Έρευνα για το νέο σύστημα ψύξης ημιαγωγών που χρησιμοποιεί αφρό μετάλλου

Με την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας ηλεκτρονικής ολοκλήρωσης, οι ηλεκτρονικές συσκευές κινούνται επίσης προς τη σμίκρυνση, το μικρό βάρος και την ευφυΐα. Ωστόσο, η σμίκρυνση των ενσωματωμένων ηλεκτρονικών συσκευών αυξάνει την πυκνότητα ισχύος ενώ αυξάνεται και η απαγωγή θερμότητας. Οι παραδοσιακές τεχνολογίες ψύξης ήταν δύσκολο να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις ψύξης. Ως εκ τούτου, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να μελετηθεί η απαγωγή θερμότητας ηλεκτρονικών εξαρτημάτων με υψηλή πυκνότητα ροής θερμότητας. Σε αυτό το έγγραφο, προτείνεται μια μέθοδος απαγωγής θερμότητας με αέρα{0}, δηλαδή, με βάση την τεχνολογία ψύξης ημιαγωγών, σε συνδυασμό με ένα θερμαντικό σώμα αφρώδους μετάλλου, σχεδιάζεται ένα σύστημα ψύξης και η ψυκτική του επίδραση ελέγχεται μέσω πειραματικού μοντέλο.

1. Θεωρητική βάση και πειραματική συσκευή

Το ψυγείο ημιαγωγών είναι ένα εργαλείο μεταφοράς θερμότητας. Όταν ένα ρεύμα διέρχεται από ένα ζεύγος θερμοστοιχείων που σχηματίζεται από ένα κομμάτι ημιαγωγού υλικού τύπου N-και ένα κομμάτι ημιαγωγού τύπου P-, η μεταφορά θερμότητας λαμβάνει χώρα μεταξύ των δύο άκρων, με αποτέλεσμα μια διαφορά θερμοκρασίας σε σχηματίζουν τις ζεστές και τις κρύες άκρες. Ωστόσο, ο ίδιος ο ημιαγωγός έχει αντίσταση, η οποία παράγει θερμότητα όταν το ρεύμα διέρχεται από αυτόν, η οποία επηρεάζει τη μεταφορά θερμότητας. Η θερμότητα μεταξύ των δύο πλακών υφίσταται επίσης αντίστροφη μεταφορά θερμότητας μέσω του αέρα και του ίδιου του υλικού ημιαγωγού. Όταν το ζεστό και το κρύο άκρο φτάσουν σε μια ορισμένη διαφορά θερμοκρασίας και τα δύο ποσά μεταφοράς θερμότητας είναι ίσα, η προς τα εμπρός και η αντίστροφη μεταφορά θερμότητας αλληλοεξουδετερώνονται και η θερμοκρασία του ψυχρού και του θερμού άκρου δεν θα συνεχίσει να αλλάζει. Επομένως, για να επιτευχθεί χαμηλότερη θερμοκρασία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι όπως η απαγωγή θερμότητας για τη μείωση της θερμοκρασίας του θερμού άκρου.

Ο αφρός μετάλλου είναι ένα πορώδες μεταλλικό υλικό με πορώδες μεγαλύτερο από 90 τοις εκατό και συγκεκριμένη αντοχή και ακαμψία. Αυτός ο τύπος μεταλλικού υλικού έχει υψηλή διαπερατότητα αέρα, μεγάλη επιφάνεια πόρων και μικρή πυκνότητα υλικού. Όταν η ροή αέρα διέρχεται, έχει μια μεγάλη περιοχή επαφής, η οποία ευνοεί την ανταλλαγή θερμότητας.

Η ψύξη πραγματοποιείται με φύλλο ψύξης ημιαγωγών. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η κρύα επιφάνεια του φύλλου ψύξης ημιαγωγών δεν μπορεί να έρθει σε άμεση επαφή με το αντικείμενο απαγωγής θερμότητας και η φυσική επίδραση μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή της ψυχρής επιφάνειας της ψυχρής επιφάνειας στον αέρα δεν είναι σημαντική, συνδέεται με το αφρώδες μέταλλο επιφάνεια για αύξηση της ανταλλαγής θερμότητας. περιοχή, για να επιτευχθεί το αποτέλεσμα της ενίσχυσης της ανταλλαγής ψυχρής ενέργειας. Ο ημιαγωγός ψύξης και το αφρώδες μέταλλο συνδέονται με γράσο σιλικόνης για μείωση της θερμικής αντίστασης επαφής. Μέρος της ροής αέρα αφαιρεί την ενέργεια ψύξης, σχηματίζοντας ψυχρό αέρα και διαχέοντας θερμότητα στον στόχο, και η θερμή επιφάνεια αφαιρείται επίσης από τη ροή αέρα και εκκενώνεται στο περιβάλλον.

