การวิจัยเกี่ยวกับระบบทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ใหม่โดยใช้โฟมโลหะ

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการรวมระบบอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงกำลังมุ่งไปสู่การย่อขนาด น้ำหนักเบา และความชาญฉลาด อย่างไรก็ตาม การย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการจะเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานในขณะที่การกระจายความร้อนก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เทคโนโลยีการทำความเย็นแบบดั้งเดิมนั้นยากต่อความต้องการในการทำความเย็น ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องศึกษาการกระจายความร้อนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนสูง ในบทความนี้ มีการเสนอ-วิธีการระบายความร้อนด้วยอากาศ นั่นคือบนพื้นฐานของเทคโนโลยีการทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ร่วมกับหม้อน้ำโลหะแบบโฟม ระบบทำความเย็นได้รับการออกแบบและทดสอบผลการทำความเย็นผ่านการทดลอง แบบอย่าง.

1. พื้นฐานทางทฤษฎีและอุปกรณ์ทดลอง

เครื่องทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์เป็นเครื่องมือถ่ายเทความร้อน เมื่อกระแสไหลผ่านคู่เทอร์โมคัปเปิลที่เกิดขึ้นจากชิ้นส่วนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประเภท N- และชิ้นส่วนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประเภท P- การถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้นระหว่างปลายทั้งสอง ส่งผลให้อุณหภูมิแตกต่างกันถึง สร้างปลายร้อนและเย็น อย่างไรก็ตาม สารกึ่งตัวนำนั้นมีความต้านทาน ซึ่งสร้างความร้อนเมื่อกระแสไหลผ่าน ซึ่งส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อน ความร้อนระหว่างแผ่นทั้งสองยังผ่านการถ่ายเทความร้อนย้อนกลับผ่านอากาศและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ด้วย เมื่อปลายร้อนและเย็นถึงความแตกต่างของอุณหภูมิที่แน่นอนและปริมาณการถ่ายเทความร้อนทั้งสองเท่ากัน การถ่ายเทความร้อนไปข้างหน้าและย้อนกลับจะยกเลิกกันและกัน และอุณหภูมิของปลายเย็นและปลายร้อนจะไม่เปลี่ยนแปลงต่อไป ดังนั้น เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำกว่า วิธีการต่างๆ เช่น การระบายความร้อนสามารถใช้เพื่อลดอุณหภูมิของปลายร้อนได้

โฟมโลหะเป็นวัสดุโลหะที่มีรูพรุนที่มีความพรุนมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์และมีความแข็งแรงและความแข็งบางอย่าง วัสดุโลหะชนิดนี้มีการซึมผ่านของอากาศสูง พื้นที่ผิวรูพรุนขนาดใหญ่ และความหนาแน่นรวมของวัสดุขนาดเล็ก เมื่อลมไหลผ่านจะมีพื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่ซึ่งเอื้อต่อการแลกเปลี่ยนความร้อน

การทำความเย็นทำได้โดยแผ่นทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ พิจารณาว่าพื้นผิวเย็นของแผ่นทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ไม่สามารถสัมผัสโดยตรงกับวัตถุกระจายความร้อน และผลกระทบการพาความร้อนตามธรรมชาติของพื้นผิวเย็นของพื้นผิวเย็นสู่อากาศไม่มีนัยสำคัญ มันถูกแนบกับโลหะโฟม พื้นผิวเพื่อเพิ่มการแลกเปลี่ยนความร้อน พื้นที่เพื่อให้บรรลุผลของการเสริมสร้างการแลกเปลี่ยนพลังงานเย็น. เซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็นและโลหะโฟมถูกประสานด้วยจาระบีซิลิโคนเพื่อลดความต้านทานความร้อนจากการสัมผัส กระแสลมบางส่วนดึงพลังงานความเย็น ก่อตัวเป็นอากาศเย็นและกระจายความร้อนไปยังเป้าหมาย และพื้นผิวที่ร้อนก็ถูกกระแสลมพัดออกไปและปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมด้วย

