Recherche sur un nouveau système de réfrigération à semi-conducteur utilisant de la mousse métallique

Avec le développement rapide de la technologie d'intégration électronique, les appareils électroniques évoluent également vers la miniaturisation, la légèreté et l'intelligence. Cependant, la miniaturisation des dispositifs électroniques intégrés augmente la densité de puissance tandis que la dissipation thermique augmente également. Les technologies de refroidissement traditionnelles ont été difficiles à répondre aux exigences de refroidissement. Par conséquent, il est particulièrement important d'étudier la dissipation thermique des composants électroniques à haute densité de flux thermique. Dans cet article, une méthode de dissipation de la chaleur refroidie par air-est proposée, c'est-à-dire que, sur la base de la technologie de réfrigération à semi-conducteurs, combinée à un radiateur en mousse métallique, un système de réfrigération est conçu et son effet de réfrigération est testé par une expérience expérimentale maquette.

1. Base théorique et dispositif expérimental

Le refroidisseur à semi-conducteur est un outil de transfert de chaleur. Lorsqu'un courant traverse une paire de thermocouples formée par un morceau de matériau semi-conducteur de type N- et un morceau de matériau semi-conducteur de type P-, un transfert de chaleur se produit entre les deux extrémités, ce qui entraîne une différence de température à former les extrémités chaudes et froides. Cependant, le semi-conducteur lui-même a une résistance, qui génère de la chaleur lorsque le courant le traverse, ce qui affecte le transfert de chaleur. La chaleur entre les deux plaques subit également un transfert de chaleur inverse à travers l'air et le matériau semi-conducteur lui-même. Lorsque les extrémités chaudes et froides atteignent une certaine différence de température et que les deux quantités de transfert de chaleur sont égales, les transferts de chaleur vers l'avant et vers l'arrière s'annulent et la température des extrémités froide et chaude ne continuera pas à changer. Par conséquent, afin d'obtenir une température plus basse, des méthodes telles que la dissipation thermique peuvent être utilisées pour réduire la température de l'extrémité chaude.

La mousse métallique est un matériau métallique poreux avec une porosité de plus de 90 % et une certaine résistance et rigidité. Ce type de matériau métallique a une perméabilité à l'air élevée, une grande surface de pores et une faible densité apparente de matériau. Lorsque le flux d'air passe à travers, il a une grande surface de contact, ce qui est propice à l'échange de chaleur.

La réfrigération est réalisée par une feuille de réfrigération semi-conductrice. Considérant que la surface froide de la feuille de réfrigération semi-conductrice ne peut pas être en contact direct avec l'objet de dissipation thermique, et que l'effet de transfert de chaleur par convection naturelle de la surface froide de la surface froide à l'air n'est pas significatif, il est attaché à la mousse métallique surface pour augmenter l'échange de chaleur. zone, pour obtenir l'effet de renforcer l'échange d'énergie froide. Le semi-conducteur de refroidissement et la mousse métallique sont liés par de la graisse silicone pour réduire la résistance thermique de contact. Une partie du flux d'air enlève l'énergie de refroidissement, formant de l'air froid et dissipant la chaleur vers la cible, et la surface chaude est également emportée par le flux d'air et rejetée dans l'environnement.

L'expérience utilise-des conduits d'air doubles interconnectés, dont l'un est utilisé pour exporter de l'air froid et l'autre est utilisé pour exporter de l'air chaud. Connectez les ventilateurs à l'entrée des conduits d'air froid et chaud pour fournir un flux d'air, et laissez les trous de mesure et les trous d'installation nécessaires lors du traitement des conduits d'air.

