Forschung zu einem neuen Halbleiter-Kühlsystem mit Metallschaum

Mit der rasanten Entwicklung der elektronischen Integrationstechnologie bewegen sich auch elektronische Geräte in Richtung Miniaturisierung, geringes Gewicht und Intelligenz. Die Miniaturisierung integrierter elektronischer Geräte erhöht jedoch die Leistungsdichte, während die Wärmeableitung ebenfalls zunimmt. Herkömmliche Kühltechnologien waren schwierig, die Kühlanforderungen zu erfüllen. Daher ist es besonders wichtig, die Wärmeableitung von elektronischen Bauteilen mit hoher Wärmestromdichte zu untersuchen. In dieser Arbeit wird ein luftgekühltes Wärmeableitungsverfahren vorgeschlagen, d. h. auf der Grundlage der Halbleiter-Kältetechnik, kombiniert mit einem Schaummetallradiator, wird ein Kühlsystem entworfen und seine Kühlwirkung experimentell getestet Modell.

1. Theoretische Grundlage und experimentelles Gerät

Der Halbleiterkühler ist ein Wärmeübertragungswerkzeug. Wenn ein Strom durch ein Thermoelementpaar fließt, das aus einem Stück N--Typ-Halbleitermaterial und einem Stück P--Typ-Halbleitermaterial besteht, findet zwischen den beiden Enden eine Wärmeübertragung statt, was zu einem Temperaturunterschied zu führt bilden die heißen und kalten Enden. Der Halbleiter selbst hat jedoch einen Widerstand, der beim Durchgang des Stroms Wärme erzeugt, was die Wärmeübertragung beeinflusst. Die Wärme zwischen den beiden Platten erfährt auch eine umgekehrte Wärmeübertragung durch die Luft und das Halbleitermaterial selbst. Wenn das warme und das kalte Ende einen bestimmten Temperaturunterschied erreichen und die beiden Wärmeübertragungsmengen gleich sind, heben sich die Vorwärts- und Rückwärtswärmeübertragung gegenseitig auf, und die Temperatur des kalten und des heißen Endes ändert sich nicht weiter. Um eine niedrigere Temperatur zu erreichen, können daher Methoden wie Wärmeableitung verwendet werden, um die Temperatur des heißen Endes zu reduzieren.

Metallschaum ist ein poröser Metallwerkstoff mit einer Porosität von mehr als 90 Prozent und einer gewissen Festigkeit und Steifigkeit. Diese Art von Metallmaterial hat eine hohe Luftdurchlässigkeit, eine große Porenoberfläche und eine geringe Materialschüttdichte. Wenn der Luftstrom hindurchströmt, hat er eine große Kontaktfläche, die dem Wärmeaustausch förderlich ist.

Die Kühlung wird durch ein Halbleiterkühlblech realisiert. In Anbetracht dessen, dass die kalte Oberfläche der Halbleiterkühlfolie nicht in direktem Kontakt mit dem Wärmeableitungsobjekt stehen kann und der natürliche Konvektionswärmeübertragungseffekt der kalten Oberfläche der kalten Oberfläche an die Luft nicht signifikant ist, wird sie an dem Schaummetall befestigt Oberfläche, um den Wärmeaustausch zu erhöhen. Bereich, um den Effekt zu erzielen, den Austausch von Kälteenergie zu stärken. Der Kühlhalbleiter und das Schaummetall sind durch Silikonfett verbunden, um den thermischen Kontaktwiderstand zu verringern. Ein Teil des Luftstroms nimmt die Kühlenergie ab, bildet kalte Luft und gibt Wärme an das Ziel ab, und auch die heiße Oberfläche wird vom Luftstrom mitgenommen und an die Umgebung abgegeben.

Das Experiment verwendet kreuz-verbundene doppelte Luftkanäle, von denen einer zum Abführen kalter Luft und der andere zum Abführen heißer Luft verwendet wird. Schließen Sie die Ventilatoren am Eingang der Kalt- und Warmluftkanäle an, um einen Luftstrom zu gewährleisten, und lassen Sie die erforderlichen Messlöcher und Installationslöcher bei der Bearbeitung der Luftkanäle.

