Ricerca sul nuovo sistema di refrigerazione a semiconduttore che utilizza schiuma metallica

Con il rapido sviluppo della tecnologia di integrazione elettronica, anche i dispositivi elettronici si stanno muovendo verso la miniaturizzazione, la leggerezza e l'intelligenza. Tuttavia, la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici integrati aumenta la densità di potenza mentre aumenta anche la dissipazione del calore. Le tecnologie di raffreddamento tradizionali sono state difficili da soddisfare i requisiti di raffreddamento. Pertanto, è particolarmente importante studiare la dissipazione del calore di componenti elettronici ad alta densità di flusso di calore. In questo lavoro viene proposto un metodo di dissipazione del calore-raffreddato ad aria, ovvero sulla base della tecnologia di refrigerazione a semiconduttore, combinata con un radiatore in metallo espanso, viene progettato un sistema di refrigerazione e il suo effetto di refrigerazione viene testato attraverso un metodo sperimentale modello.

1. Basi teoriche e dispositivo sperimentale

Il dispositivo di raffreddamento a semiconduttore è uno strumento di trasferimento del calore. Quando una corrente passa attraverso una coppia di termocoppie formata da un pezzo di materiale semiconduttore di tipo N-e un pezzo di materiale semiconduttore di tipo P-, si verifica un trasferimento di calore tra le due estremità, determinando una differenza di temperatura formare le estremità calde e fredde. Tuttavia, il semiconduttore stesso ha una resistenza, che genera calore quando la corrente lo attraversa, il che influisce sul trasferimento di calore. Il calore tra le due piastre subisce anche un trasferimento di calore inverso attraverso l'aria e il materiale semiconduttore stesso. Quando le estremità calde e fredde raggiungono una certa differenza di temperatura e le due quantità di trasferimento di calore sono uguali, il trasferimento di calore in avanti e all'indietro si annullano a vicenda e la temperatura delle estremità fredde e calde non continuerà a cambiare. Pertanto, al fine di ottenere una temperatura più bassa, è possibile utilizzare metodi come la dissipazione del calore per ridurre la temperatura dell'hot end.

La schiuma metallica è un materiale metallico poroso con una porosità superiore al 90 percento e una certa resistenza e rigidità. Questo tipo di materiale metallico ha un'elevata permeabilità all'aria, un'ampia superficie dei pori e una densità apparente del materiale ridotta. Quando il flusso d'aria passa attraverso, ha un'ampia area di contatto, che favorisce lo scambio di calore.

La refrigerazione è realizzata da uno strato di refrigerazione a semiconduttore. Considerando che la superficie fredda del foglio di refrigerazione a semiconduttore non può essere a diretto contatto con l'oggetto di dissipazione del calore e l'effetto di trasferimento del calore per convezione naturale della superficie fredda della superficie fredda all'aria non è significativo, è attaccato al metallo espanso superficie per aumentare lo scambio termico. zona, per ottenere l'effetto di rafforzare lo scambio di energia fredda. Il semiconduttore di raffreddamento e la schiuma metallica sono legati da grasso al silicone per ridurre la resistenza termica di contatto. Parte del flusso d'aria sottrae l'energia di raffreddamento, formando aria fredda e dissipando il calore verso il bersaglio, e anche la superficie calda viene rimossa dal flusso d'aria e scaricata nell'ambiente.

L'esperimento utilizza{0}}condotti d'aria doppi collegati trasversalmente, uno dei quali viene utilizzato per esportare aria fredda e l'altro viene utilizzato per esportare aria calda. Collegare le ventole all'ingresso dei condotti dell'aria fredda e calda per fornire il flusso d'aria e lasciare i fori di misurazione e di installazione necessari durante l'elaborazione dei condotti dell'aria.

