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運用泡沫金屬的新型半導體制冷系統研究

作者: 時間:2019-05-29 瀏覽量:287
摘要:   隨著電子集成技術的快速發展,電子器件也朝著小型化、輕量化、智能化方向邁進。然而,集成電子器件的小型化在增加功率密度的同時其散熱量也越來越大,傳統的冷卻技術已很難滿足其冷卻要求,所以研究高熱流密度的電子元件散熱尤為重要。本文提出一種風冷散熱方法,即在半導體制冷技術的基礎上,結合泡沫金屬散熱器,設計制冷系統并通過實驗模型對其制冷效果進行測試。   1、理論基礎與實驗裝置   半導體制冷片是一個熱傳遞工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時,兩端之間就會產生熱量轉移,從而產生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻,當電流經過時會產生熱量,影響熱傳遞。兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差,兩種熱傳遞的量相等時,正逆向熱傳遞相互抵消,此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。因此為了達到更低的溫度,可采取散熱等方式降低熱端溫度。   泡沫金屬是孔隙度達到90%以上,具有一定強度和剛度的多孔金屬材料。這類金屬材料透氣性高,孔隙表面積大,材料容重小。當氣流穿過

      隨著電子集成技術的快速發展,電子器件也朝著小型化、輕量化、智能化方向邁進。然而,集成電子器件的小型化在增加功率密度的同時其散熱量也越來越大,傳統的冷卻技術已很難滿足其冷卻要求,所以研究高熱流密度的電子元件散熱尤為重要。本文提出一種風冷散熱方法,即在半導體制冷技術的基礎上,結合泡沫金屬散熱器,設計制冷系統并通過實驗模型對其制冷效果進行測試。 
  1、理論基礎與實驗裝置 
  半導體制冷片是一個熱傳遞工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時,兩端之間就會產生熱量轉移,從而產生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻,當電流經過時會產生熱量,影響熱傳遞。兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差,兩種熱傳遞的量相等時,正逆向熱傳遞相互抵消,此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。因此為了達到更低的溫度,可采取散熱等方式降低熱端溫度。 
  泡沫金屬是孔隙度達到90%以上,具有一定強度和剛度的多孔金屬材料。這類金屬材料透氣性高,孔隙表面積大,材料容重小。當氣流穿過時擁有較大接觸面積,利于換熱。 
  制冷由半導體制冷片實現,考慮到半導體制冷片冷面與散熱對象不能直接接觸,且冷面的冷量向空氣的自然對流傳熱效果不顯著,故將其貼于泡沫金屬表面,增加換熱面積,達到強化冷量交換效果。制冷半導體和泡沫金屬之間由硅脂粘結,減小接觸熱阻。部分氣流帶走冷量,形成冷風并對目標散熱,熱面也同樣由氣流帶走熱量排入環境。 
  實驗用交叉連接雙風道,其中一個用于導出冷風,一個用于導出熱風。在冷熱風道入口各對接風機以提供氣流,并在加工風道時留下必要的測量空、安裝孔等。 
  制冷半導體通電時產生溫差,經過冷面的空氣流被冷卻成為冷風,經過熱面的空氣流對其降溫并由熱風道排出。熱面溫度越低,冷面溫度則越低,冷卻效果越好。冷風道出口處布有4個對稱溫度測點(實驗中記為T5,T6,T7,T8,單位℃),4個風溫計對稱布置測出口風溫,而進口風溫由環境溫度確定。安置風速儀進行出口處風速測量。另外與半導體冷面接觸的泡沫金屬表面布置中心對稱的4個測點,將4個熱電偶點焊在銅板上,用于測量泡沫金屬底面所焊銅板溫度,通過吉士利數據采集系統進行采集,采集100次,并分別取平均(實驗中記為T1,T2,T3,T4,單位℃),用于計算制冷的相對換熱系數。 