Το πείραμα χρησιμοποιεί διασταυρωμένα-διπλούς αεραγωγούς, ο ένας από τους οποίους χρησιμοποιείται για την εξαγωγή κρύου αέρα και ο άλλος για την εξαγωγή ζεστού αέρα. Συνδέστε τους ανεμιστήρες στην είσοδο των αεραγωγών κρύου και ζεστού αέρα για παροχή ροής αέρα και αφήστε τις απαραίτητες οπές μέτρησης και οπές εγκατάστασης κατά την επεξεργασία των αεραγωγών.

Όταν ενεργοποιείται ο ημιαγωγός ψύξης, δημιουργείται μια διαφορά θερμοκρασίας, η ροή του αέρα μέσω της ψυχρής επιφάνειας ψύχεται για να γίνει κρύος αέρας και η ροή του αέρα μέσω της θερμής επιφάνειας τον ψύχει και εκκενώνεται από τον αγωγό θερμού αέρα. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία της θερμής πλευράς και όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία της ψυχρής πλευράς, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα ψύξης. Υπάρχουν 4 συμμετρικά σημεία μέτρησης θερμοκρασίας (που συμβολίζονται ως T5, T6, T7, T8 στο πείραμα, μονάδα βαθμού ) στην έξοδο του αγωγού ψυχρού αέρα και 4 ανεμόμετρα είναι διατεταγμένα συμμετρικά για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του αέρα εξόδου, ενώ ο αέρας εισόδου η θερμοκρασία καθορίζεται από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Εγκαταστήστε ένα ανεμόμετρο για να μετρήσετε την ταχύτητα του ανέμου στην έξοδο. Επιπλέον, η επιφάνεια του αφρώδους μετάλλου σε επαφή με την κρύα επιφάνεια του ημιαγωγού είναι διατεταγμένη με 4 σημεία μέτρησης συμμετρικά στο κέντρο και 4 θερμοστοιχεία συγκολλούνται σημειακά στη χάλκινη πλάκα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας της πλάκας χαλκού που είναι συγκολλημένη στην κάτω επιφάνεια του αφρώδους μετάλλου, το οποίο συλλέγεται από το σύστημα συλλογής δεδομένων Keishley. , συλλέγεται 100 φορές και υπολογίζεται ο μέσος όρος αντίστοιχα (καταγράφεται ως Τ1, Τ2, Τ3, Τ4 στο πείραμα, βαθμός μονάδας ), που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του σχετικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας της ψύξης.

Τα αποτελέσματα αριθμητικής προσομοίωσης του πεδίου θερμοκρασίας αεραγωγού ψυχρού αέρα αυτού του μοντέλου: η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι 298K (25 βαθμοί) και στον προσομοιωμένο αγωγό ψυχρού αέρα 400mm*100mm*40mm, το τσιπ ψύξης ημιαγωγών λειτουργεί υπό τις ονομαστικές συνθήκες των 12V και 6Α, και το αφρώδες μεταλλικό υλικό είναι χαλκός. , το μέγεθος είναι 100mm*100mm*40mm και είναι 5 ppi. Το θεωρητικό αποτέλεσμα της ψύξης μπορεί να επιβεβαιωθεί από τα αποτελέσματα.

2. Η πειραματική διαδικασία

2.1 Πειραματικός εξοπλισμός

1 εγκάρσιος αεραγωγός από plexiglass, 2 όλα-πυρήνας χαλκού ταχύτητας 80W-ρυθμιζόμενοι φυγόκεντροι ανεμιστήρες, ημιαγωγός ψύξης (ονομαστική κατάσταση λειτουργίας 12V, 6A) 50mm*50mm, 2 ηλεκτρονικά ανεμόμετρα, 4 ηλεκτρονικά ανεμόμετρα, 1 γυαλί Υποστηρίγματα θερμόμετρου, πολλά μεταλλικά αφρώδες χαλκό, Η/Υ, θερμοστοιχείο χάλκινου σταθερά, μπουκάλι πάγου, σύστημα συλλογής δεδομένων Keishiley 2700, κάρτα συλλογής δεδομένων, γραμμική σταθεροποιημένη τροφοδοσία κ.λπ.

