Cercetare privind noul sistem de refrigerare cu semiconductor care utilizează spumă metalică

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei de integrare electronică, dispozitivele electronice se îndreaptă, de asemenea, către miniaturizare, greutate redusă și inteligență. Cu toate acestea, miniaturizarea dispozitivelor electronice integrate crește densitatea de putere, în timp ce disiparea căldurii crește și ea. Tehnologiile tradiționale de răcire au fost dificil de îndeplinit cerințele de răcire. Prin urmare, este deosebit de important să se studieze disiparea căldurii componentelor electronice cu densitate mare a fluxului de căldură. În această lucrare, este propusă o metodă de disipare a căldurii-răcită cu aer, adică pe baza tehnologiei de refrigerare cu semiconductor, combinată cu un radiator metalic cu spumă, este proiectat un sistem de refrigerare și efectul său de refrigerare este testat printr-un experiment experimental. model.

1. Baza teoretică și dispozitivul experimental

Răcitorul cu semiconductor este un instrument de transfer de căldură. Când un curent trece printr-o pereche de termocuplu formată dintr-o bucată de material semiconductor de tip N-și o bucată de material semiconductor de tip P-, transferul de căldură are loc între cele două capete, rezultând o diferență de temperatură la formați capetele calde și reci. Cu toate acestea, semiconductorul în sine are rezistență, care generează căldură atunci când curentul trece prin el, ceea ce afectează transferul de căldură. Căldura dintre cele două plăci suferă, de asemenea, un transfer invers de căldură prin aer și materialul semiconductor în sine. Când capetele calde și reci ating o anumită diferență de temperatură și cele două cantități de transfer de căldură sunt egale, transferul de căldură înainte și invers se anulează reciproc, iar temperatura capetele reci și fierbinte nu se va schimba în continuare. Prin urmare, pentru a obține o temperatură mai scăzută, metode precum disiparea căldurii pot fi utilizate pentru a reduce temperatura capătului fierbinte.

Spuma metalică este un material metalic poros cu o porozitate de peste 90% și o anumită rezistență și rigiditate. Acest tip de material metalic are o permeabilitate ridicată la aer, o suprafață mare a porilor și o densitate în vrac mică a materialului. Când fluxul de aer trece, are o zonă mare de contact, care este propice schimbului de căldură.

Refrigerarea se realizează prin tablă frigorifică semiconductoare. Având în vedere că suprafața rece a foii de refrigerare semiconductoare nu poate fi în contact direct cu obiectul de disipare a căldurii, iar efectul natural de transfer de căldură prin convecție al suprafeței reci a suprafeței reci la aer nu este semnificativ, acesta este atașat de spumă metalică suprafață pentru a crește schimbul de căldură. zona, pentru a obține efectul de întărire a schimbului de energie rece. Semiconductorul de răcire și spuma metalică sunt lipite cu unsoare siliconică pentru a reduce rezistența termică de contact. O parte din fluxul de aer ia energia de răcire, formând aer rece și disipând căldura către țintă, iar suprafața fierbinte este, de asemenea, luată de fluxul de aer și descărcată în mediu.

Experimentul utilizează conducte de aer duble-conectate încrucișat, dintre care una este folosită pentru a exporta aer rece, iar cealaltă este utilizată pentru a exporta aer cald. Conectați ventilatoarele la intrarea conductelor de aer rece și cald pentru a asigura fluxul de aer și lăsați orificiile de măsurare și orificiile de instalare necesare atunci când procesați canalele de aer.