Lorsque le semi-conducteur de réfrigération est alimenté, une différence de température est générée, le flux d'air à travers la surface froide est refroidi pour devenir de l'air froid, et le flux d'air à travers la surface chaude le refroidit et est évacué du conduit d'air chaud. Plus la température du côté chaud est basse et plus la température du côté froid est basse, meilleur est l'effet de refroidissement. Il y a 4 points de mesure de température symétriques (désignés par T5, T6, T7, T8 dans l'expérience, degré unitaire) à la sortie du conduit d'air froid, et 4 anémomètres sont disposés symétriquement pour mesurer la température de l'air de sortie, tandis que l'air d'entrée La température est déterminée par la température ambiante. Installez un anémomètre pour mesurer la vitesse du vent à la sortie. De plus, la surface de la mousse métallique en contact avec la surface froide du semi-conducteur est agencée avec 4 points de mesure symétriques au centre, et 4 thermocouples sont soudés par points sur la plaque de cuivre pour mesurer la température de la plaque de cuivre soudée sur la surface inférieure de la mousse métallique, qui est recueillie par le système d'acquisition de données Keishley. , collectés 100 fois et moyennés respectivement (enregistrés comme T1, T2, T3, T4 dans l'expérience, degré unitaire ), utilisés pour calculer le coefficient de transfert de chaleur relatif de la réfrigération.

Les résultats de la simulation numérique du champ de température du conduit d'air froid de ce modèle : la température ambiante est de 298 K (25 degrés), et dans le conduit d'air froid simulé de 400 mm * 100 mm * 40 mm, la puce de réfrigération à semi-conducteur fonctionne dans les conditions nominales de 12 V et 6A, et le matériau métallique en mousse est du cuivre. , la taille est de 100 mm * 100 mm * 40 mm et de 5 ppi. L'effet théorique de la réfrigération peut être confirmé à partir des résultats.

2. Le processus expérimental

2.1 Matériel expérimental

1 conduit d'air croisé en plexiglas, 2 ventilateurs centrifuges entièrement -à noyau de cuivre 80 W- régulés, semi-conducteur réfrigérant (condition de fonctionnement nominale 12 V, 6 A) 50 mm * 50 mm, 2 anémomètres électroniques, 4 anémomètres électroniques, 1 verre Supports de thermomètre, plusieurs métaux en mousse de cuivre, PC, thermocouple en cuivre constantan, bouteille de glace, système d'acquisition de données Keishiley 2700, carte d'acquisition de données, alimentation stabilisée linéaire, etc.

2.3 Étapes expérimentales

Construisez un banc d'essai selon la conception et lisez la température ambiante Ts (degré), qui est de 26,5 degrés.

Le ventilateur est alimenté par une alimentation 220V et le semi-conducteur de refroidissement est alimenté par une alimentation stabilisée en tension linéaire.

Maintenez la vitesse du vent V2 du ventilateur du conduit d'air chaud inchangée, réglez la tension de fonctionnement U ou le courant I du semi-conducteur de réfrigération, réglez la vitesse du vent V1 du ventilateur du conduit d'air froid et lisez T1 ~ T8 tour à tour ; puis changez V2, ajustez la tension ou le courant de fonctionnement du semi-conducteur de réfrigération et ajustez le conduit d'air froid. Vitesse du vent du ventilateur V1, lire T1~T8 en séquence ; répéter comme ci-dessus, où V2 est 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 est {{20}}.5m/s respectivement, 1.0m/s, 1.5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, (U, I) sont respectivement (1.4V, 1 .0A), (3,1 V, 2.0A), (46 V, 3.{{50}}A), (6,3 V, 4,0 A), ( 8.2V, 5.0A)..

La température moyenne à la sortie du conduit d'air froid Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, la température moyenne de la plaque de cuivre inférieure en mousse métallique en contact avec la surface froide du semi-conducteur Ta{{6 }}(T1 plus T2 plus T3 plus T4)/4 ; par la formule h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, calculer la puissance de refroidissement Q et le coefficient de transfert de chaleur relatif h, où le côté gauche de l'équation est la puissance de transfert de chaleur de surface froide, et le côté droit est la puissance de refroidissement calculée par refroidissement à l'air. S - la surface de la surface inférieure de la mousse métallique, ΔTa=Ts-Ta, h est le coefficient de transfert de chaleur réel avec S comme surface de transfert de chaleur, Cp est la chaleur spécifique de l'air à température ambiante, prendre 1.004KJ/

De la figure 2 à la figure 4, comme la vitesse du vent du conduit d'air froid est plus faible, la température de l'air de sortie est plus faible et l'effet de refroidissement est meilleur. Plus la puissance de la feuille de refroidissement est élevée, plus la température de l'air à la sortie du conduit d'air froid est basse, mais lorsque la puissance atteint le maximum dans l'expérience, la température de l'air à la sortie du conduit d'air froid augmentera à nouveau, car les conditions de dissipation thermique de la surface chaude sont limitées, la température augmente, et la température de la surface froide est correspondante. Récupérer.