2.3 Πειραματικά βήματα

Κατασκευάστε έναν πάγκο δοκιμών σύμφωνα με το σχέδιο και διαβάστε τη θερμοκρασία δωματίου Ts (βαθμός ), που είναι 26,5 μοίρες.

Ο ανεμιστήρας τροφοδοτείται από τροφοδοτικό 220 V και ο ημιαγωγός ψύξης τροφοδοτείται από μια γραμμική σταθεροποιημένη τάση τροφοδοσίας.

Διατηρήστε αμετάβλητη την ταχύτητα ανέμου V2 του ανεμιστήρα αεραγωγού ζεστού αέρα, ρυθμίστε την τάση λειτουργίας U ή το ρεύμα I του ημιαγωγού ψύξης, ρυθμίστε την ταχύτητα ανέμου V1 του ανεμιστήρα του αεραγωγού ψυχρού αέρα και διαβάστε με τη σειρά το T1~T8. στη συνέχεια αλλάξτε το V2, ρυθμίστε την τάση ή το ρεύμα λειτουργίας του ημιαγωγού ψύξης και ρυθμίστε τον αγωγό κρύου αέρα. Ταχύτητα ανέμου ανεμιστήρα V1, διαβάστε T1~T8 με τη σειρά. επαναλάβετε όπως παραπάνω, όπου το V2 είναι 0.5 m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, το V1 είναι {{2{0}},5m/s αντίστοιχα, 1.0m/s, 1,5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2,5m/s, 3.0m/s, 3,5m/s, 4.0m/s, (U, I) είναι αντίστοιχα (1,4V, 1 .0A) , (3,1V, 2.0A), (46V, 3.{{50}}A), (6,3V, 4,0A), ( 8,2V, 5,0A)..

Η μέση θερμοκρασία στην έξοδο του αγωγού ψυχρού αέρα Tb=(T5 συν T6 συν T7 συν T8)/4, η μέση θερμοκρασία της μεταλλικής πλάκας από αφρώδες υλικό χαλκού σε επαφή με την ψυχρή επιφάνεια του ημιαγωγού Ta{{6 }}(Τ1 συν Τ2 συν Τ3 συν Τ4)/4; με τον τύπο h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, υπολογίστε την ισχύ ψύξης Q και τον σχετικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας h, όπου η αριστερή πλευρά της εξίσωσης είναι η ισχύς μεταφοράς θερμότητας ψυχρής επιφάνειας και η δεξιά πλευρά είναι η ισχύς ψύξης που υπολογίζεται με ψύξη αέρα. S – το εμβαδόν της κάτω επιφάνειας του μεταλλικού αφρού, ΔTa=Ts-Ta, h είναι ο πραγματικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με S ως περιοχή μεταφοράς θερμότητας, Cp είναι η ειδική θερμότητα του αέρα στο θερμοκρασία δωματίου, πάρτε 1,004 KJ/

Από το σχήμα 2 έως το σχήμα 4, καθώς η ταχύτητα του ανέμου του αγωγού ψυχρού αέρα είναι χαμηλότερη, η θερμοκρασία του αέρα εξόδου είναι χαμηλότερη και το αποτέλεσμα ψύξης είναι καλύτερο. Όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς του φύλλου ψύξης, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του αέρα στην έξοδο του αγωγού ψυχρού αέρα, αλλά όταν η ισχύς φτάσει στο μέγιστο στο πείραμα, η θερμοκρασία του αέρα στην έξοδο του αγωγού ψυχρού αέρα θα αυξηθεί ξανά, επειδή οι συνθήκες απαγωγής θερμότητας της θερμής επιφάνειας είναι περιορισμένες, η θερμοκρασία αυξάνεται και η θερμοκρασία της ψυχρής επιφάνειας είναι αντίστοιχη. μαζεύω.

Δεδομένου ότι το πείραμα επηρεάζεται από τα όργανα και το περιβάλλον, αν και η καμπύλη κυμαίνεται σε κάποιο βαθμό, το γενικό συμπέρασμα είναι ότι με την αύξηση της ταχύτητας ανέμου V2 του αγωγού θερμού αέρα, η θερμοκρασία του αέρα Tb στην έξοδο του αγωγού ψυχρού αέρα μειώνεται και το αποτέλεσμα ψύξης είναι καλό.

