発泡金属を用いた新しい半導体冷凍システムに関する研究

電子統合技術の急速な発展に伴い、電子デバイスも小型化、軽量化、インテリジェンスに向かっています。 ただし、統合された電子デバイスの小型化により、電力密度が向上し、熱放散も増加します。 従来の冷却技術は、冷却要件を満たすことが困難でした。 したがって、熱流束密度の高い電子部品の熱放散を調べることが特に重要です。 この論文では、空冷式熱放散法を提案します。つまり、半導体冷凍技術に基づいて、発泡金属ラジエーターと組み合わせて、冷凍システムを設計し、その冷凍効果を実験的にテストします。モデル。

1.理論的根拠と実験装置

半導体クーラーは熱伝達ツールです。 N-タイプの半導体材料とP-タイプの半導体材料で形成された熱電対のペアに電流が流れると、両端の間で熱伝達が発生し、温度差がホットエンドとコールドエンドを形成します。 ただし、半導体自体には抵抗があり、電流が流れると熱が発生し、熱伝達に影響を与えます。 2つのプレート間の熱も、空気と半導体材料自体を介して逆熱伝達されます。 ホットエンドとコールドエンドが特定の温度差に達し、2つの熱伝達量が等しい場合、順方向と逆方向の熱伝達は互いに打ち消し合い、コールドエンドとホットエンドの温度は変化し続けません。 したがって、より低い温度を達成するために、熱放散などの方法を使用して、ホットエンドの温度を下げることができる。

発泡金属は、90％以上の気孔率と、一定の強度と剛性を備えた多孔質金属材料です。 このタイプの金属材料は、通気性が高く、細孔表面積が大きく、材料のかさ密度が小さい。 気流が通過するとき、それは熱交換を助長する大きな接触面積を持っています。

冷凍は半導体冷凍シートで実現しています。 半導体冷凍シートの低温面は放熱対象物と直接接触することができず、低温面の低温面の空気への自然対流伝熱効果が大きくないことを考慮して、発泡金属に付着します。熱交換を増やすための表面。 エリア、冷エネルギーの交換を強化する効果を達成するために。 冷却半導体と発泡金属は、接触熱抵抗を低減するためにシリコーングリースで接着されています。 気流の一部は冷却エネルギーを奪い、冷気を形成してターゲットに熱を放散します。また、高温の表面も気流によって奪われて環境に放出されます。

実験では、交差した-接続された二重空気ダクトを使用します。一方は冷気の輸出に使用され、もう一方は熱気の輸出に使用されます。 冷気ダクトと温風ダクトの入口にファンを接続して空気の流れを確保し、空気ダクトを処理するときに必要な測定穴と取り付け穴を残します。

冷凍半導体に通電すると温度差が生じ、低温面を流れる空気流が冷却されて冷気になり、高温面を通過する空気流が冷却されて熱風ダクトから排出されます。 高温側の温度が低く、低温側の温度が低いほど、冷却効果は高くなります。 冷気ダクトの出口には4つの対称的な温度測定点（実験ではT5、T6、T7、T8、単位度と表記）があり、4つのアネモメーターが対称的に配置されて出口の空気温度を測定し、入口の空気は温度は周囲温度によって決まります。 風速計を設置して、出口の風速を測定します。 また、半導体冷面と接触する発泡金属の表面は、中央に対称な4つの測定点を配置し、4つの熱電対を銅板にスポット溶接して、底面に溶接された銅板の温度を測定します。 Keishleyデータ取得システムによって収集された発泡金属の。 、100回収集され、それぞれ平均化され（実験では、T1、T2、T3、T4として記録され、単位度）、冷凍の相対熱伝達係数を計算するために使用されます。

このモデルの冷気ダクト温度フィールドの数値シミュレーション結果：周囲温度は298K（25度）であり、400mm * 100mm * 40mmのシミュレートされた冷気ダクトでは、半導体冷凍チップは定格条件12Vで動作します。および６Ａであり、発泡金属材料は銅である。 、サイズは100mm * 100mm * 40mm、5ppiです。 冷凍の理論的効果は、結果から確認できます。

2.実験プロセス

2.1実験装置

1つのプレキシガラスクロスエアダクト、2つのすべての-銅コア80W速度-調整された遠心ファン、冷凍半導体（定格動作条件12V、6A）50mm * 50mm、2つの電子アネモメーター、4つの電子アネモメーター、1つのガラス温度計サポート、いくつかの銅発泡金属、PC、銅コンスタンタン熱電対、アイスボトル、Keishiley 2700データ取得システム、データ取得カード、線形安定化電源など。

