær stabiliseret strømforsyning, osv.

2.3 Eksperimentelle trin

Byg en prøvebænk efter designet, og aflæs rumtemperaturen Ts (grad), som er 26,5 grader.

Ventilatoren drives af en 220V strømforsyning, og kølehalvlederen drives af en lineær spændingsstabiliseret strømforsyning.

Hold vindhastigheden V2 for varmluftkanalventilatoren uændret, juster arbejdsspændingen U eller strøm I for kølehalvlederen, juster vindhastigheden V1 for koldluftkanalventilatoren, og læs T1~T8 på skift; skift derefter V2, juster arbejdsspændingen eller strømmen af ​​kølehalvlederen, og juster koldluftkanalen. Ventilatorvindhastighed V1, læs T1~T8 i rækkefølge; gentag som ovenfor, hvor 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).

Gennemsnitstemperaturen ved udløbet af koldluftkanalen Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, gennemsnitstemperaturen af ​​metalskumbundens kobberplade i kontakt med halvlederens kolde overflade Ta{{6 }}(T1 plus T2 plus T3 plus T4)/4; ved hjælp af formlen h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, beregn køleeffekten Q og den relative varmeoverførselskoefficient h, hvor venstre side af ligningen er den kolde overflades varmeoverførselseffekt, og højre side er køleeffekten beregnet ved luftkøling. S – arealet af metalskummets bundflade, ΔTa=Ts-Ta, h er den faktiske varmeoverførselskoefficient med S som varmeoverførselsarealet, Cp er luftens specifikke varme ved stuetemperatur, tag 1.004KJ/

Fra figur 2 til figur 4, da vindhastigheden af ​​koldluftkanalen er lavere, er udgangslufttemperaturen lavere, og køleeffekten er bedre. Jo højere effekt kølepladen er, jo lavere er lufttemperaturen ved udløbet af koldluftkanalen, men når effekten når maksimum i forsøget, vil lufttemperaturen ved udløbet af koldluftkanalen stige igen, pga. varmeafledningsforholdene for den varme overflade er begrænsede, temperaturen stiger, og temperaturen på den kolde overflade er tilsvarende. Saml op.

Da forsøget er påvirket af instrumenter og miljø, selvom kurven svinger til en vis grad, er den overordnede konklusion, at med stigningen af ​​vindhastigheden V2 i varmluftkanalen vil lufttemperaturen Tb ved udløbet af koldluftkanalen. aftager, og køleeffekten er god.

Gennem beregningen af ​​de eksperimentelle data kan den aktuelle varmeoverførselskoefficient h for den kolde overflade med S som varmevekslingsareal, køleeffekten Q og kølehalvledereffekten W opnås. Dataanalysen viser, at når kun vindhastigheden og flowet ved udløbet af koldluftkanalen ændres, dvs. q stiger, stiger udgangslufttemperaturen og køleeffekten Q øges; når kun den kølende halvledereffekt ændres, det vil sige W stiger, afgangsluftens temperatur falder, og køleeffekten falder. Effekten Q øges; når kun varmluftkanalens vindhastighed ændres, det vil sige V2 stiger, afgangslufttemperaturen falder og køleeffekten Q øges. Den faktiske varmeoverførselskoefficient h for den kolde overflade med S som varmevekslingsarealet, h stiger med stigningen af ​​V1 og stiger med stigningen af ​​V2; men når den kølende halvledereffekt W stiger, falder h gradvist.

I eksperimentet måles den højeste værdi af køleeffekt Q i tilstanden V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, hvilket beviser, at køleeffekten skal nøje overveje, om varmeafledningsforholdene opfylder den tilsvarende effekt- og luftstrømskvalitet. Strømningsstørrelse, kølevindhastighed og andre faktorer.

3. Konklusion

I dette papir er der designet en eksperimentel prototype, der anvender et skummetal-halvlederkølesystem. Ifølge de eksperimentelle resultater og statistisk analyse af dataene drages følgende konklusioner:

(1) Under de samme forhold, jo lavere kold luftvindhastighed er, jo lavere er udgangslufttemperaturen; jo højere den elektriske effekt af kølehalvlederen er, jo lavere er udgangslufttemperaturen; varmluftkanalens vindhastighed øges, og koldluftkanalens udgangslufttemperatur falder.

(2) Under de samme forhold øges udgangsvindhastigheden af ​​koldluftkanalen, udgangslufttemperaturen stiger, og køleeffekten Q øges; den kolde halvledereffekt W stiger, udgangsluftens temperatur falder, og køleeffekten stiger; varmluftkanalens vindhastighed øges, udgangsluftens temperatur falder, køleeffekten øges.

(3) Den faktiske varmeoverførselskoefficient h for den kolde overflade med S som varmevekslingsarealet stiger med stigningen af ​​V1 og stiger med stigningen af ​​V2; kraften af ​​kølehalvlederen stiger, og h falder gradvist.

(4) For lavere køleeffekt skal du vælge lavere koldlufthastighed, højere varmlufthastighed og elektrisk effekt; for højere køleeffekt, vælg højere koldlufthastighed og varmlufthastighed og højere elektrisk effekt.