Forskning om nytt halvledarkylsystem med metallskum

Med den snabba utvecklingen av elektronisk integrationsteknologi går elektroniska enheter också mot miniatyrisering, lätt vikt och intelligens. Miniatyriseringen av integrerade elektroniska enheter ökar emellertid effekttätheten samtidigt som värmeavledningen också ökar. Traditionella kyltekniker har varit svåra att uppfylla kylkraven. Därför är det särskilt viktigt att studera värmeavledning av elektroniska komponenter med hög värmeflödestäthet. I detta dokument föreslås en luftkyld värmeavledningsmetod, det vill säga på basis av halvledarkylningsteknik, kombinerat med en skummetallradiator, designas ett kylsystem och dess kyleffekt testas genom en experimentell modell.

1. Teoretisk grund och experimentell anordning

Halvledarkylaren är ett värmeöverföringsverktyg. När en ström passerar genom ett termoelementpar bildat av ett stycke halvledarmaterial av N-typ och ett stycke av halvledarmaterial av P-typ, sker värmeöverföring mellan de två ändarna, vilket resulterar i en temperaturskillnad till bilda de varma och kalla ändarna. Halvledaren i sig har dock resistans, som genererar värme när strömmen passerar genom den, vilket påverkar värmeöverföringen. Värmen mellan de två plattorna genomgår också omvänd värmeöverföring genom luften och själva halvledarmaterialet. När de varma och kalla ändarna når en viss temperaturskillnad och de två värmeöverföringsmängderna är lika, tar den framåt och bakåtriktade värmeöverföringen ut varandra, och temperaturen i de kalla och varma ändarna kommer inte att fortsätta att förändras. Därför, för att uppnå en lägre temperatur, kan metoder såsom värmeavledning användas för att minska temperaturen på den varma änden.

Metallskum är ett poröst metallmaterial med en porositet på mer än 90 procent och en viss styrka och styvhet. Denna typ av metallmaterial har hög luftpermeabilitet, stor poryta och liten materialvolymdensitet. När luftflödet passerar genom har det en stor kontaktyta, vilket bidrar till värmeväxling.

Kylning realiseras av halvledarkylningsark. Med tanke på att den kalla ytan på halvledarkylplåten inte kan vara i direkt kontakt med värmeavledningsobjektet, och den naturliga konvektionsvärmeöverföringseffekten av den kalla ytan på den kalla ytan till luften inte är signifikant, är den fäst vid skummetallen ytan för att öka värmeväxlingen. område, för att uppnå effekten av att stärka utbytet av kall energi. Den kylande halvledaren och skummetallen är bundna med silikonfett för att minska den termiska kontaktmotståndet. En del av luftflödet tar bort kylenergin, bildar kall luft och leder bort värme till målet, och den varma ytan tas också bort av luftflödet och släpps ut i miljön.

Experimentet använder kors-anslutna dubbla luftkanaler, varav en används för att exportera kall luft och den andra används för att exportera varm luft. Anslut fläktarna vid ingången till kall- och varmluftskanalerna för att ge luftflöde, och lämna nödvändiga mäthål och installationshål vid bearbetning av luftkanalerna.

När kylhalvledaren strömförsörjs genereras en temperaturskillnad, luftflödet genom den kalla ytan kyls för att bli kall luft och luftflödet genom den varma ytan kyler ner den och släpps ut från varmluftskanalen. Ju lägre temperatur på den varma sidan och ju lägre temperatur på den kalla sidan, desto bättre kyleffekt. Det finns 4 symmetriska temperaturmätpunkter (betecknade som T5, T6, T7, T8 i experimentet, gradenhet) vid utloppet av kallluftskanalen, och 4 vindmätare är symmetriskt anordnade för att mäta utloppsluftens temperatur, medan inloppsluften temperaturen bestäms av den omgivande temperaturen. Installera en vindmätare för att mäta vindhastigheten vid utgången. Dessutom är ytan på skummetallen i kontakt med den kalla halvledarytan anordnad med 4 mätpunkter symmetriska i mitten, och 4 termoelement är punktsvetsade på kopparplattan för att mäta temperaturen på kopparplattan svetsad på bottenytan av skummetallen, som samlas in av Keishleys datainsamlingssystem. 100 gånger och medelvärde (registrerade som T1, T2, T3, T4 i experimentet, enhetsgrad ), användes för att beräkna den relativa värmeöverföringskoefficienten för kylning.

De numeriska simuleringsresultaten för kallluftskanaltemperaturfältet i denna modell: omgivningstemperaturen är 298K (25 grader), och i den simulerade kallluftskanalen på 400mm*100mm*40mm fungerar halvledarkylchipet under nominella förhållanden på 12V och 6A, och skummetallmaterialet är koppar. , storleken är 100mm*100mm*40mm, och den är 5 ppi. Den teoretiska effekten av kylning kan bekräftas av resultaten.

2. Den experimentella processen

2.1 Experimentell utrustning

1 plexiglas tvärluftkanal, 2 helt-kopparkärna 80W hastighet-reglerade centrifugalfläktar, kylande halvledare (märkt arbetstillstånd 12V, 6A) 50 mm*50 mm, 2 elektroniska vindmätare, 4 elektroniska vindmätare, 1 glas termometerstöd, flera kopparskummetall, PC, kopparkonstant termoelement, isflaska, Keishiley 2700 datainsamlingssystem, datainsamlingskort, linjär stabiliserad strömförsörjning, etc.