2.3実験手順

設計に従ってテストベンチを構築し、26.5度である室温Ts（度）を読み取ります。

ファンは220V電源で駆動され、冷却半導体は線形電圧安定化電源で駆動されます。

熱風ダクトファンの風速V2を変更せずに、冷凍半導体の動作電圧Uまたは電流Iを調整し、冷気ダクトファンの風速V1を調整して、T1〜T8を順番に読み取ります。 次に、V2を変更し、冷凍半導体の動作電圧または電流を調整し、冷気ダクトを調整します。 ファンの風速V1、T1〜T8を順番に読み取ります。 上記のように繰り返します。ここで、V2は0。5m / s、1。0 m / s、2。0 m / s、3。0 m / s、 4。0m/ s、V1はそれぞれ{{20}}。5m/ s、1。0 m / s、1.5m / s、2。{{31 }} m / s、2.5m / s、3。0 m / s、3.5m / s、4。0 m / s、（U、I）はそれぞれ（1.4V、1 。0A）、（3.1V、2。0 A）、（46V、3。{{5 0}} A）、（6.3V、4.0A）、（ 8.2V、5.0A）。

冷気ダクトの出口の平均温度Tb=（T5 + T6 + T7 + T8）/ 4、半導体の低温表面Ta{{6と接触している発泡金属底部銅板の平均温度}}（T1 + T2 + T3 + T4）/ 4; 式h*ΔTa*S= Q=Cp *（m / t）*ΔTbにより、冷却力Qと相対熱伝達係数hを計算します。ここで、式の左辺は次のようになります。冷面熱伝達率、右側は空冷で計算した冷房力です。 S –発泡金属の底面の面積ΔTa= Ts - Ta、hは実際の熱伝達係数で、Sは熱伝達面積、Cpは空気の比熱です。室温、1.004KJ/を取る

図2から図4に示すように、冷気ダクトの風速が低いほど、出口空気温度が低くなり、冷却効果が高くなります。 冷却シートの出力が高いほど、冷気ダクトの出口の気温は低くなりますが、実験で出力が最大になると、冷気ダクトの出口の気温は再び上昇します。高温面の放熱条件が制限され、温度が上昇し、低温面の温度が対応します。 選び出す。

実験は機器や環境の影響を受けますが、曲線はある程度変動しますが、全体としては、熱風ダクトの風速V2の増加に伴い、冷気ダクト出口の気温Tbが上昇すると結論付けられます。減少し、冷却効果は良好です。

実験データの計算により、熱交換面積としてS、冷却力Q、および冷却半導体力Wを使用した低温面の実際の熱伝達係数hを取得できます。 データ分析は、冷気ダクトの出口で風速と風量を変更するだけで、つまりqが増加すると、出口空気温度が上昇し、冷却力Qが増加することを示しています。 冷却半導体電力のみを変更した場合、つまりWが増加した場合、外気温度が低下し、冷却電力が低下します。 パワーQが増加します。 熱風ダクトの風速のみを変更した場合、つまりV2が上昇した場合、外気温度が低下し、冷房力Qが上昇します。 Sを熱交換面積とする低温面の実際の熱伝達係数hは、V1の増加とともに増加し、V2の増加とともに増加します。 しかし、冷却半導体パワーWが増加すると、hは徐々に減少します。

実験では、冷却能力Qの最大値は、V 2=3 m / s、U =6 .3V、I =4 A、V1=4の状態で測定されます。 m / s。これは、冷却能力が、熱放散条件が対応する電力と気流の品質を満たしているかどうかを包括的に考慮する必要があることを証明しています。 流れの大きさ、冷却風速およびその他の要因。

3.結論

この論文では、発泡金属半導体冷凍システムを使用した実験的なプロトタイプが設計されています。 実験結果とデータの統計分析によると、次の結論が導き出されます。

（1）同じ条件で、冷気風速が低いほど、出口空気温度は低くなります。 冷凍半導体の電力が高いほど、出口の気温は低くなります。 熱風ダクトの風速が上がり、冷気ダクトの出口気温が下がります。

（2）同じ条件で、冷気ダクトの出口風速が上昇し、出口空気温度が上昇し、冷房力Qが上昇します。 低温半導体電力Wが増加し、出口気温が低下し、冷却電力が増加します。 熱風ダクトの風速が増加し、出口の気温が低下し、冷却能力が増加します。

（3）熱交換面積がV1の増加とともに増加し、V2の増加とともに増加するときのSによる低温表面の実際の熱伝達係数h。 冷凍半導体の出力は増加し、hは徐々に減少します。

（4）冷却能力を低くするには、冷気速度を低くし、熱風速度を高くし、電力を高くします。 より高い冷却力を得るには、より高い冷気速度と熱風速度、およびより高い電力を選択します。