Când semiconductorul de refrigerare este alimentat, se generează o diferență de temperatură, fluxul de aer prin suprafața rece este răcit pentru a deveni aer rece, iar fluxul de aer prin suprafața fierbinte îl răcește și este evacuat din conducta de aer cald. Cu cât temperatura părții fierbinți este mai scăzută și temperatura părții reci este mai scăzută, cu atât efectul de răcire este mai bun. Există 4 puncte simetrice de măsurare a temperaturii (notate ca T5, T6, T7, T8 în experiment, gradul de unitate) la ieșirea din conducta de aer rece și 4 anemometre sunt dispuse simetric pentru a măsura temperatura aerului la ieșire, în timp ce aerul de intrare. temperatura este determinată de temperatura ambiantă. Instalați un anemometru pentru a măsura viteza vântului la ieșire. În plus, suprafața spumei de metal în contact cu suprafața rece a semiconductorului este aranjată cu 4 puncte de măsurare simetrice în centru, iar 4 termocupluri sunt sudate la puncte pe placa de cupru pentru a măsura temperatura plăcii de cupru sudate pe suprafața inferioară. din spuma metalică, care este colectată de sistemul de achiziție de date Keishley. , colectat de 100 de ori și, respectiv, mediat (înregistrat ca T1, T2, T3, T4 în experiment, unitatea de grad), utilizat pentru a calcula coeficientul de transfer de căldură relativ de refrigerare.

Rezultatele simulării numerice ale câmpului de temperatură a conductei de aer rece al acestui model: temperatura ambientală este de 298K (25 de grade), iar în conducta de aer rece simulată de 400 mm * 100 mm * 40 mm, cipul de refrigerare cu semiconductor funcționează în condițiile nominale de 12 V. și 6A, iar materialul metalic din spumă este cupru. , dimensiunea este de 100 mm * 100 mm * 40 mm și este de 5 ppi. Efectul teoretic al refrigerarii poate fi confirmat din rezultate.

2. Procesul experimental

2.1 Echipamente experimentale

1 conductă de aer transversală din plexiglas, 2 ventilatoare centrifugale cu miez de cupru de 80 W cu viteză de 80 W, semiconductor frigorific (condiție nominală de funcționare 12 V, 6 A) 50 mm*50 mm, 2 anemometre electronice, 4 anemometre electronice, 1 sticlă Suporturi pentru termometru, mai multe spumă metalică de cupru, PC, termocuplu constantan de cupru, sticlă de gheață, sistem de achiziție de date Keishiley 2700, card de achiziție de date, sursă de alimentare liniară stabilizată etc.

2.3 Etape experimentale

Construiți un banc de testare conform proiectului și citiți temperatura camerei Ts ( grade ), care este de 26,5 grade .

Ventilatorul este acționat de o sursă de alimentare de 220 V, iar semiconductorul de răcire este alimentat de o sursă de alimentare stabilizată cu tensiune liniară.

Păstrați neschimbată viteza vântului V2 a ventilatorului conductei de aer cald, reglați tensiunea de lucru U sau curentul I al semiconductorului de refrigerare, reglați viteza vântului V1 a ventilatorului conductei de aer rece și citiți pe rând T1 ~ T8; apoi schimbați V2, reglați tensiunea sau curentul de lucru al semiconductorului de refrigerare și reglați conducta de aer rece. Viteza vântului ventilatorului V1, citiți T1~T8 în secvență; repetați ca mai sus, unde V2 este 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 este {{2{0}}, respectiv, 1,0m/s, 1,5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, (U, I) sunt respectiv (1.4V, 1 .0A), (3,1 V, 2,0A), (46 V, 3,{{5{0}}A), (6,3 V, 4,0 A), ( 8,2 V, 5,0 A)..

Temperatura medie la ieșirea conductei de aer rece Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, temperatura medie a plăcii de cupru inferioare cu spumă metalică în contact cu suprafața rece a semiconductorului Ta{{6 }}(T1 plus T2 plus T3 plus T4)/4; cu formula h*ΔTa* S=Q{=Cp*(m/t)*ΔTb, calculați puterea de răcire Q și coeficientul relativ de transfer de căldură h, unde partea stângă a ecuației este puterea de transfer de căldură la suprafața rece, iar partea dreaptă este puterea de răcire calculată prin răcirea cu aer. S – aria suprafeței inferioare a spumei metalice, ΔTa=Ts{-Ta, h este coeficientul real de transfer de căldură cu S ca zonă de transfer de căldură, Cp este căldura specifică a aerului la temperatura camerei, luați 1,004 KJ/

