Fémhabot használó új félvezető hűtőrendszer kutatása

Az elektronikus integrációs technológia rohamos fejlődésével az elektronikus eszközök is a miniatürizálás, a könnyű súly és az intelligencia felé haladnak. Az integrált elektronikus eszközök miniatürizálása azonban növeli a teljesítménysűrűséget, miközben a hőleadás is nő. A hagyományos hűtési technológiákkal nehéz volt megfelelni a hűtési követelményeknek. Ezért különösen fontos a nagy hőáram-sűrűségű elektronikai alkatrészek hőelvezetésének tanulmányozása. Ebben a cikkben egy léghűtéses hőelvezetési módszert- javasolnak, vagyis a félvezető hűtési technológia alapján, fémhab radiátorral kombinálva hűtőrendszert terveznek, és ennek hűtőhatását kísérleti úton tesztelik. modell.

1. Elméleti alap és kísérleti eszköz

A félvezető hűtő egy hőátadó eszköz. Amikor egy N- típusú félvezető anyagból és egy P- típusú félvezető anyagból alkotott hőelempáron áram halad át, hőátadás megy végbe a két vége között, ami hőmérséklet-különbséget eredményez. alakítsuk ki a meleg és a hideg végét. Azonban magának a félvezetőnek is van ellenállása, ami hőt termel, amikor az áram áthalad rajta, ami befolyásolja a hőátadást. A két lemez közötti hő fordított hőátadáson is megy keresztül a levegőn és magán a félvezető anyagon keresztül. Ha a meleg és a hideg vég elér egy bizonyos hőmérséklet-különbséget, és a két hőátadás mértéke egyenlő, az előre és a visszafelé irányuló hőátadás kioltja egymást, és a hideg és a meleg vég hőmérséklete nem változik tovább. Ezért az alacsonyabb hőmérséklet elérése érdekében a meleg vég hőmérsékletének csökkentésére olyan módszereket lehet alkalmazni, mint a hőleadás.

A fémhab porózus fémanyag, amelynek porozitása meghaladja a 90 százalékot, és bizonyos szilárdságú és merev. Az ilyen típusú fémanyagok nagy légáteresztő képességgel, nagy pórusfelülettel és kis térfogatsűrűséggel rendelkeznek. Amikor a légáramlás áthalad, nagy érintkezési felülettel rendelkezik, ami elősegíti a hőcserét.

A hűtés félvezető hűtőlemezzel valósul meg. Tekintettel arra, hogy a félvezető hűtőlemez hideg felülete nem érintkezhet közvetlenül a hőleadó tárggyal, és a hideg felület hideg felületének természetes konvekciós hőátadó hatása a levegő felé nem jelentős, a fémhabhoz van rögzítve. felület a hőcsere fokozása érdekében. területen, a hidegenergia cseréjét erősítő hatás elérése érdekében. A hűtő félvezető és a fémhab szilikonzsírral van összekötve az érintkezési hőellenállás csökkentése érdekében. A légáram egy része elveszi a hűtési energiát, hideg levegőt képez és hőt ad le a célpontnak, valamint a forró felületet is elvonja a légáram, és a környezetbe távozik.

A kísérletben keresztben-összekötött kettős légcsatornákat használnak, amelyek közül az egyik a hideg, a másik pedig a meleg levegő szállítására szolgál. Csatlakoztassa a ventilátorokat a hideg- és meleglevegő-csatornák bejáratához, hogy biztosítsa a légáramlást, és hagyja el a szükséges mérő- és beépítési lyukakat a légcsatornák megmunkálásánál.

