מחקר על מערכת קירור חדשה מוליכים למחצה באמצעות קצף מתכת

עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית האינטגרציה האלקטרונית, מכשירים אלקטרוניים נעים גם לכיוון מזעור, משקל קל ואינטליגנציה. עם זאת, המזעור של מכשירים אלקטרוניים משולבים מגביר את צפיפות ההספק בעוד שגם פיזור החום עולה. טכנולוגיות קירור מסורתיות התקשו לעמוד בדרישות הקירור. לכן, חשוב במיוחד ללמוד את פיזור החום של רכיבים אלקטרוניים עם צפיפות שטף חום גבוהה. במאמר זה מוצעת שיטת פיזור חום מקורר באוויר, כלומר על בסיס טכנולוגיית קירור מוליכים למחצה, בשילוב עם רדיאטור מתכת מוקצף, מתוכננת מערכת קירור והשפעת הקירור שלה נבדקת באמצעות ניסוי דֶגֶם.

1. בסיס תיאורטי ומכשיר ניסיוני

מצנן המוליכים למחצה הוא כלי להעברת חום. כאשר זרם עובר דרך זוג צמד תרמי שנוצר על ידי חתיכה של חומר מוליכים למחצה מסוג N- וחתיכה של חומר מוליכים למחצה מסוג P-, מתרחשת מעבר חום בין שני הקצוות, וכתוצאה מכך הפרש טמפרטורה ל יוצרים את הקצוות החמים והקרים. עם זאת, למוליך למחצה עצמו יש התנגדות, אשר מייצרת חום כאשר הזרם עובר דרכו, אשר משפיעה על העברת החום. החום בין שתי הלוחות עובר גם העברת חום הפוכה דרך האוויר והחומר המוליך למחצה עצמו. כאשר הקצוות החמים והקרים מגיעים להפרש טמפרטורה מסוים ושתי כמויות העברת החום שוות, העברת החום קדימה ואחורה מבטלת זה את זה, והטמפרטורה של הקצוות הקרים והחמים לא תמשיך להשתנות. לכן, על מנת להשיג טמפרטורה נמוכה יותר, ניתן להשתמש בשיטות כגון פיזור חום להורדת הטמפרטורה של הקצה החם.

קצף מתכת הוא חומר מתכת נקבובי עם נקבוביות של יותר מ-90 אחוז וחוזק וקשיחות מסוימים. לסוג זה של חומר מתכת יש חדירות אוויר גבוהה, שטח פנים גדול של נקבוביות וצפיפות חומר קטנה. כאשר זרימת האוויר עוברת, יש לה שטח מגע גדול, אשר תורם לחילופי חום.

הקירור מתבצע על ידי גיליון קירור מוליכים למחצה. בהתחשב בכך שהמשטח הקר של גיליון הקירור המוליך למחצה אינו יכול להיות במגע ישיר עם אובייקט פיזור החום, ואפקט העברת החום הטבעי של הסעה טבעית של המשטח הקר של המשטח הקר לאוויר אינו משמעותי, הוא מחובר למתכת הקצף. משטח להגברת חילופי החום. אזור, כדי להשיג את ההשפעה של חיזוק חילופי האנרגיה הקרה. המוליך למחצה הקירור ומתכת הקצף מחוברים באמצעות גריז סיליקון כדי להפחית את ההתנגדות התרמית למגע. חלק מזרימת האוויר לוקחת את אנרגיית הקירור, יוצר אוויר קר ומפזר חום למטרה, והמשטח החם נלקח גם הוא על ידי זרימת האוויר ונפלט לסביבה.

הניסוי משתמש בתעלות אוויר כפולות-הצולבות, שאחת מהן משמשת לייצוא אוויר קר והשנייה משמשת לייצוא אוויר חם. חבר את המאווררים בכניסה של תעלות האוויר הקר והחם כדי לספק זרימת אוויר, והשאיר את חורי המדידה ואת חורי ההתקנה הדרושים בעת עיבוד תעלות האוויר.