การทดลองนี้ใช้-ท่อลมคู่แบบเชื่อมขวาง-ท่อหนึ่งใช้สำหรับส่งออกลมเย็นและอีกท่อหนึ่งใช้สำหรับส่งออกลมร้อน เชื่อมต่อพัดลมที่ทางเข้าของท่อลมร้อนและเย็นเพื่อให้อากาศไหลเวียน และปล่อยให้รูวัดที่จำเป็นและรูติดตั้งเมื่อดำเนินการกับท่อลม

เมื่อเซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็นได้รับพลังงาน จะทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิ อากาศที่ไหลผ่านพื้นผิวเย็นจะถูกทำให้เย็นลงจนกลายเป็นอากาศเย็น และอากาศที่ไหลผ่านพื้นผิวที่ร้อนจะทำให้อุณหภูมิเย็นลงและถูกระบายออกจากท่อลมร้อน ยิ่งอุณหภูมิของด้านร้อนต่ำลงและอุณหภูมิของด้านเย็นยิ่งต่ำลงเท่าใด เอฟเฟกต์การระบายความร้อนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น มีจุดวัดอุณหภูมิสมมาตร 4 จุด (แสดงเป็น T5, T6, T7, T8 ในการทดลอง, องศาหน่วย ) ที่ทางออกของท่อลมเย็น และ 4 เครื่องวัดความเร็วลมถูกจัดเรียงแบบสมมาตรเพื่อวัดอุณหภูมิอากาศที่จ่ายออก ในขณะที่อากาศเข้า อุณหภูมิถูกกำหนดโดยอุณหภูมิแวดล้อม ติดตั้งเครื่องวัดความเร็วลมเพื่อวัดความเร็วลมที่ทางออก นอกจากนี้พื้นผิวของโลหะโฟมที่สัมผัสกับพื้นผิวเย็นของสารกึ่งตัวนำจะถูกจัดเรียงด้วยจุดวัด 4 จุดสมมาตรตรงกลาง และเทอร์โมคัปเปิล 4 จุดถูกเชื่อมบนแผ่นทองแดงเพื่อวัดอุณหภูมิของแผ่นทองแดงที่เชื่อมที่พื้นผิวด้านล่าง ของโลหะโฟมซึ่งเก็บรวบรวมโดยระบบเก็บข้อมูลของ Keishley รวบรวม 100 ครั้ง และหาค่าเฉลี่ยตามลำดับ (บันทึกเป็น T1, T2, T3, T4 ในการทดลอง หน่วยองศา ) ใช้ในการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสัมพัทธ์ของเครื่องทำความเย็น

ผลการจำลองเชิงตัวเลขของฟิลด์อุณหภูมิท่ออากาศเย็นของรุ่นนี้: อุณหภูมิแวดล้อมคือ 298K (25 องศา ) และในท่ออากาศเย็นจำลอง 400 มม.* 100 มม.* 40 มม. ชิปทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ทำงานภายใต้สภาวะพิกัด 12V และ 6A และวัสดุโลหะโฟมเป็นทองแดง , ขนาด 100 มม. * 100 มม. * 40 มม. และเท่ากับ 5 ppi สามารถยืนยันผลทางทฤษฎีของการทำความเย็นได้จากผลลัพธ์

2. ขั้นตอนการทดลอง

2.1 อุปกรณ์ทดลอง

ท่อลมแบบขวาง 1 ลูก,-แกนทองแดงทั้งหมด 2 ตัว ความเร็ว 80W-พัดลมแบบแรงเหวี่ยงควบคุม, เซมิคอนดักเตอร์สำหรับทำความเย็น (สภาพการทำงานที่กำหนด 12V, 6A) 50 มม.*50 มม., เครื่องวัดความเร็วลมแบบอิเล็กทรอนิกส์ 2 ตัว, เครื่องวัดความเร็วลมแบบอิเล็กทรอนิกส์ 4 ตัว, 1 แก้ว รองรับเทอร์โมมิเตอร์, โลหะโฟมทองแดงหลายตัว, PC, เทอร์โมคัปเปิลทองแดงคอนสแตนติน, ขวดน้ำแข็ง, ระบบเก็บข้อมูล Keishiley 2700, การ์ดเก็บข้อมูล, แหล่งจ่ายไฟที่มีความเสถียรเชิงเส้น ฯลฯ