  此模型的冷風道溫度場數值模擬結果:環境溫度為298K(25℃),其中在400mm*100mm*40mm的模擬冷風道內,半導體制冷片工作在12V,6A的額定條件下,泡沫金屬材料為銅,尺寸為100mm*100mm*40mm,且為5個ppi。從結果中可以肯定制冷的理論效果。 
  2、實驗過程 
  2.1實驗器材 
  有機玻璃交叉風道1個,全銅芯80W調速離心風機2個,制冷半導體(額定工作條件12V,6A)50mm*50mm個,電子風速儀2個,電子風溫計4支,玻璃溫度計1支,銅質泡沫金屬若干,PC機,銅康銅熱電偶,冰瓶,吉士利2700數據采集系統,數據采集卡,線性穩壓電源等。 
  2.3實驗步驟 
  按設計搭建試驗臺,讀取室溫Ts(℃),為26.5℃。 
  風機由220V電源帶動,制冷半導體由線性穩壓電源供電,風速儀分別位于冷、熱風道出風口處,測得風速V1(m/s),V2(m/s)。 
  保持熱風道風機風速V2不變,調節制冷半導體的工作電壓U或電流I,調節冷風道風機風速V1,依次讀取T1~T8;再改變V2,調節制冷半導體的工作電壓或電流,調節冷風道風機風速V1,依次讀取T1~T8;如上重復,其中V2分別為0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s,3.0m/s,4.0m/s,V1分別為0.5m/s,1.0m/s,1.5m/s,2.0m/s,2.5m/s,3.0m/s,3.5m/s,4.0m/s,(U,I)分別為(1.4V,1.0A),(3.1V,2.0A),(46V,3.0A),(6.3V,4.0A),(8.2V,5.0A).. 
  冷風道出口平均溫度Tb=(T5+T6+T7+T8)/4,半導體冷面接觸的泡沫金屬底面銅板平均溫度Ta=(T1+T2+T3+T4)/4;由公式h*ΔTa*S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb,計算制冷功率Q及相對換熱系數h,其中等式左邊為冷面換熱功率,右邊為由空氣冷卻算出的制冷功率。S–泡沫金屬底面面積,ΔTa=Ts-Ta,h為以S為換熱面積的實際換熱系數,Cp為空氣室溫下比熱,取1.004KJ/ 
  從圖2~圖4中得出,隨著冷風道風速越低,出口風溫越低,冷卻效果越好。制冷片功率的越高,冷風道出口風溫越低,但當功率達到實驗最大時冷風道出口風溫又會升高,因為熱面的散熱條件有限,溫度升高,冷面的溫度也相應回升。 
  由于實驗受儀器、環境等影響,曲線雖有一定波動,但總體結論為隨熱風道風速V2的上升,冷風道出口風溫Tb下降,冷卻效果好。 
  經過實驗數據計算,可得到以S為換熱面積的冷面實際換熱系數h,制冷功率Q,制冷半導體功率W。對數據分析得知,當僅改變冷風道出口風速流量,即q增大,則出口風溫上升,制冷功率Q上升;當僅改變冷半導體功率,即W增大,則出口風溫下降,制冷功率Q上升;當僅改變熱風道風速,即V2增大,則出口風溫下降,制冷功率Q上升。以S為換熱面積的冷面實際換熱系數h,h隨V1增大而增大,隨V2增大而增大;但當制冷半導體功率W增大,h逐漸減小。 
  實驗中制冷功率Q最高值是在V2=3m/s,U=6.3V,I=4A,V1=4m/s狀態下測得,證明制冷功率需綜合考慮散熱條件是否滿足所對應功率、氣流質量流量大小、散熱風速等各種因素。 
  3、結論 
  本文設計了運用泡沫金屬半導體制冷系統的實驗原型,根據實驗效果,統計分析數據,得出如下結論: 
 ?。?)相同情況下,冷風風速越低,出口風溫越低;制冷半導體電功率越高,出口風溫越低;熱風道風速上升,冷風道出口風溫下降。 
 ?。?)相同情況下,冷風道出口風速增大,出口風溫上升,制冷功率Q上升;冷半導體功率W增大,出口風溫下降,制冷功率上升;熱風道風速增大,出口風溫下降,制冷功率上升。 
 ?。?)以S為換熱面積的冷面實際換熱系數h隨V1增大而增大,隨V2增大而增大;制冷半導體功率增大,h逐漸減小。 
 ?。?)對于較低制冷功率,可選擇較低的冷風風速,較高的熱風風速和電功率;對于較高制冷功率,則選擇較高的冷風風速及熱風速,較高電功率。 

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運用泡沫金屬的新型半導體制冷系統研究