כאשר מוליך הקירור למחצה מופעל, נוצר הפרש טמפרטורות, זרימת האוויר דרך המשטח הקר מתקררת כדי להפוך לאוויר קר, וזרימת האוויר דרך המשטח החם מקררת אותו ונפלטת מתעלת האוויר החם. ככל שהטמפרטורה של הצד החם נמוכה יותר והטמפרטורה של הצד הקר נמוכה יותר, כך אפקט הקירור טוב יותר. ישנן 4 נקודות מדידת טמפרטורה סימטריות (מסומנות כ-T5, T6, T7, T8 בניסוי, יחידת תואר) ביציאה של תעלת האוויר הקר, ו-4 מדי רוח מסודרים באופן סימטרי למדידת טמפרטורת האוויר ביציאה, בעוד אוויר הכניסה. הטמפרטורה נקבעת על פי טמפרטורת הסביבה. התקן מד רוח למדידת מהירות הרוח ביציאה. בנוסף, פני השטח של מתכת הקצף במגע עם המשטח הקר של המוליך למחצה מסודרים עם 4 נקודות מדידה סימטריות במרכז, ו-4 צמדים תרמיים מרותכים נקודתית על לוח הנחושת למדידת הטמפרטורה של לוח הנחושת המרותך על פני השטח התחתון. של מתכת הקצף, שנאספת על ידי מערכת רכישת הנתונים Keishley. , נאסף 100 פעמים, ונערך ממוצע בהתאמה (נרשמו כ-T1, T2, T3, T4 בניסוי, יחידת תואר), משמש לחישוב מקדם העברת החום היחסי של הקירור.

תוצאות הסימולציה המספרית של שדה טמפרטורת צינור האוויר הקר של דגם זה: טמפרטורת הסביבה היא 298K (25 מעלות), ובצינור האוויר הקר המדומה של 400 מ"מ*100 מ"מ*40 מ"מ, שבב הקירור המוליך למחצה פועל בתנאים מדורגים של 12V ו-6A, וחומר מתכת הקצף הוא נחושת. , הגודל הוא 100 מ"מ*100 מ"מ*40 מ"מ, והוא 5 ppi. ניתן לאשר את ההשפעה התיאורטית של קירור מהתוצאות.

2. תהליך הניסוי

2.1 ציוד ניסוי

1 תעלת אוויר צולבת פרספקס, 2 הכל-ליבת נחושת במהירות 80W-מאווררים צנטריפוגליים מוסדרים, מוליך למחצה קירור (מצב עבודה מדורג 12V, 6A) 50 מ"מ*50 מ"מ, 2 מדי רוח אלקטרוניים, 4 מדי רוח אלקטרוניים, 1 זכוכית תומכי מדחום, מספר מתכת קצף נחושת, מחשב, צמד תרמי נחושת קבוע, בקבוק קרח, מערכת רכישת נתונים Keishiley 2700, כרטיס רכישת נתונים, ספק כוח מיוצב ליניארי וכו'.

2.3 שלבים ניסויים

בנה ספסל בדיקה לפי התכנון, וקרא את טמפרטורת החדר Ts (מעלה), שהיא 26.5 מעלות.

המאוורר מונע על ידי ספק כוח של 220V, ומוליך הקירור למחצה מופעל על ידי ספק כוח מיוצב מתח ליניארי.

שמור על מהירות הרוח V2 של מאוורר צינור האוויר החם ללא שינוי, כוונן את מתח העבודה U או זרם I של המוליך למחצה הקירור, כוונן את מהירות הרוח V1 של מאוורר צינור האוויר הקר, וקרא בתורו T1~T8; לאחר מכן שנה את V2, התאם את מתח העבודה או הזרם של המוליך למחצה הקירור, והתאם את צינור האוויר הקר. מהירות רוח מאווררת V1, קרא T1~T8 ברצף; חזור על האמור לעיל, כאשר V2 הוא 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 הוא {{20}}.5m/s בהתאמה, 1.0m/s, 1.5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, (U, I) הם בהתאמה (1.4V, 1 .0A) , (3.1V, 2.0A), (46V, 3.{{50}}A), (6.3V, 4.0A), ( 8.2V, 5.0A).

הטמפרטורה הממוצעת ביציאה של צינור האוויר הקר Tb=(T5 פלוס T6 פלוס T7 פלוס T8)/4, הטמפרטורה הממוצעת של לוח הנחושת התחתונה קצף מתכת במגע עם המשטח הקר של המוליך למחצה Ta{{6 }}(T1 ועוד T2 ועוד T3 ועוד T4)/4; לפי הנוסחה h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, חשב את כוח הקירור Q ואת מקדם העברת החום היחסי h, כאשר הצד השמאלי של המשוואה הוא כוח העברת החום המשטח הקר, והצד הימני הוא כוח הקירור המחושב על ידי קירור אוויר. S – שטח המשטח התחתון של קצף המתכת, ΔTa=Ts-Ta, h הוא מקדם העברת החום בפועל עם S כשטח העברת החום, Cp הוא החום הסגולי של האוויר ב- טמפרטורת החדר, קח 1.004KJ/

