Tutkimus uudesta puolijohdejäähdytysjärjestelmästä, jossa käytetään metallivaahtoa

Elektronisen integraatioteknologian nopean kehityksen myötä elektroniset laitteet ovat myös siirtymässä kohti pienentämistä, keveyttä ja älykkyyttä. Integroitujen elektronisten laitteiden miniatyrisointi kuitenkin lisää tehotiheyttä ja samalla myös lämmön haihtumista. Perinteisten jäähdytystekniikoiden on ollut vaikea täyttää jäähdytysvaatimuksia. Siksi on erityisen tärkeää tutkia sähkökomponenttien lämmönpoistoa, joilla on suuri lämpövuon tiheys. Tässä artikkelissa ehdotetaan ilmajäähdytteistä lämmönpoistomenetelmää, eli puolijohdejäähdytystekniikan pohjalta, yhdistettynä vaahtometallipatteriin, suunnitellaan jäähdytysjärjestelmä ja sen jäähdytysvaikutusta testataan kokeellisesti. malli.

1. Teoreettinen perusta ja kokeellinen laite

Puolijohdejäähdytin on lämmönsiirtotyökalu. Kun virta kulkee N--tyypin puolijohdemateriaalin ja P--tyypin puolijohdemateriaalin muodostaman lämpöparin läpi, lämmönsiirto tapahtuu kahden pään välillä, mikä johtaa lämpötilaeroon. muodostavat kuumat ja kylmät päät. Puolijohteessa itsessään on kuitenkin vastus, joka tuottaa lämpöä virran kulkiessa sen läpi, mikä vaikuttaa lämmönsiirtoon. Kahden levyn välinen lämpö käy läpi myös käänteisen lämmönsiirron ilman ja itse puolijohdemateriaalin kautta. Kun kuuma ja kylmä pää saavuttavat tietyn lämpötilaeron ja kaksi lämmönsiirtomäärää ovat yhtä suuret, eteenpäin ja taaksepäin tapahtuva lämmönsiirto kumoavat toisensa, eivätkä kylmän ja kuuman pään lämpötila muutu. Siksi alhaisemman lämpötilan saavuttamiseksi voidaan käyttää menetelmiä, kuten lämmönpoistoa, alentamaan kuuman pään lämpötilaa.

Metallivaahto on huokoinen metallimateriaali, jonka huokoisuus on yli 90 prosenttia ja jolla on tietty lujuus ja jäykkyys. Tämän tyyppisellä metallimateriaalilla on korkea ilmanläpäisevyys, suuri huokospinta-ala ja pieni materiaalin irtotiheys. Kun ilmavirta kulkee läpi, sen kosketuspinta-ala on suuri, mikä edistää lämmönvaihtoa.

Jäähdytys toteutetaan puolijohdejäähdytyslevyllä. Ottaen huomioon, että puolijohdejäähdytyslevyn kylmä pinta ei voi olla suorassa kosketuksessa lämpöä hajottavan kohteen kanssa ja kylmän pinnan kylmän pinnan luonnollinen konvektiolämmönsiirtovaikutus ilmaan ei ole merkittävä, se on kiinnitetty vaahtometalliin pinta lämmönvaihdon lisäämiseksi. alueella kylmän energian vaihtoa vahvistavan vaikutuksen saavuttamiseksi. Jäähdytyspuolijohde ja vaahtometalli on liimattu silikonirasvalla kontaktilämpövastuksen pienentämiseksi. Osa ilmavirrasta ottaa pois jäähdytysenergian muodostaen kylmää ilmaa ja haihduttamalla lämpöä kohteeseen, ja myös kuuma pinta otetaan ilmavirran mukana ja poistuu ympäristöön.

Kokeessa käytetään ristiin{0}}liitettyjä kaksoisilmakanavia, joista toista käytetään kylmän ilman ja toista kuuman ilman viemiseen. Liitä tuulettimet kylmä- ja kuumailmakanavien sisääntuloon ilmavirran aikaansaamiseksi ja jätä tarvittavat mittaus- ja asennusreiät ilmakanavien käsittelyyn.