Quando il semiconduttore di refrigerazione viene eccitato, viene generata una differenza di temperatura, il flusso d'aria attraverso la superficie fredda viene raffreddato per diventare aria fredda e il flusso d'aria attraverso la superficie calda lo raffredda e viene scaricato dal condotto dell'aria calda. Minore è la temperatura del lato caldo e minore è la temperatura del lato freddo, migliore è l'effetto di raffreddamento. Ci sono 4 punti di misurazione della temperatura simmetrici (indicati come T5, T6, T7, T8 nell'esperimento, unità di grado) all'uscita del condotto dell'aria fredda e 4 anemometri sono disposti simmetricamente per misurare la temperatura dell'aria in uscita, mentre l'aria in ingresso la temperatura è determinata dalla temperatura ambiente. Installare un anemometro per misurare la velocità del vento all'uscita. Inoltre, la superficie del metallo espanso a contatto con la superficie fredda del semiconduttore è disposta con 4 punti di misura simmetrici al centro e 4 termocoppie sono saldate a punti sulla piastra di rame per misurare la temperatura della piastra di rame saldata sulla superficie inferiore della schiuma metallica, che viene raccolta dal sistema di acquisizione dati Keishley. , raccolti 100 volte e calcolati rispettivamente come media (registrati come T1, T2, T3, T4 nell'esperimento, grado unitario), utilizzati per calcolare il coefficiente di scambio termico relativo della refrigerazione.

I risultati della simulazione numerica del campo della temperatura del condotto dell'aria fredda di questo modello: la temperatura ambiente è 298 K (25 gradi) e nel condotto dell'aria fredda simulato di 400 mm * 100 mm * 40 mm, il chip di refrigerazione a semiconduttore funziona nelle condizioni nominali di 12 V e 6A, e il materiale in metallo espanso è rame. , la dimensione è 100 mm * 100 mm * 40 mm ed è 5 ppi. L'effetto teorico della refrigerazione può essere confermato dai risultati.

2. Il processo sperimentale

2.1 Attrezzatura sperimentale

1 condotto dell'aria a croce in plexiglass, 2 ventilatori centrifughi interamente in-rame da 80 W- con regolazione della velocità, semiconduttore di refrigerazione (condizioni di lavoro nominali 12 V, 6 A) 50 mm*50 mm, 2 anemometri elettronici, 4 anemometri elettronici, 1 vetro Supporti per termometri, diversi metalli in schiuma di rame, PC, termocoppia in rame costantana, bottiglia di ghiaccio, sistema di acquisizione dati Keishiley 2700, scheda di acquisizione dati, alimentatore stabilizzato lineare, ecc.

2.3 Fasi sperimentali

Costruire un banco di prova secondo il progetto e leggere la temperatura ambiente Ts (gradi), che è di 26,5 gradi.

La ventola è azionata da un'alimentazione a 220V e il semiconduttore di raffreddamento è alimentato da un'alimentazione stabilizzata a tensione lineare.

Mantenere invariata la velocità del vento V2 della ventola del condotto dell'aria calda, regolare la tensione di lavoro U o la corrente I del semiconduttore di refrigerazione, regolare la velocità del vento V1 della ventola del condotto dell'aria fredda e leggere a turno T1~T8; quindi modificare V2, regolare la tensione o la corrente di lavoro del semiconduttore di refrigerazione e regolare il condotto dell'aria fredda. Velocità del vento della ventola V1, leggere T1~T8 in sequenza; ripetere come sopra, dove V2 è 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 è rispettivamente {{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) sono rispettivamente (1,4 V, 1 .0A) , (3,1V, 2.0A), (46V, 3.{{5{54}}}}A), (6,3V, 4,0A), ( 8,2 V, 5,0 A)..

La temperatura media all'uscita del condotto dell'aria fredda Tb=(T5 più T6 più T7 più T8)/4, la temperatura media della piastra di rame inferiore in schiuma metallica a contatto con la superficie fredda del semiconduttore Ta{{6 }}(T1 più T2 più T3 più T4)/4; con la formula h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, calcolare la potenza di raffreddamento Q e il relativo coefficiente di scambio termico h, dove il lato sinistro dell'equazione è la potenza di trasferimento del calore della superficie fredda e il lato destro è la potenza di raffreddamento calcolata dal raffreddamento ad aria. S – l'area della superficie inferiore della schiuma metallica, ΔTa=Ts-Ta, h è il coefficiente di trasferimento del calore effettivo con S come area di trasferimento del calore, Cp è il calore specifico dell'aria a temperatura ambiente, prendere 1.004 KJ/

Dalla figura 2 alla figura 4, poiché la velocità del vento del condotto dell'aria fredda è inferiore, la temperatura dell'aria in uscita è inferiore e l'effetto di raffreddamento è migliore. Maggiore è la potenza del foglio di raffreddamento, minore è la temperatura dell'aria all'uscita del condotto dell'aria fredda, ma quando la potenza raggiunge il massimo nell'esperimento, la temperatura dell'aria all'uscita del condotto dell'aria fredda aumenterà nuovamente, perché le condizioni di dissipazione del calore della superficie calda sono limitate, la temperatura aumenta e la temperatura della superficie fredda è corrispondente. Raccogliere.