Amikor a hűtő félvezetőt feszültség alá helyezik, hőmérséklet-különbség keletkezik, a hideg felületen átáramló levegő lehűl, és hideg levegővé válik, a forró felületen átáramló légáram pedig lehűti, és kiürül a meleglevegő-csatornából. Minél alacsonyabb a meleg oldal hőmérséklete és minél alacsonyabb a hideg oldal hőmérséklete, annál jobb a hűtőhatás. A hideglevegő csatorna kimeneténél 4 szimmetrikus hőmérsékletmérő pont található (a kísérletben T5, T6, T7, T8 jelöléssel, mértékegység ) és 4 anemométer szimmetrikusan elhelyezve méri a kilépő levegő hőmérsékletét, míg a belépő levegő hőmérsékletét. hőmérsékletet a környezeti hőmérséklet határozza meg. Szereljen fel szélmérőt a szél sebességének mérésére a kijáratnál. Ezenkívül a félvezető hideg felületével érintkező fémhab felülete 4 szimmetrikus mérési ponttal van elrendezve középen, és a rézlemezen 4 hőelem ponthegesztéssel méri az alsó felületre hegesztett rézlemez hőmérsékletét. a fémhab, amelyet a Keishley adatgyűjtő rendszer gyűjt össze. , 100-szor gyűjtöttük és átlagoltuk (a kísérletben T1, T2, T3, T4-ként rögzítették, mértékegység mértékegysége), a hűtés relatív hőátbocsátási tényezőjének kiszámításához.

A modell hideglevegő-hőmérsékletmezőjének numerikus szimulációs eredményei: a környezeti hőmérséklet 298K (25 fok), a szimulált 400mm*100mm*40mm-es hideglevegő-csatornában a félvezető hűtőchip 12V névleges feszültség mellett működik. és 6A, és a habosított fém anyaga réz. , a mérete 100mm*100mm*40mm, és 5 ppi. A hűtés elméleti hatása az eredményekből igazolható.

2. A kísérleti folyamat

2.1 Kísérleti berendezések

1 db plexi keresztirányú légcsatorna, 2 db csupa-rézmagos, 80 W-os fordulatszámú- szabályozott centrifugális ventilátor, hűtő félvezető (névleges üzemállapot 12V, 6A) 50mm*50mm, 2 db elektronikus szélmérő, 4 db elektronikus szélmérő, 1 db üveg hőmérő Tartók, többféle rézhab fém, PC, réz konstans hőelem, jégpalack, Keishiley 2700 adatgyűjtő rendszer, adatgyűjtő kártya, lineáris stabilizált táp, stb.

2.3 Kísérleti lépések

Készítsen próbapadot a terv szerint, és olvassa le a szobahőmérsékletet Ts ( fok ), ami 26,5 fok.

A ventilátort 220 V-os tápegység hajtja, a hűtő félvezetőt pedig lineáris feszültségstabilizált tápegység.

Tartsa változatlanul a hőlégcsatorna ventilátor V2 szélsebességét, állítsa be a hűtő félvezető U üzemi feszültségét vagy I áramát, állítsa be a hideglevegő ventilátor V1 szélsebességét, majd olvassa le a T1~T8 értéket; majd módosítsa a V2-t, állítsa be a hűtő félvezető üzemi feszültségét vagy áramát, és állítsa be a hideg levegő csatornát. A ventilátor szélsebessége V1, sorban T1-T8 leolvasás; ismételje meg a fentieket, ahol V2 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 rendre {{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.{39}}m/s, (U, I) rendre (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)..

A hideglevegő-csatorna kimenetének átlaghőmérséklete Tb=(T5 plusz T6 plusz T7 plus T8)/4, a félvezető hideg felületével érintkező fémhab alsó rézlemez átlagos hőmérséklete Ta{{6 }}(T1 plusz T2 plusz T3 plusz T4)/4; a h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb képlettel számítsuk ki a Q hűtőteljesítményt és a h relatív hőátbocsátási tényezőt, ahol az egyenlet bal oldala a hideg felületi hőátadó teljesítmény, a jobb oldalon pedig a léghűtéssel számított hűtőteljesítmény. S – a fémhab alsó felületének területe, ΔTa=Ts-Ta, h a tényleges hőátbocsátási tényező, ahol S a hőátadási terület, Cp a levegő fajhője szobahőmérséklet, vegyen 1.004KJ/

A 2. ábrától a 4. ábráig, mivel a hideg levegő csatorna szélsebessége alacsonyabb, a kilépő levegő hőmérséklete alacsonyabb, és a hűtőhatás jobb. Minél nagyobb a hűtőlemez teljesítménye, annál alacsonyabb lesz a levegő hőmérséklete a hideglégcsatorna kimeneténél, de amikor a teljesítmény eléri a kísérletben a maximumot, akkor a hideglégcsatorna kimeneténél a levegő hőmérséklete ismét megemelkedik, mert a forró felület hőleadási feltételei korlátozottak, a hőmérséklet emelkedik, a hideg felület hőmérséklete megfelelő. felvenni.