מאיור 2 עד איור 4, מכיוון שמהירות הרוח של צינור האוויר הקר נמוכה יותר, טמפרטורת האוויר ביציאה נמוכה יותר, והשפעת הקירור טובה יותר. ככל שההספק של יריעת הקירור גבוהה יותר, כך טמפרטורת האוויר ביציאת תעלת האוויר הקר נמוכה יותר, אך כאשר ההספק יגיע למקסימום בניסוי, טמפרטורת האוויר ביציאת תעלת האוויר הקר תעלה שוב, משום תנאי פיזור החום של המשטח החם מוגבלים, הטמפרטורה עולה, והטמפרטורה של המשטח הקר מתאימה. לאסוף.

מכיוון שהניסוי מושפע ממכשירים וסביבה, למרות שהעקומה משתנה במידה מסוימת, המסקנה הכוללת היא שעם עליית מהירות הרוח V2 של צינור האוויר החם, טמפרטורת האוויר Tb ביציאה של צינור האוויר הקר. פוחת, ואפקט הקירור טוב.

באמצעות חישוב הנתונים הניסויים, ניתן לקבל את מקדם העברת החום בפועל h של המשטח הקר עם S כאזור חילופי החום, הספק הקירור Q והספק המוליך למחצה הקירור W. ניתוח הנתונים מראה שכאשר רק משנים את מהירות הרוח והזרימה ביציאה של תעלת האוויר הקר, כלומר q עולה, טמפרטורת האוויר ביציאה עולה ועוצמת הקירור Q עולה; כאשר רק הספק המוליך למחצה הקירור משתנה, כלומר, W עולה, טמפרטורת האוויר ביציאה יורדת ועוצמת הקירור יורדת. ההספק Q עולה; כאשר רק מהירות הרוח של צינור האוויר החם משתנה, כלומר, ה-V2 עולה, טמפרטורת האוויר ביציאה יורדת ועוצמת הקירור Q עולה. מקדם העברת החום בפועל h של המשטח הקר עם S כשטח חילופי החום, h גדל עם עליית V1, ועולה עם עליית V2; אך כאשר הספק W של המוליך למחצה הקירור עולה, h יורד בהדרגה.

בניסוי, הערך הגבוה ביותר של כוח הקירור Q נמדד במצב של V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, מה שמוכיח שכוח הקירור צריך לשקול באופן מקיף האם תנאי פיזור החום עומדים בעוצמה ובאיכות זרימת האוויר המקבילים. גודל זרימה, מהירות רוח קירור וגורמים נוספים.

3. מסקנה

במאמר זה מתוכנן אב טיפוס ניסיוני באמצעות מערכת קירור מוליכים למחצה ממתכת מוקצפת. על פי תוצאות הניסוי והניתוח הסטטיסטי של הנתונים, מתקבלות המסקנות הבאות:

(1) באותם תנאים, ככל שמהירות הרוח האוויר הקר נמוכה יותר, כך טמפרטורת האוויר היוצאת נמוכה יותר; ככל שההספק החשמלי של המוליך למחצה הקירור גבוה יותר, כך טמפרטורת האוויר ביציאה נמוכה יותר; מהירות הרוח של תעלת האוויר החם עולה, וטמפרטורת יציאת האוויר של תעלת האוויר הקר יורדת.

(2) באותם תנאים, מהירות הרוח היוצאת של צינור האוויר הקר עולה, טמפרטורת האוויר היוצאת עולה, ועוצמת הקירור Q עולה; כוח המוליך למחצה קר W עולה, טמפרטורת האוויר ביציאה יורדת וכוח הקירור עולה; מהירות הרוח של צינור האוויר החם עולה, טמפרטורת האוויר ביציאה יורדת, כוח הקירור עולה.

(3) מקדם העברת החום בפועל h של המשטח הקר עם S ככל ששטח חילופי החום גדל עם עליית V1, ועולה עם עליית V2; כוחו של המוליך למחצה הקירור עולה, ו-h פוחת בהדרגה.

(4) להספק קירור נמוך יותר, בחר מהירות אוויר קר נמוכה יותר, מהירות אוויר חם וכוח חשמלי גבוה יותר; עבור כוח קירור גבוה יותר, בחר במהירות אוויר קר גבוה יותר ומהירות אוויר חם, והספק חשמלי גבוה יותר.