2.3 Experimentella steg

Bygg en testbänk enligt designen och läs av rumstemperaturen Ts (grad ), som är 26,5 grader.

Fläkten drivs av en 220V strömförsörjning, och den kylande halvledaren drivs av en linjär spänningsstabiliserad strömkälla.

Håll vindhastigheten V2 för varmluftskanalfläkten oförändrad, justera arbetsspänningen U eller ström I för kylhalvledaren, justera vindhastigheten V1 för kallluftskanalfläkten och läs T1~T8 i tur och ordning; ändra sedan V2, justera arbetsspänningen eller strömmen för kylhalvledaren och justera kallluftskanalen. Fläktvindhastighet V1, läs T1~T8 i följd; upprepa som ovan, där V2 är 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 är {{20}}.5m/s respektive 1.0m/s, 1.5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, (U, I) är respektive (1.4V, 1) .0A) , (3.1V, 2.0A), (46V, 3.{{50}}A), (6.3V, 4.0A), ( 8,2V, 5,0A).

Medeltemperaturen vid utloppet av kallluftskanalen Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, medeltemperaturen för metallskumbottenkopparplattan i kontakt med halvledarens kalla yta Ta{{6 }}(T1 plus T2 plus T3 plus T4)/4; med formeln h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, beräkna kyleffekten Q och den relativa värmeöverföringskoefficienten h, där den vänstra sidan av ekvationen är den kalla ytans värmeöverföringseffekt, och den högra sidan är kyleffekten beräknad av luftkylning. S – arean av metallskummets bottenyta, ΔTa=Ts-Ta, h är den faktiska värmeöverföringskoefficienten med S som värmeöverföringsarea, Cp är luftens specifika värme vid rumstemperatur, ta 1.004KJ/

Från figur 2 till figur 4, eftersom vindhastigheten i kallluftskanalen är lägre, är utgående lufttemperatur lägre och kyleffekten bättre. Ju högre effekt kylplåten har, desto lägre blir lufttemperaturen vid kallluftskanalens utlopp, men när effekten når max i försöket kommer lufttemperaturen vid kallluftskanalens utlopp att öka igen, p.g.a. värmeavledningsförhållandena för den varma ytan är begränsade, temperaturen stiger och temperaturen på den kalla ytan är motsvarande. plocka upp.

Eftersom experimentet påverkas av instrument och miljö, även om kurvan fluktuerar i viss utsträckning, är den övergripande slutsatsen att med ökningen av vindhastigheten V2 i varmluftskanalen, lufttemperaturen Tb vid utloppet av kallluftskanalen. minskar och kyleffekten är god.

Genom beräkningen av experimentdata kan den faktiska värmeöverföringskoefficienten h för den kalla ytan med S som värmeväxlingsarea, kyleffekten Q och kylhalvledareffekten W erhållas. Dataanalysen visar att när endast vindhastigheten och flödet ändras vid utloppet av kallluftskanalen, dvs q ökar, ökar utloppsluftens temperatur och kyleffekten Q ökar; när endast kylhalvledareffekten ändras, det vill säga W ökar, sjunker utgående lufttemperatur och kyleffekten minskar. Effekten Q ökar; när endast varmluftskanalens vindhastighet ändras, det vill säga V2 ökar, utloppsluftens temperatur minskar och kyleffekten Q ökar. Den faktiska värmeöverföringskoefficienten h för den kalla ytan med S som värmeväxlingsarea, h ökar med ökningen av V1 och ökar med ökningen av V2; men när den kylande halvledareffekten W ökar, minskar h gradvis.

I experimentet mäts det högsta värdet av kyleffekt Q i tillståndet V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, vilket bevisar att kyleffekten måste överväga om värmeavledningsförhållandena uppfyller motsvarande effekt- och luftflödeskvalitet. Flödesstorlek, kylande vindhastighet och andra faktorer.

3. Slutsats

I detta dokument designas en experimentell prototyp som använder ett halvledarkylsystem av skummetall. Enligt de experimentella resultaten och statistisk analys av data dras följande slutsatser:

(1) Under samma förhållanden, ju lägre vindhastighet för kall luft är, desto lägre är utgående lufttemperatur; ju högre elektrisk effekt av kylhalvledaren är, desto lägre är utloppsluftens temperatur; varmluftskanalens vindhastighet ökar, och kallluftsutloppsluftens temperatur minskar.

(2) Under samma förhållanden ökar kallluftskanalens utloppsvindhastighet, utloppsluftens temperatur ökar och kyleffekten Q ökar; den kalla halvledareffekten W ökar, utloppsluftens temperatur minskar och kyleffekten ökar; varmluftskanalens vindhastighet ökar, utloppsluftens temperatur minskar, kyleffekten ökar.

(3) Den faktiska värmeöverföringskoefficienten h för den kalla ytan med S när värmeväxlingsarean ökar med ökningen av V1 och ökar med ökningen av V2; kraften hos kylhalvledaren ökar och h minskar gradvis.

(4) För lägre kyleffekt, välj lägre kall lufthastighet, högre varmlufthastighet och elektrisk effekt; för högre kyleffekt, välj högre kalllufthastighet och varmluftshastighet och högre elektrisk effekt.