2.3 ขั้นตอนการทดลอง

สร้างม้านั่งทดสอบตามการออกแบบ และอ่านอุณหภูมิห้อง Ts ( องศา ) ซึ่งเท่ากับ 26.5 องศา

พัดลมขับเคลื่อนด้วยแหล่งจ่ายไฟ 220V และเซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็นนั้นขับเคลื่อนโดยแหล่งจ่ายไฟที่มีความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

ให้ความเร็วลม V2 ของพัดลมท่อลมร้อนไม่เปลี่ยนแปลง ปรับแรงดันใช้งาน U หรือกระแส I ของเซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็น ปรับความเร็วลม V1 ของพัดลมท่อลมเย็น และอ่าน T1~T8 ในทางกลับกัน จากนั้นเปลี่ยน V2 ปรับแรงดันใช้งานหรือกระแสของเซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็น และปรับท่อลมเย็น ความเร็วลมของพัดลม V1 อ่าน T1~T8 ตามลำดับ ทำซ้ำตามด้านบน โดยที่ V2 คือ 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 คือ {{20}}.5m/s ตามลำดับ , 1.0m/s, 1.5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, (U, I) ตามลำดับ (1.4V, 1 .0A) , (3.1V, 2.0A), (46V, 3.{{50}}A), (6.3V, 4.0A), ( 8.2V, 5.0A)..

อุณหภูมิเฉลี่ยที่ทางออกของท่ออากาศเย็น Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4 อุณหภูมิเฉลี่ยของแผ่นทองแดงด้านล่างโฟมโลหะที่สัมผัสกับพื้นผิวเย็นของสารกึ่งตัวนำ Ta{{6 }}(T1 บวก T2 บวก T3 บวก T4/4; โดยสูตร h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb คำนวณกำลังทำความเย็น Q และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสัมพัทธ์ h โดยที่ด้านซ้ายของสมการคือ พลังงานการถ่ายเทความร้อนพื้นผิวเย็น และด้านขวาเป็นพลังงานทำความเย็นที่คำนวณโดยการระบายความร้อนด้วยอากาศ S – พื้นที่ผิวด้านล่างของโฟมโลหะ ΔTa=Ts-Ta, h คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจริงโดยที่ S เป็นพื้นที่ถ่ายเทความร้อน Cp คือความร้อนจำเพาะของอากาศที่ อุณหภูมิห้อง ใช้ 1.004KJ/

จากรูปที่ 2 ถึงรูปที่ 4 เนื่องจากความเร็วลมของท่อลมเย็นต่ำกว่า อุณหภูมิของอากาศที่จ่ายออกจึงต่ำลง และเอฟเฟกต์การระบายความร้อนก็ดีขึ้น ยิ่งพลังของแผ่นทำความเย็นสูง อุณหภูมิของอากาศที่ทางออกของท่อลมเย็นก็จะยิ่งต่ำลง แต่เมื่อพลังงานถึงค่าสูงสุดในการทดลอง อุณหภูมิของอากาศที่ทางออกของท่อลมเย็นจะเพิ่มขึ้นอีกครั้งเพราะ สภาวะการกระจายความร้อนของพื้นผิวร้อนมีจำกัด อุณหภูมิเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิของพื้นผิวเย็นสอดคล้องกัน หยิบ.

