Investigación sobre un nuevo sistema de refrigeración de semiconductores que utiliza espuma metálica

Con el rápido desarrollo de la tecnología de integración electrónica, los dispositivos electrónicos también avanzan hacia la miniaturización, el peso ligero y la inteligencia. Sin embargo, la miniaturización de los dispositivos electrónicos integrados aumenta la densidad de potencia mientras que la disipación de calor también aumenta. Las tecnologías de enfriamiento tradicionales han sido difíciles de cumplir con los requisitos de enfriamiento. Por lo tanto, es particularmente importante estudiar la disipación de calor de los componentes electrónicos con alta densidad de flujo de calor. En este artículo se propone un método de disipación de calor por aire-enfriado, es decir, sobre la base de la tecnología de refrigeración de semiconductores, combinada con un radiador de metal de espuma, se diseña un sistema de refrigeración y se prueba su efecto de refrigeración a través de un experimento. modelo.

1. Base teórica y dispositivo experimental

El enfriador de semiconductores es una herramienta de transferencia de calor. Cuando una corriente pasa a través de un par de termopares formado por una pieza de material semiconductor de tipo N-y una pieza de material semiconductor de tipo P-, se produce una transferencia de calor entre los dos extremos, lo que da como resultado una diferencia de temperatura de formar los extremos caliente y frío. Sin embargo, el semiconductor en sí tiene resistencia, que genera calor cuando la corriente lo atraviesa, lo que afecta la transferencia de calor. El calor entre las dos placas también sufre una transferencia de calor inversa a través del aire y el propio material semiconductor. Cuando los extremos caliente y frío alcanzan una cierta diferencia de temperatura y las dos cantidades de transferencia de calor son iguales, la transferencia de calor directa e inversa se anulan entre sí, y la temperatura de los extremos frío y caliente no seguirá cambiando. Por lo tanto, para lograr una temperatura más baja, se pueden usar métodos como la disipación de calor para reducir la temperatura del extremo caliente.

La espuma metálica es un material metálico poroso con una porosidad de más del 90 por ciento y cierta resistencia y rigidez. Este tipo de material metálico tiene una alta permeabilidad al aire, una gran superficie de poros y una densidad aparente del material pequeña. Cuando el flujo de aire pasa, tiene una gran área de contacto, lo que favorece el intercambio de calor.

La refrigeración se realiza mediante láminas de refrigeración de semiconductores. Teniendo en cuenta que la superficie fría de la lámina de refrigeración de semiconductores no puede estar en contacto directo con el objeto de disipación de calor, y el efecto de transferencia de calor por convección natural de la superficie fría de la superficie fría al aire no es significativo, se une a la espuma de metal superficie para aumentar el intercambio de calor. área, para lograr el efecto de fortalecer el intercambio de energía fría. El semiconductor de enfriamiento y el metal de espuma están unidos por grasa de silicona para reducir la resistencia térmica de contacto. Parte del flujo de aire elimina la energía de refrigeración, formando aire frío y disipando el calor hacia el objetivo, y la superficie caliente también es absorbida por el flujo de aire y descargada en el medio ambiente.

El experimento utiliza conductos de aire dobles-conectados en cruz, uno de los cuales se usa para exportar aire frío y el otro se usa para exportar aire caliente. Conecte los ventiladores a la entrada de los conductos de aire frío y caliente para proporcionar flujo de aire, y deje los orificios de medición y los orificios de instalación necesarios cuando procese los conductos de aire.