Étant donné que l'expérience est affectée par les instruments et l'environnement, bien que la courbe fluctue dans une certaine mesure, la conclusion générale est qu'avec l'augmentation de la vitesse du vent V2 du conduit d'air chaud, la température de l'air Tb à la sortie du conduit d'air froid diminue et l'effet de refroidissement est bon.

Grâce au calcul des données expérimentales, le coefficient de transfert de chaleur réel h de la surface froide avec S comme zone d'échange de chaleur, la puissance de refroidissement Q et la puissance de semi-conducteur de refroidissement W peuvent être obtenus. L'analyse des données montre qu'en changeant uniquement la vitesse et le débit du vent à la sortie du conduit d'air froid, c'est-à-dire que q augmente, la température de l'air de sortie augmente et la puissance de refroidissement Q augmente ; lorsque seule la puissance du semi-conducteur de refroidissement est modifiée, c'est-à-dire que W augmente, la température de l'air de sortie diminue et la puissance de refroidissement diminue. La puissance Q augmente ; lorsque seule la vitesse du vent du conduit d'air chaud est modifiée, c'est-à-dire que le V2 augmente, la température de l'air de sortie diminue et la puissance de refroidissement Q augmente. Le coefficient de transfert de chaleur réel h de la surface froide avec S comme surface d'échange de chaleur, h augmente avec l'augmentation de V1 et augmente avec l'augmentation de V2 ; mais lorsque la puissance de refroidissement du semi-conducteur W augmente, h diminue progressivement.

Dans l'expérience, la valeur la plus élevée de la puissance de refroidissement Q est mesurée dans l'état de V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, ce qui prouve que la puissance de refroidissement doit examiner de manière exhaustive si les conditions de dissipation de la chaleur correspondent à la puissance et à la qualité du flux d'air correspondantes. Taille du débit, vitesse du vent de refroidissement et autres facteurs.

3.Conclusion

Dans cet article, un prototype expérimental utilisant un système de réfrigération à semi-conducteur en métal mousse est conçu. Selon les résultats expérimentaux et l'analyse statistique des données, les conclusions suivantes sont tirées :

(1) Dans les mêmes conditions, plus la vitesse du vent d'air froid est faible, plus la température de l'air de sortie est faible ; plus la puissance électrique du semi-conducteur de réfrigération est élevée, plus la température de l'air de sortie est basse ; la vitesse du vent du conduit d'air chaud augmente et la température de l'air de sortie du conduit d'air froid diminue.

(2) Dans les mêmes conditions, la vitesse du vent de sortie du conduit d'air froid augmente, la température de l'air de sortie augmente et la puissance de refroidissement Q augmente ; la puissance froide du semi-conducteur W augmente, la température de l'air de sortie diminue et la puissance de refroidissement augmente ; la vitesse du vent du conduit d'air chaud augmente, la température de l'air de sortie diminue, la puissance de refroidissement augmente.

(3) Le coefficient de transfert de chaleur réel h de la surface froide avec S lorsque la surface d'échange de chaleur augmente avec l'augmentation de V1, et augmente avec l'augmentation de V2 ; la puissance du semi-conducteur de réfrigération augmente et h diminue progressivement.

(4) Pour une puissance de refroidissement inférieure, choisissez une vitesse d'air froid plus faible, une vitesse d'air chaud plus élevée et une alimentation électrique ; pour une puissance de refroidissement plus élevée, choisissez une vitesse d'air froid et une vitesse d'air chaud plus élevées, ainsi qu'une puissance électrique plus élevée.