Kun jäähdytyspuolijohteeseen kytketään virta, syntyy lämpötilaero, kylmän pinnan läpi kulkeva ilmavirta jäähtyy kylmäksi ilmaksi ja kuuman pinnan läpi kulkeva ilmavirta jäähdyttää sen ja poistuu kuumailmakanavasta. Mitä alhaisempi kuuman puolen lämpötila ja mitä alhaisempi kylmän puolen lämpötila, sitä parempi on jäähdytysvaikutus. Kylmäilmakanavan ulostulossa on 4 symmetristä lämpötilan mittauspistettä (merkitty kokeessa T5, T6, T7, T8, yksikköaste ) ja 4 tuulimittaria on sijoitettu symmetrisesti mittaamaan poistoilman lämpötilaa, kun taas tuloilma. lämpötila määräytyy ympäristön lämpötilan mukaan. Asenna tuulimittari tuulen nopeuden mittaamiseksi uloskäynnistä. Lisäksi puolijohteen kylmän pinnan kanssa kosketuksissa oleva vaahtometallin pinta on järjestetty 4 mittauspisteellä symmetrisesti keskelle ja kuparilevylle on pistehitsattu 4 termoparia pohjapinnalle hitsatun kuparilevyn lämpötilan mittaamiseksi. vaahtometallista, jonka Keishley tiedonkeruujärjestelmä kerää. , kerätty 100 kertaa ja laskettu vastaavasti keskiarvoina (kirjattu T1, T2, T3, T4 kokeessa, yksikköaste ), käytetään laskettaessa jäähdytyksen suhteellinen lämmönsiirtokerroin.

Tämän mallin kylmän ilman kanavan lämpötilakentän numeeriset simulointitulokset: ympäristön lämpötila on 298K (25 astetta) ja simuloidussa kylmäilmakanavassa 400mm*100mm*40mm puolijohdejäähdytyssiru toimii 12V:n nimellisissä olosuhteissa. ja 6A, ja vaahtometallimateriaali on kuparia. , koko on 100mm * 100mm * 40mm ja se on 5 ppi. Jäähdyttämisen teoreettinen vaikutus voidaan vahvistaa tuloksista.

2. Kokeellinen prosessi

2.1 Koelaitteet

1 pleksilasinen ristikkoilmakanava, 2 täys-kuparisydäminen 80 W nopeus-säädellyt keskipakotuulettimet, jäähdytyspuolijohde (nimelliskäyttö 12V, 6A) 50mm*50mm, 2 elektronista tuulimittaria, 4 elektronista tuulimittaria, 1 lasi lämpömittari Tuet, useita kuparivaahtometallia, PC, kuparikonstantin termopari, jääpullo, Keishiley 2700 tiedonkeruujärjestelmä, tiedonkeruukortti, lineaarinen stabiloitu virtalähde jne.

2.3 Kokeiluvaiheet

Rakenna koepenkki suunnitelman mukaan ja lue huonelämpötila Ts ( aste ), joka on 26,5 astetta.

Tuuletinta käyttää 220 V virtalähde ja jäähdytyspuolijohde saa virtansa lineaarista jännitestabiloidusta virtalähteestä.

Pidä kuumailmakanavapuhaltimen tuulen nopeus V2 ennallaan, säädä jäähdytyspuolijohteen käyttöjännite U tai virta I, säädä kylmäilmakanavapuhaltimen tuulen nopeus V1 ja lue vuorotellen T1-T8; vaihda sitten V2, säädä jäähdytyspuolijohteen käyttöjännite tai virta ja säädä kylmäilmakanava. Tuulettimen tuulen nopeus V1, lue T1-T8 järjestyksessä; toista kuten yllä, jossa V2 on 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 on vastaavasti {{20}},5 m/s , 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) ovat vastaavasti (1,4 V, 1). .0A) , (3,1 V, 2.0A), (46 V, 3.{{50}}A), (6,3 V, 4,0 A), ( 8,2V, 5,0A)..

Keskilämpötila kylmän ilmakanavan ulostulossa Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, puolijohteen kylmän pinnan kanssa kosketuksissa olevan metallivaahtomuovipohjalevyn keskilämpötila Ta{{6 }}(T1 plus T2 plus T3 plus T4)/4; laske kaavalla h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb jäähdytysteho Q ja suhteellinen lämmönsiirtokerroin h, jossa yhtälön vasen puoli on kylmän pinnan lämmönsiirtoteho, ja oikea puoli on ilmajäähdytyksellä laskettu jäähdytysteho. S – metallivaahdon pohjapinnan pinta-ala, ΔTa=Ts-Ta, h on todellinen lämmönsiirtokerroin, jossa S on lämmönsiirtopinta-ala, Cp on ilman ominaislämpö huoneen lämpötila, ota 1.004KJ/