Din Figura 2 până în Figura 4, deoarece viteza vântului a conductei de aer rece este mai mică, temperatura aerului de evacuare este mai scăzută, iar efectul de răcire este mai bun. Cu cât puterea foii de răcire este mai mare, cu atât temperatura aerului la ieșirea din conducta de aer rece este mai mică, dar când puterea atinge maximul în experiment, temperatura aerului la ieșirea din conducta de aer rece va crește din nou, deoarece condițiile de disipare a căldurii ale suprafeței fierbinți sunt limitate, temperatura crește, iar temperatura suprafeței reci este corespunzătoare. ridica.

Deoarece experimentul este afectat de instrumente și mediu, deși curba fluctuează într-o anumită măsură, concluzia generală este că odată cu creșterea vitezei vântului V2 a conductei de aer cald, temperatura aerului Tb la ieșirea din conducta de aer rece. scade, iar efectul de răcire este bun.

Prin calculul datelor experimentale se poate obține coeficientul real de transfer de căldură h al suprafeței reci cu S ca zonă de schimb de căldură, puterea de răcire Q și puterea semiconductorului de răcire W. Analiza datelor arată că atunci când se modifică doar viteza și debitul vântului la ieșirea din conducta de aer rece, adică q crește, temperatura aerului de evacuare crește și puterea de răcire Q crește; când se modifică doar puterea semiconductorului de răcire, adică W crește, temperatura aerului de ieșire scade și puterea de răcire scade. Puterea Q crește; când se modifică doar viteza vântului a conductei de aer cald, adică V2 crește, temperatura aerului de ieșire scade și puterea de răcire Q crește. Coeficientul real de transfer de căldură h al suprafeței reci cu S ca zonă de schimb de căldură, h crește odată cu creșterea lui V1 și crește odată cu creșterea lui V2; dar când puterea semiconductorului de răcire W crește, h scade treptat.

În experiment, cea mai mare valoare a puterii de răcire Q este măsurată în starea de V2=3m/s, U=6,3V, I=4A, V1=4 m/s, ceea ce demonstrează că puterea de răcire trebuie să ia în considerare în mod cuprinzător dacă condițiile de disipare a căldurii îndeplinesc puterea corespunzătoare și calitatea fluxului de aer. Dimensiunea debitului, viteza vântului de răcire și alți factori.

3. Concluzie

În această lucrare, este proiectat un prototip experimental care utilizează un sistem de refrigerare cu semiconductor din spumă metalică. Conform rezultatelor experimentale și analizei statistice a datelor, se trag următoarele concluzii:

(1) În aceleași condiții, cu cât viteza vântului de aer rece este mai mică, cu atât temperatura aerului de evacuare este mai scăzută; cu cât puterea electrică a semiconductorului de refrigerare este mai mare, cu atât temperatura aerului de evacuare este mai mică; viteza vântului din conducta de aer cald crește, iar temperatura aerului de ieșire a conductei de aer rece scade.

(2) În aceleași condiții, viteza vântului de ieșire a conductei de aer rece crește, temperatura aerului de ieșire crește, iar puterea de răcire Q crește; puterea semiconductorului rece W crește, temperatura aerului de ieșire scade și puterea de răcire crește; viteza vântului în conducta de aer cald crește, temperatura aerului de evacuare scade, puterea de răcire crește.

(3) Coeficientul real de transfer de căldură h al suprafeței reci cu S pe măsură ce aria de schimb de căldură crește odată cu creșterea lui V1 și crește odată cu creșterea lui V2; puterea semiconductorului de refrigerare crește, iar h scade treptat.

(4) Pentru o putere de răcire mai mică, alegeți o viteză mai mică a aerului rece, o viteză mai mare a aerului cald și putere electrică; pentru o putere de răcire mai mare, alegeți o viteză mai mare a aerului rece și a aerului cald și o putere electrică mai mare.