เนื่องจากการทดลองได้รับผลกระทบจากเครื่องมือและสิ่งแวดล้อม แม้ว่าเส้นโค้งจะผันผวนในระดับหนึ่ง สรุปโดยรวมก็คือ การเพิ่มขึ้นของความเร็วลม V2 ของท่อลมร้อน อุณหภูมิของอากาศ Tb ที่ทางออกของท่อลมเย็น ลดลงและผลการระบายความร้อนดี

จากการคำนวณข้อมูลการทดลอง ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจริง h ของพื้นผิวเย็นที่มี S เป็นพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน พลังงานความเย็น Q และพลังงานเซมิคอนดักเตอร์การทำความเย็น W สามารถรับได้ การวิเคราะห์ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าเมื่อเปลี่ยนเฉพาะความเร็วลมและการไหลที่ทางออกของท่อลมเย็น กล่าวคือ q เพิ่มขึ้น อุณหภูมิของอากาศที่จ่ายออกจะเพิ่มขึ้น และกำลังทำความเย็น Q เพิ่มขึ้น เมื่อเปลี่ยนเฉพาะกำลังของเซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็น นั่นคือ W เพิ่มขึ้น อุณหภูมิของอากาศที่จ่ายออกลดลง และกำลังทำความเย็นลดลง พลัง Q เพิ่มขึ้น; เมื่อเปลี่ยนเฉพาะความเร็วลมของท่อลมร้อน นั่นคือ V2 เพิ่มขึ้น อุณหภูมิของอากาศที่จ่ายออกจะลดลง และกำลังทำความเย็น Q เพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจริง h ของพื้นผิวเย็นที่มี S เป็นพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน h เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ V1 และเพิ่มขึ้นเมื่อ V2 เพิ่มขึ้น แต่เมื่อกำลังทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ W เพิ่มขึ้น ชั่วโมงจะค่อยๆ ลดลง

ในการทดลอง ค่าสูงสุดของพลังความเย็น Q วัดได้ในสถานะ V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s ซึ่งพิสูจน์ว่ากำลังทำความเย็นจำเป็นต้องพิจารณาอย่างถี่ถ้วนว่าสภาวะการกระจายความร้อนเป็นไปตามกำลังไฟฟ้าและคุณภาพการไหลของอากาศที่สอดคล้องกันหรือไม่ ขนาดกระแส ความเร็วลมเย็น และปัจจัยอื่นๆ

3. บทสรุป

ในบทความนี้ ได้มีการออกแบบต้นแบบการทดลองโดยใช้ระบบทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์โลหะโฟม จากผลการทดลองและการวิเคราะห์ทางสถิติของข้อมูล สรุปได้ดังนี้:

(1) ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ยิ่งความเร็วลมเย็นต่ำลง อุณหภูมิของอากาศที่ระบายออกก็จะยิ่งต่ำลง ยิ่งกำลังไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็นสูงขึ้น อุณหภูมิของอากาศที่จ่ายออกก็จะยิ่งต่ำลง ความเร็วลมของท่อลมร้อนเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิของช่องลมออกของท่อลมเย็นจะลดลง

(2) ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ความเร็วลมออกของท่อลมเย็นจะเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของอากาศที่จ่ายออกเพิ่มขึ้น และพลังความเย็น Q เพิ่มขึ้น พลังงานเซมิคอนดักเตอร์เย็น W เพิ่มขึ้น อุณหภูมิอากาศออกลดลง และพลังความเย็นเพิ่มขึ้น ความเร็วลมของท่อลมร้อนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิอากาศออกลดลง พลังความเย็นเพิ่มขึ้น

(3) ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจริง h ของพื้นผิวเย็นที่มี S เมื่อพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ V1 และเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ V2 พลังของเซมิคอนดักเตอร์ทำความเย็นเพิ่มขึ้นและ h ค่อยๆ ลดลง

(4) สำหรับพลังงานความเย็นที่ต่ำกว่า ให้เลือกความเร็วลมเย็นที่ต่ำกว่า ความเร็วลมร้อนที่สูงขึ้น และพลังงานไฟฟ้า สำหรับพลังงานความเย็นที่สูงขึ้น ให้เลือกความเร็วลมเย็นและความเร็วลมร้อนที่สูงขึ้น และกำลังไฟฟ้าที่สูงขึ้น