Μέσω του υπολογισμού των πειραματικών δεδομένων, μπορεί να ληφθεί ο πραγματικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας h της ψυχρής επιφάνειας με S ως περιοχή ανταλλαγής θερμότητας, την ψυκτική ισχύ Q και την ισχύ του ημιαγωγού ψύξης W. Η ανάλυση δεδομένων δείχνει ότι όταν αλλάζει μόνο η ταχύτητα και η ροή του ανέμου στην έξοδο του αγωγού ψυχρού αέρα, δηλαδή, αυξάνεται το q, η θερμοκρασία του αέρα εξόδου αυξάνεται και η ισχύς ψύξης Q αυξάνεται. όταν αλλάζει μόνο η ισχύς του ημιαγωγού ψύξης, δηλαδή το W αυξάνεται, η θερμοκρασία του αέρα εξόδου μειώνεται και η ισχύς ψύξης μειώνεται. Η ισχύς Q αυξάνεται. όταν αλλάζει μόνο η ταχύτητα ανέμου του αγωγού θερμού αέρα, δηλαδή αυξάνεται το V2, μειώνεται η θερμοκρασία του αέρα εξόδου και αυξάνεται η ισχύς ψύξης Q. Ο πραγματικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας h της ψυχρής επιφάνειας με S ως περιοχή ανταλλαγής θερμότητας, h αυξάνεται με την αύξηση του V1 και αυξάνεται με την αύξηση του V2. αλλά όταν η ισχύς του ημιαγωγού ψύξης W αυξάνεται, το h μειώνεται σταδιακά.

Στο πείραμα, η υψηλότερη τιμή της ψυκτικής ισχύος Q μετριέται στην κατάσταση V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, το οποίο αποδεικνύει ότι η ισχύς ψύξης πρέπει να εξετάσει πλήρως εάν οι συνθήκες απαγωγής θερμότητας πληρούν την αντίστοιχη ισχύ και ποιότητα ροής αέρα. Μέγεθος ροής, ταχύτητα ανέμου ψύξης και άλλοι παράγοντες.

3. Συμπέρασμα

Σε αυτή την εργασία, σχεδιάζεται ένα πειραματικό πρωτότυπο που χρησιμοποιεί ένα σύστημα ψύξης ημιαγωγών αφρού μετάλλου. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα και τη στατιστική ανάλυση των δεδομένων, προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

(1) Υπό τις ίδιες συνθήκες, όσο χαμηλότερη είναι η ταχύτητα του ψυχρού αέρα, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του αέρα εξόδου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική ισχύς του ημιαγωγού ψύξης, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του αέρα εξόδου. η ταχύτητα του ανέμου του αγωγού ζεστού αέρα αυξάνεται και η θερμοκρασία του αέρα εξόδου του αγωγού κρύου αέρα μειώνεται.

(2) Υπό τις ίδιες συνθήκες, η ταχύτητα του ανέμου εξόδου του αγωγού ψυχρού αέρα αυξάνεται, η θερμοκρασία του αέρα εξόδου αυξάνεται και η ισχύς ψύξης Q αυξάνεται. η ισχύς ψυχρού ημιαγωγού W αυξάνεται, η θερμοκρασία του αέρα εξόδου μειώνεται και η ισχύς ψύξης αυξάνεται. η ταχύτητα του ανέμου του αγωγού ζεστού αέρα αυξάνεται, η θερμοκρασία του αέρα εξόδου μειώνεται, η ισχύς ψύξης αυξάνεται.

(3) Ο πραγματικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας h της ψυχρής επιφάνειας με S καθώς η περιοχή ανταλλαγής θερμότητας αυξάνεται με την αύξηση του V1 και αυξάνεται με την αύξηση του V2. η ισχύς του ημιαγωγού ψύξης αυξάνεται και το h μειώνεται σταδιακά.

(4) Για χαμηλότερη ισχύ ψύξης, επιλέξτε χαμηλότερη ταχύτητα ψυχρού αέρα, υψηλότερη ταχύτητα ζεστού αέρα και ηλεκτρική ισχύ. για μεγαλύτερη ισχύ ψύξης, επιλέξτε υψηλότερη ταχύτητα ψυχρού αέρα και ταχύτητα ζεστού αέρα και υψηλότερη ηλεκτρική ισχύ.