Mivel a kísérletet a műszerek és a környezet befolyásolja, bár a görbe bizonyos mértékig ingadozik, az általános következtetés az, hogy a meleglevegő-csatorna V2 szélsebességének növekedésével a levegő hőmérséklete Tb a hideglevegő-csatorna kimenetén. csökken, és a hűtőhatás jó.

A kísérleti adatok kiszámításával megkapható az S hőcserélő területtel rendelkező hideg felület h hőátbocsátási tényezője, a Q hűtőteljesítmény és a W hűtő félvezető teljesítmény. Az adatok elemzése azt mutatja, hogy ha csak a szél sebességét és áramlását változtatjuk a hideglégcsatorna kimeneténél, azaz q nő, akkor a kilépő levegő hőmérséklete nő, és a Q hűtőteljesítmény nő; ha csak a hűtő félvezető teljesítményét változtatjuk meg, vagyis a W növekszik, a kilépő levegő hőmérséklete csökken, és a hűtőteljesítmény csökken. A Q teljesítmény növekszik; amikor csak a hőlégcsatorna szélsebessége változik, vagyis a V2 növekszik, a kilépő levegő hőmérséklete csökken és a Q hűtőteljesítmény nő. Az S hőcserélő területű hideg felület h tényleges hőátbocsátási tényezője, h V1 növekedésével nő, V2 növekedésével nő; de ha a hűtő félvezető W teljesítménye nő, h fokozatosan csökken.

A kísérletben a Q hűtőteljesítmény legnagyobb értékét V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 állapotban mérjük. m/s, ami azt bizonyítja, hogy a hűtőteljesítménynél átfogóan mérlegelni kell, hogy a hőleadás feltételei megfelelnek-e a megfelelő teljesítmény és légáramlás minőségének. Áramlási méret, hűsítő szél sebessége és egyéb tényezők.

3. Következtetés

Ebben a cikkben egy kísérleti prototípust terveztek fémhab félvezető hűtőrendszerrel. A kísérleti eredmények és az adatok statisztikai elemzése alapján a következő következtetéseket vonjuk le:

(1) Ugyanilyen körülmények között minél kisebb a hideg levegő szélsebessége, annál alacsonyabb a kilépő levegő hőmérséklete; minél nagyobb a hűtő félvezető elektromos teljesítménye, annál alacsonyabb a kilépő levegő hőmérséklete; a meleglevegő-csatorna szélsebessége megnő, és a hideglevegő-csatorna kilépő levegő hőmérséklete csökken.

(2) Ugyanezen körülmények között a hideg levegő csatorna kilépő szélsebessége nő, a kilépő levegő hőmérséklete és a Q hűtőteljesítmény nő; a hideg félvezető W teljesítménye nő, a kilépő levegő hőmérséklete csökken, és a hűtőteljesítmény nő; a hőlégcsatorna szélsebessége nő, a kilépő levegő hőmérséklete csökken, a hűtőteljesítmény nő.

(3) A hideg felület h tényleges hőátbocsátási tényezője S-vel, mivel a hőcserélő terület V1 növekedésével nő, és V2 növekedésével nő; a hűtő félvezető teljesítménye nő, h pedig fokozatosan csökken.

(4) Az alacsonyabb hűtőteljesítményhez válasszon alacsonyabb hideglevegő-sebességet, nagyobb meleglevegő-sebességet és elektromos teljesítményt; a nagyobb hűtőteljesítmény érdekében válasszon nagyobb hideglevegő- és meleglevegő-sebességet, valamint nagyobb elektromos teljesítményt.