2019-05-29

      隨著電子集成技術的快速發展,電子器件也朝著小型化、輕量化、智能化方向邁進。然而,集成電子器件的小型化在增加功率密度的同時其散熱量也越來越大,傳統的冷卻技術已很難滿足其冷卻要求,所以研究高熱流密度的電子元件散熱尤為重要。本文提出一種風冷散熱方法,即在半導體制冷技術的基礎上,結合泡沫金屬散熱器,設計制冷系統并通過實驗模型對其制冷效果進行測試。 
  1、理論基礎與實驗裝置 
  半導體制冷片是一個熱傳遞工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時,兩端之間就會產生熱量轉移,從而產生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻,當電流經過時會產生熱量,影響熱傳遞。兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差,兩種熱傳遞的量相等時,正逆向熱傳遞相互抵消,此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。因此為了達到更低的溫度,可采取散熱等方式降低熱端溫度。 
  泡沫金屬是孔隙度達到90%以上,具有一定強度和剛度的多孔金屬材料。這類金屬材料透氣性高,孔隙表面積大,材料容重小。當氣流穿過時擁有較大接觸面積,利于換熱。 
  制冷由半導體制冷片實現,考慮到半導體制冷片冷面與散熱對象不能直接接觸,且冷面的冷量向空氣的自然對流傳熱效果不顯著,故將其貼于泡沫金屬表面,增加換熱面積,達到強化冷量交換效果。制冷半導體和泡沫金屬之間由硅脂粘結,減小接觸熱阻。部分氣流帶走冷量,形成冷風并對目標散熱,熱面也同樣由氣流帶走熱量排入環境。 
  實驗用交叉連接雙風道,其中一個用于導出冷風,一個用于導出熱風。在冷熱風道入口各對接風機以提供氣流,并在加工風道時留下必要的測量空、安裝孔等。 
  制冷半導體通電時產生溫差,經過冷面的空氣流被冷卻成為冷風,經過熱面的空氣流對其降溫并由熱風道排出。熱面溫度越低,冷面溫度則越低,冷卻效果越好。冷風道出口處布有4個對稱溫度測點(實驗中記為T5,T6,T7,T8,單位℃),4個風溫計對稱布置測出口風溫,而進口風溫由環境溫度確定。安置風速儀進行出口處風速測量。另外與半導體冷面接觸的泡沫金屬表面布置中心對稱的4個測點,將4個熱電偶點焊在銅板上,用于測量泡沫金屬底面所焊銅板溫度,通過吉士利數據采集系統進行采集,采集100次,并分別取平均(實驗中記為T1,T2,T3,T4,單位℃),用于計算制冷的相對換熱系數。 
  此模型的冷風道溫度場數值模擬結果:環境溫度為298K(25℃),其中在400mm*100mm*40mm的模擬冷風道內,半導體制冷片工作在12V,6A的額定條件下,泡沫金屬材料為銅,尺寸為100mm*100mm*40mm,且為5個ppi。從結果中可以肯定制冷的理論效果。 
  2、實驗過程 
  2.1實驗器材 
  有機玻璃交叉風道1個,全銅芯80W調速離心風機2個,制冷半導體(額定工作條件12V,6A)50mm*50mm個,電子風速儀2個,電子風溫計4支,玻璃溫度計1支,銅質泡沫金屬若干,PC機,銅康銅熱電偶,冰瓶,吉士利2700數據采集系統,數據采集卡,線性穩壓電源等。 
  2.3實驗步驟 
  按設計搭建試驗臺,讀取室溫Ts(℃),為26.5℃。 
  風機由220V電源帶動,制冷半導體由線性穩壓電源供電,風速儀分別位于冷、熱風道出風口處,測得風速V1(m/s),V2(m/s)。 
  保持熱風道風機風速V2不變,調節制冷半導體的工作電壓U或電流I,調節冷風道風機風速V1,依次讀取T1~T8;再改變V2,調節制冷半導體的工作電壓或電流,調節冷風道風機風速V1,依次讀取T1~T8;如上重復,其中V2分別為0.5m/s,1.0m/s,2.0m/s,3.0m/s,4.0m/s,V1分別為0.5m/s,1.0m/s,1.5m/s,2.0m/s,2.5m/s,3.0m/s,3.5m/s,4.0m/s,(U,I)分別為(1.4V,1.0A),(3.1V,2.0A),(46V,3.0A),(6.3V,4.0A),(8.2V,5.0A).. 