Wenn der Kühlhalbleiter erregt wird, wird eine Temperaturdifferenz erzeugt, der Luftstrom durch die kalte Oberfläche wird gekühlt, um zu kalter Luft zu werden, und der Luftstrom durch die heiße Oberfläche kühlt sie ab und wird aus dem Heißluftkanal abgegeben. Je niedriger die Temperatur der heißen Seite und je niedriger die Temperatur der kalten Seite, desto besser die Kühlwirkung. Es gibt 4 symmetrische Temperaturmesspunkte (im Versuch als T5, T6, T7, T8 bezeichnet, Einheit Grad) am Auslass des Kaltluftkanals, und 4 Anemometer sind symmetrisch angeordnet, um die Temperatur der Auslassluft zu messen, während die der Einlassluft Die Temperatur wird durch die Umgebungstemperatur bestimmt. Installieren Sie ein Anemometer, um die Windgeschwindigkeit am Ausgang zu messen. Außerdem ist die mit der kalten Halbleiteroberfläche in Kontakt stehende Oberfläche des Schaummetalls mit 4 Messpunkten symmetrisch in der Mitte angeordnet, und 4 Thermoelemente sind auf der Kupferplatte punktgeschweißt, um die Temperatur der auf die untere Oberfläche geschweißten Kupferplatte zu messen des Schaummetalls, das vom Datenerfassungssystem von Keishley gesammelt wird. , 100 Mal gesammelt und jeweils gemittelt (im Experiment als T1, T2, T3, T4 aufgezeichnet, Einheit Grad ), verwendet, um den relativen Wärmeübertragungskoeffizienten der Kühlung zu berechnen.

Die numerischen Simulationsergebnisse des Temperaturfelds des Kaltluftkanals dieses Modells: Die Umgebungstemperatur beträgt 298 K (25 Grad), und im simulierten Kaltluftkanal von 400 mm * 100 mm * 40 mm arbeitet der Halbleiter-Kühlchip unter den Nennbedingungen von 12 V und 6A, und das Schaummetallmaterial ist Kupfer. , die Größe beträgt 100 mm * 100 mm * 40 mm und 5 ppi. Die theoretische Wirkung der Kühlung kann anhand der Ergebnisse bestätigt werden.

2. Der experimentelle Prozess

2.1 Experimentelle Ausrüstung

1 Querluftkanal aus Plexiglas, 2 drehzahlgeregelte Zentrifugalventilatoren mit 80 W -Kupferkern, 50 mm x 50 mm, Kühlhalbleiter (Nennbetriebszustand 12 V, 6 A), 2 elektronische Anemometer, 4 elektronische Anemometer, 1 Glas Thermometerhalterungen, mehrere Kupferschaummetalle, PC, Kupfer-Konstantan-Thermoelement, Eisflasche, Keishiley 2700-Datenerfassungssystem, Datenerfassungskarte, linear stabilisiertes Netzteil usw.

2.3 Experimentelle Schritte

Bauen Sie einen Prüfstand gemäß dem Entwurf und lesen Sie die Raumtemperatur Ts (Grad) ab, die 26,5 Grad beträgt.

Der Lüfter wird von einem 220-V-Netzteil angetrieben, und der Kühlhalbleiter wird von einem linear spannungsstabilisierten Netzteil gespeist.

Halten Sie die Windgeschwindigkeit V2 des Heißluftkanalventilators unverändert, stellen Sie die Arbeitsspannung U oder den Strom I des Kühlhalbleiters ein, stellen Sie die Windgeschwindigkeit V1 des Kaltluftkanalventilators ein und lesen Sie der Reihe nach T1~T8; Ändern Sie dann V2, stellen Sie die Arbeitsspannung oder den Strom des Kühlhalbleiters ein und stellen Sie den Kaltluftkanal ein. Gebläsewindgeschwindigkeit V1, lesen Sie T1~T8 in Folge; wie oben wiederholen, wobei V2 0,5 m/s, 1,0 m/s, 2,0 m/s, 3,0 m/s ist, 4,0m/s, V1 ist jeweils {{20}},5m/s, 1,0m/s, 1,5m/s, 2,{{31 }}m/s, 2,5m/s, 3,0m/s, 3,5m/s, 4,0m/s, (U, I) sind jeweils (1,4V, 1 .0A), (3.1V, 2.0A), (46V, 3.{{5{0}}A), (6.3V, 4.0A), ( 8,2 V, 5,0 A)..