Cuando se activa el semiconductor de refrigeración, se genera una diferencia de temperatura, el flujo de aire a través de la superficie fría se enfría para convertirse en aire frío, y el flujo de aire a través de la superficie caliente lo enfría y se descarga por el conducto de aire caliente. Cuanto más baja sea la temperatura del lado caliente y más baja la temperatura del lado frío, mejor será el efecto de enfriamiento. Hay 4 puntos de medición de temperatura simétricos (indicados como T5, T6, T7, T8 en el experimento, unidad de grado) en la salida del conducto de aire frío, y 4 anemómetros están dispuestos simétricamente para medir la temperatura del aire de salida, mientras que el aire de entrada la temperatura está determinada por la temperatura ambiente. Instale un anemómetro para medir la velocidad del viento en la salida. Además, la superficie del metal de espuma en contacto con la superficie fría del semiconductor está dispuesta con 4 puntos de medición simétricos en el centro, y 4 termopares están soldados por puntos en la placa de cobre para medir la temperatura de la placa de cobre soldada en la superficie inferior. de la espuma metálica, que es recopilada por el sistema de adquisición de datos de Keishley. , recopilados 100 veces y promediados respectivamente (registrados como T1, T2, T3, T4 en el experimento, unidad de grado), utilizados para calcular el coeficiente de transferencia de calor relativo de refrigeración.

Los resultados de la simulación numérica del campo de temperatura del conducto de aire frío de este modelo: la temperatura ambiente es de 298 K (25 grados), y en el conducto de aire frío simulado de 400 mm * 100 mm * 40 mm, el chip de refrigeración semiconductor funciona en las condiciones nominales de 12 V y 6A, y el material de espuma metálica es cobre. , el tamaño es de 100 mm * 100 mm * 40 mm y es de 5 ppp. El efecto teórico de la refrigeración se puede confirmar a partir de los resultados.

2. El proceso experimental

2.1 Equipo experimental

1 conducto de aire cruzado de plexiglás, 2 ventiladores centrífugos regulados de -núcleo de cobre de 80 W de velocidad-totalmente de cobre, semiconductor de refrigeración (condiciones nominales de trabajo de 12 V, 6 A) de 50 mm x 50 mm, 2 anemómetros electrónicos, 4 anemómetros electrónicos, 1 de vidrio Soportes de termómetro, varios metales de espuma de cobre, PC, termopar de cobre constantan, botella de hielo, sistema de adquisición de datos Keishiley 2700, tarjeta de adquisición de datos, fuente de alimentación estabilizada lineal, etc.

2.3 Pasos experimentales

Construya un banco de pruebas de acuerdo con el diseño y lea la temperatura ambiente Ts (grados), que es de 26,5 grados.

El ventilador es impulsado por una fuente de alimentación de 220 V y el semiconductor de enfriamiento es alimentado por una fuente de alimentación estabilizada de voltaje lineal.

Mantenga la velocidad del viento V2 del ventilador del conducto de aire caliente sin cambios, ajuste el voltaje de trabajo U o la corriente I del semiconductor de refrigeración, ajuste la velocidad del viento V1 del ventilador del conducto de aire frío y lea T1 ~ T8 a su vez; luego cambie V2, ajuste el voltaje de trabajo o la corriente del semiconductor de refrigeración y ajuste el conducto de aire frío. Velocidad del viento del ventilador V1, lea T1~T8 en secuencia; repita lo anterior, donde V2 es 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 es {{20}}.5m/s respectivamente, 1.0m/s, 1.5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2,5 m/s, 3.0m/s, 3,5 m/s, 4.0m/s, (U, I) son respectivamente (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)..

La temperatura promedio a la salida del conducto de aire frío Tb=(T5 más T6 más T7 más T8)/4, la temperatura promedio de la placa de cobre inferior de espuma metálica en contacto con la superficie fría del semiconductor Ta{{6 }}(T1 más T2 más T3 más T4)/4; mediante la fórmula h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, calcule la potencia de enfriamiento Q y el coeficiente de transferencia de calor relativo h, donde el lado izquierdo de la ecuación es la potencia de transferencia de calor de la superficie fría, y el lado derecho es la potencia de enfriamiento calculada por enfriamiento por aire. S: el área de la superficie inferior de la espuma metálica, ΔTa=Ts-Ta, h es el coeficiente de transferencia de calor real con S como el área de transferencia de calor, Cp es el calor específico del aire en temperatura ambiente, tome 1.004KJ/

De la Figura 2 a la Figura 4, a medida que la velocidad del viento del conducto de aire frío es más baja, la temperatura del aire de salida es más baja y el efecto de enfriamiento es mejor. Cuanto mayor sea la potencia de la lámina de refrigeración, menor será la temperatura del aire a la salida del conducto de aire frío, pero cuando la potencia alcance el máximo en el experimento, la temperatura del aire a la salida del conducto de aire frío aumentará de nuevo, porque las condiciones de disipación de calor de la superficie caliente son limitadas, la temperatura aumenta y la temperatura de la superficie fría es correspondiente. recoger.