Kuvasta 2 kuvioon 4, kun kylmän ilmakanavan tuulen nopeus on pienempi, poistoilman lämpötila on alhaisempi ja jäähdytysvaikutus on parempi. Mitä suurempi jäähdytyslevyn teho on, sitä alhaisempi on ilman lämpötila kylmäilmakanavan ulostulossa, mutta kun teho saavuttaa kokeen maksimin, kylmän ilmakanavan ulostulon ilman lämpötila nousee jälleen, koska kuuman pinnan lämmönpoistoolosuhteet ovat rajalliset, lämpötila nousee ja kylmän pinnan lämpötila on vastaava. noukkia.

Koska kokeeseen vaikuttavat instrumentit ja ympäristö, vaikka käyrä vaihteleekin jossain määrin, kokonaisjohtopäätös on, että kuumailmakanavan tuulen nopeuden V2 kasvaessa ilman lämpötila Tb kylmän ilmakanavan ulostulossa vähenee ja jäähdytysvaikutus on hyvä.

Kokeellisten tietojen laskennalla voidaan saada kylmän pinnan todellinen lämmönsiirtokerroin h, jonka lämmönvaihtoalue on S, jäähdytysteho Q ja jäähdytyspuolijohteen teho W. Aineistoanalyysi osoittaa, että kun vain tuulen nopeutta ja virtausta muutetaan kylmän ilmakanavan ulostulossa, eli q kasvaa, lähtevän ilman lämpötila nousee ja jäähdytysteho Q kasvaa; kun vain jäähdytyspuolijohteen tehoa muutetaan, eli W kasvaa, poistoilman lämpötila laskee ja jäähdytysteho pienenee. Teho Q kasvaa; kun vain kuumailmakanavan tuulen nopeutta muutetaan, eli V2 kasvaa, poistoilman lämpötila laskee ja jäähdytysteho Q kasvaa. Kylmän pinnan todellinen lämmönsiirtokerroin h, jossa S on lämmönvaihtoalue, h kasvaa V1:n kasvaessa ja kasvaa V2:n kasvaessa; mutta kun jäähdytyspuolijohteen teho W kasvaa, h pienenee vähitellen.

Kokeessa jäähdytystehon Q suurin arvo mitataan tilassa V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, mikä osoittaa, että jäähdytystehon on pohdittava kokonaisvaltaisesti, vastaavatko lämmönpoistoolosuhteet vastaavaa tehon ja ilmavirran laatua. Virtauksen koko, jäähdyttävän tuulen nopeus ja muut tekijät.

3. Johtopäätös

Tässä artikkelissa suunnitellaan kokeellinen prototyyppi, jossa käytetään vaahtometallipuolijohdejäähdytysjärjestelmää. Kokeellisten tulosten ja tilastollisen analyysin perusteella tehdään seuraavat johtopäätökset:

(1) Samoissa olosuhteissa mitä pienempi kylmän ilman tuulen nopeus, sitä alhaisempi on poistoilman lämpötila; mitä suurempi jäähdytyspuolijohteen sähköteho on, sitä alhaisempi poistoilman lämpötila; kuumailmakanavan tuulen nopeus kasvaa ja kylmän ilmakanavan poistoilman lämpötila laskee.

(2) Samoissa olosuhteissa kylmän ilmakanavan poistotuulen nopeus kasvaa, poistoilman lämpötila nousee ja jäähdytysteho Q kasvaa; kylmän puolijohteen teho W kasvaa, poistoilman lämpötila laskee ja jäähdytysteho kasvaa; kuumailmakanavan tuulen nopeus kasvaa, poistoilman lämpötila laskee, jäähdytysteho kasvaa.

(3) Kylmän pinnan todellinen lämmönsiirtokerroin h, kun S lämmönvaihtopinta-ala kasvaa V1:n kasvaessa ja kasvaa V2:n kasvaessa; jäähdytyspuolijohteen teho kasvaa ja h pienenee vähitellen.

(4) Jos haluat alhaisemman jäähdytystehon, valitse pienempi kylmän ilman nopeus, korkeampi kuuman ilman nopeus ja sähköteho; Jos haluat korkeamman jäähdytystehon, valitse korkeampi kylmän ilman nopeus ja kuuman ilman nopeus sekä suurempi sähköteho.