  冷風道出口平均溫度Tb=(T5+T6+T7+T8)/4,半導體冷面接觸的泡沫金屬底面銅板平均溫度Ta=(T1+T2+T3+T4)/4;由公式h*ΔTa*S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb,計算制冷功率Q及相對換熱系數h,其中等式左邊為冷面換熱功率,右邊為由空氣冷卻算出的制冷功率。S–泡沫金屬底面面積,ΔTa=Ts-Ta,h為以S為換熱面積的實際換熱系數,Cp為空氣室溫下比熱,取1.004KJ/ 
  從圖2~圖4中得出,隨著冷風道風速越低,出口風溫越低,冷卻效果越好。制冷片功率的越高,冷風道出口風溫越低,但當功率達到實驗最大時冷風道出口風溫又會升高,因為熱面的散熱條件有限,溫度升高,冷面的溫度也相應回升。 
  由于實驗受儀器、環境等影響,曲線雖有一定波動,但總體結論為隨熱風道風速V2的上升,冷風道出口風溫Tb下降,冷卻效果好。 
  經過實驗數據計算,可得到以S為換熱面積的冷面實際換熱系數h,制冷功率Q,制冷半導體功率W。對數據分析得知,當僅改變冷風道出口風速流量,即q增大,則出口風溫上升,制冷功率Q上升;當僅改變冷半導體功率,即W增大,則出口風溫下降,制冷功率Q上升;當僅改變熱風道風速,即V2增大,則出口風溫下降,制冷功率Q上升。以S為換熱面積的冷面實際換熱系數h,h隨V1增大而增大,隨V2增大而增大;但當制冷半導體功率W增大,h逐漸減小。 
  實驗中制冷功率Q最高值是在V2=3m/s,U=6.3V,I=4A,V1=4m/s狀態下測得,證明制冷功率需綜合考慮散熱條件是否滿足所對應功率、氣流質量流量大小、散熱風速等各種因素。 
  3、結論 
  本文設計了運用泡沫金屬半導體制冷系統的實驗原型,根據實驗效果,統計分析數據,得出如下結論: 
 ?。?)相同情況下,冷風風速越低,出口風溫越低;制冷半導體電功率越高,出口風溫越低;熱風道風速上升,冷風道出口風溫下降。 
 ?。?)相同情況下,冷風道出口風速增大,出口風溫上升,制冷功率Q上升;冷半導體功率W增大,出口風溫下降,制冷功率上升;熱風道風速增大,出口風溫下降,制冷功率上升。 
 ?。?)以S為換熱面積的冷面實際換熱系數h隨V1增大而增大,隨V2增大而增大;制冷半導體功率增大,h逐漸減小。 
 ?。?)對于較低制冷功率,可選擇較低的冷風風速,較高的熱風風速和電功率;對于較高制冷功率,則選擇較高的冷風風速及熱風速,較高電功率。 

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