Dado que el experimento se ve afectado por los instrumentos y el entorno, aunque la curva fluctúa hasta cierto punto, la conclusión general es que con el aumento de la velocidad del viento V2 del conducto de aire caliente, la temperatura del aire Tb a la salida del conducto de aire frío disminuye, y el efecto de enfriamiento es bueno.

A través del cálculo de los datos experimentales, se puede obtener el coeficiente real de transferencia de calor h de la superficie fría con S como el área de intercambio de calor, la potencia de enfriamiento Q y la potencia de semiconductor de enfriamiento W. El análisis de datos muestra que cuando solo cambia la velocidad del viento y el flujo a la salida del conducto de aire frío, es decir, aumenta q, aumenta la temperatura del aire de salida y aumenta la potencia de enfriamiento Q; cuando solo se cambia la potencia del semiconductor de enfriamiento, es decir, W aumenta, la temperatura del aire de salida disminuye y la potencia de enfriamiento disminuye. La potencia Q aumenta; cuando solo se cambia la velocidad del viento del conducto de aire caliente, es decir, aumenta el V2, disminuye la temperatura del aire de salida y aumenta la potencia de refrigeración Q. El coeficiente real de transferencia de calor h de la superficie fría con S como área de intercambio de calor, h aumenta con el aumento de V1 y aumenta con el aumento de V2; pero cuando la potencia del semiconductor de refrigeración W aumenta, h disminuye gradualmente.

En el experimento, el valor más alto de potencia de enfriamiento Q se mide en el estado de V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, lo que demuestra que la potencia de enfriamiento debe considerar exhaustivamente si las condiciones de disipación de calor cumplen con la potencia correspondiente y la calidad del flujo de aire. Tamaño del flujo, velocidad del viento de enfriamiento y otros factores.

3. Conclusión

En este artículo, se diseña un prototipo experimental que utiliza un sistema de refrigeración de semiconductores de espuma metálica. De acuerdo con los resultados experimentales y el análisis estadístico de los datos, se extraen las siguientes conclusiones:

(1) En las mismas condiciones, cuanto menor sea la velocidad del viento del aire frío, menor será la temperatura del aire de salida; cuanto mayor sea la potencia eléctrica del semiconductor de refrigeración, menor será la temperatura del aire de salida; la velocidad del viento del conducto de aire caliente aumenta y la temperatura del aire de salida del conducto de aire frío disminuye.

(2) En las mismas condiciones, aumenta la velocidad del viento de salida del conducto de aire frío, aumenta la temperatura del aire de salida y aumenta la potencia de enfriamiento Q; la potencia del semiconductor frío W aumenta, la temperatura del aire de salida disminuye y la potencia de refrigeración aumenta; la velocidad del viento del conducto de aire caliente aumenta, la temperatura del aire de salida disminuye, la potencia de refrigeración aumenta.

(3) El coeficiente real de transferencia de calor h de la superficie fría con S como el área de intercambio de calor aumenta con el aumento de V1 y aumenta con el aumento de V2; la potencia del semiconductor de refrigeración aumenta y h disminuye gradualmente.

(4) Para una potencia de enfriamiento más baja, elija una velocidad de aire frío más baja, una velocidad de aire caliente más alta y energía eléctrica; para una mayor potencia de enfriamiento, elija una velocidad de aire frío y una velocidad de aire caliente más altas, y una potencia eléctrica más alta.