Poiché l'esperimento è influenzato dalla strumentazione e dall'ambiente, anche se la curva oscilla in una certa misura, la conclusione complessiva è che all'aumentare della velocità del vento V2 del condotto dell'aria calda, la temperatura dell'aria Tb all'uscita del condotto dell'aria fredda diminuisce e l'effetto di raffreddamento è buono.

Mediante il calcolo dei dati sperimentali è possibile ottenere l'effettivo coefficiente di scambio termico h della superficie fredda con S come area di scambio termico, la potenza frigorifera Q e la potenza frigorifera W del semiconduttore. L'analisi dei dati mostra che quando si modifica solo la velocità e la portata del vento all'uscita del condotto dell'aria fredda, cioè q aumenta, la temperatura dell'aria in uscita aumenta e la potenza di raffreddamento Q aumenta; quando viene modificata solo la potenza del semiconduttore di raffreddamento, ovvero W aumenta, la temperatura dell'aria in uscita diminuisce e la potenza di raffreddamento diminuisce. La potenza Q aumenta; al variare della sola velocità del vento del condotto dell'aria calda, cioè la V2 aumenta, la temperatura dell'aria in uscita diminuisce e la potenza frigorifera Q aumenta. Il coefficiente di scambio termico effettivo h della superficie fredda con S come area di scambio termico, h aumenta con l'aumento di V1, e aumenta con l'aumento di V2; ma quando la potenza del semiconduttore di raffreddamento W aumenta, h diminuisce gradualmente.

Nell'esperimento, il valore più alto della potenza di raffreddamento Q viene misurato nello stato di V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, che dimostra che la potenza di raffreddamento deve considerare in modo completo se le condizioni di dissipazione del calore soddisfano la potenza e la qualità del flusso d'aria corrispondenti. Dimensioni del flusso, velocità del vento di raffreddamento e altri fattori.

3. Conclusione

In questo articolo viene progettato un prototipo sperimentale che utilizza un sistema di refrigerazione a semiconduttore di metallo espanso. In base ai risultati sperimentali e all'analisi statistica dei dati, si traggono le seguenti conclusioni:

(1) Nelle stesse condizioni, minore è la velocità del vento dell'aria fredda, minore è la temperatura dell'aria in uscita; maggiore è la potenza elettrica del semiconduttore frigorifero, minore è la temperatura dell'aria in uscita; la velocità del vento nel condotto dell'aria calda aumenta e la temperatura dell'aria in uscita dal condotto dell'aria fredda diminuisce.

(2) Nelle stesse condizioni, la velocità del vento in uscita dal condotto dell'aria fredda aumenta, la temperatura dell'aria in uscita aumenta e la potenza di raffreddamento Q aumenta; la potenza del semiconduttore freddo W aumenta, la temperatura dell'aria in uscita diminuisce e la potenza di raffreddamento aumenta; la velocità del vento del condotto dell'aria calda aumenta, la temperatura dell'aria in uscita diminuisce, la potenza frigorifera aumenta.

(3) Il coefficiente di scambio termico effettivo h della superficie fredda con S come area di scambio termico aumenta con l'aumento di V1 e aumenta con l'aumento di V2; la potenza del semiconduttore di refrigerazione aumenta e h diminuisce gradualmente.

(4) Per una potenza di raffreddamento inferiore, scegliere una velocità dell'aria fredda più bassa, una velocità dell'aria calda più elevata e potenza elettrica; per una maggiore potenza di raffreddamento, scegliere una maggiore velocità dell'aria fredda e una maggiore velocità dell'aria calda e una maggiore potenza elettrica.