Die durchschnittliche Temperatur am Auslass des Kaltluftkanals Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, die durchschnittliche Temperatur der Kupferplatte des Metallschaumbodens in Kontakt mit der kalten Halbleiteroberfläche Ta{{6 }}(T1 plus T2 plus T3 plus T4)/4; Berechnen Sie mit der Formel h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb die Kühlleistung Q und den relativen Wärmeübergangskoeffizienten h, wobei die linke Seite der Gleichung ist die Wärmeübertragungsleistung an der kalten Oberfläche, und die rechte Seite ist die durch Luftkühlung berechnete Kühlleistung. S – die Fläche der unteren Oberfläche des Metallschaums, ΔTa=Ts-Ta, h ist der tatsächliche Wärmeübergangskoeffizient mit S als Wärmeübergangsfläche, Cp ist die spezifische Wärme der Luft bei Raumtemperatur, nehmen Sie 1,004 KJ/

Von Abbildung 2 bis Abbildung 4: Je niedriger die Windgeschwindigkeit des Kaltluftkanals ist, desto niedriger ist die Auslasslufttemperatur und der Kühleffekt ist besser. Je höher die Leistung des Kühlblechs ist, desto niedriger ist die Lufttemperatur am Ausgang des Kaltluftkanals, aber wenn die Leistung im Experiment das Maximum erreicht, steigt die Lufttemperatur am Ausgang des Kaltluftkanals wieder an, weil die Wärmeableitungsbedingungen der heißen Oberfläche sind begrenzt, die Temperatur steigt und die Temperatur der kalten Oberfläche ist entsprechend. aufsammeln.

Da das Experiment von Instrumenten und Umgebung beeinflusst wird, obwohl die Kurve in gewissem Maße schwankt, ist die Gesamtschlussfolgerung, dass mit der Zunahme der Windgeschwindigkeit V2 des Heißluftkanals die Lufttemperatur Tb am Ausgang des Kaltluftkanals steigt nimmt ab und die Kühlwirkung ist gut.

Durch die Berechnung der experimentellen Daten kann der tatsächliche Wärmeübergangskoeffizient h der kalten Oberfläche mit S als Wärmeaustauschfläche, der Kühlleistung Q und der Kühlleistung W des Halbleiters erhalten werden. Die Datenanalyse zeigt, dass, wenn sich nur die Windgeschwindigkeit und die Strömung am Auslass des Kaltluftkanals ändern, dh q steigt, die Auslasslufttemperatur steigt und die Kühlleistung Q steigt; wenn nur die Kühlhalbleiterleistung geändert wird, d. h. W zunimmt, sinkt die Auslasslufttemperatur und die Kühlleistung sinkt. Die Leistung Q nimmt zu; wenn nur die Windgeschwindigkeit des Warmluftkanals geändert wird, d. h. V2 zunimmt, sinkt die Auslasslufttemperatur und die Kühlleistung Q steigt. Der tatsächliche Wärmeübergangskoeffizient h der kalten Oberfläche mit S als Wärmeaustauschfläche h steigt mit der Erhöhung von V1 und steigt mit der Erhöhung von V2; aber wenn die Kühlhalbleiterleistung W zunimmt, nimmt h allmählich ab.

Im Experiment wird der höchste Wert der Kühlleistung Q im Zustand V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 gemessen m/s, was beweist, dass die Kühlleistung umfassend berücksichtigen muss, ob die Wärmeabfuhrbedingungen der entsprechenden Leistungs- und Luftstromqualität entsprechen. Strömungsgröße, Kühlwindgeschwindigkeit und andere Faktoren.

3. Fazit

In diesem Artikel wird ein experimenteller Prototyp unter Verwendung eines Schaummetallhalbleiter-Kühlsystems entworfen. Gemäß den experimentellen Ergebnissen und der statistischen Analyse der Daten werden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:

(1) Unter den gleichen Bedingungen, je niedriger die Kaltluftwindgeschwindigkeit, desto niedriger die Auslasslufttemperatur; je höher die elektrische Leistung des Kältehalbleiters, desto niedriger die Austrittslufttemperatur; die Windgeschwindigkeit des Heißluftkanals nimmt zu und die Auslasslufttemperatur des Kaltluftkanals nimmt ab.

(2) Unter den gleichen Bedingungen steigt die Austrittswindgeschwindigkeit des Kaltluftkanals, die Austrittslufttemperatur steigt und die Kühlleistung Q steigt; die Kalthalbleiterleistung W steigt, die Auslasslufttemperatur sinkt und die Kühlleistung steigt; Die Windgeschwindigkeit des Warmluftkanals steigt, die Ausblastemperatur sinkt, die Kühlleistung steigt.

(3) Der tatsächliche Wärmeübertragungskoeffizient h der kalten Oberfläche mit S als Wärmeaustauschfläche steigt mit der Zunahme von V1 und steigt mit der Zunahme von V2; die Leistung des Kühlhalbleiters steigt und h nimmt allmählich ab.

(4) Wählen Sie für eine geringere Kühlleistung eine niedrigere Kaltluftgeschwindigkeit, eine höhere Heißluftgeschwindigkeit und elektrische Leistung; Wählen Sie für eine höhere Kühlleistung eine höhere Kaltluft- und Heißluftgeschwindigkeit sowie eine höhere elektrische Leistung.