Penelitian Sistem Refrigerasi Semikonduktor Baru Menggunakan Busa Logam

Dengan pesatnya perkembangan teknologi integrasi elektronik, perangkat elektronik juga bergerak menuju miniaturisasi, bobot ringan dan kecerdasan. Namun, miniaturisasi perangkat elektronik terintegrasi meningkatkan kerapatan daya sementara pembuangan panas juga meningkat. Teknologi pendinginan tradisional sulit untuk memenuhi persyaratan pendinginan. Oleh karena itu, sangat penting untuk mempelajari disipasi panas komponen elektronik dengan kerapatan fluks panas tinggi. Dalam makalah ini diusulkan metode pembuangan panas -pendingin udara, yaitu, berdasarkan teknologi pendinginan semikonduktor, dikombinasikan dengan radiator logam busa, sistem pendinginan dirancang dan efek pendinginannya diuji melalui eksperimen. model.

1. Dasar teori dan perangkat eksperimental

Pendingin semikonduktor adalah alat perpindahan panas. Ketika arus melewati pasangan termokopel yang dibentuk oleh sepotong bahan semikonduktor tipe N-dan sepotong bahan semikonduktor tipe P-, perpindahan panas terjadi antara kedua ujungnya, menghasilkan perbedaan suhu ke membentuk ujung panas dan dingin. Namun, semikonduktor itu sendiri memiliki hambatan, yang menghasilkan panas ketika arus melewatinya, yang mempengaruhi perpindahan panas. Panas antara dua pelat juga mengalami perpindahan panas terbalik melalui udara dan bahan semikonduktor itu sendiri. Ketika ujung panas dan dingin mencapai perbedaan suhu tertentu dan kedua jumlah perpindahan panas sama, perpindahan panas maju dan mundur saling membatalkan, dan suhu ujung dingin dan panas tidak akan terus berubah. Oleh karena itu, untuk mencapai suhu yang lebih rendah, metode seperti pembuangan panas dapat digunakan untuk mengurangi suhu ujung panas.

Busa logam adalah bahan logam berpori dengan porositas lebih dari 90 persen dan kekuatan dan kekakuan tertentu. Jenis material logam ini memiliki permeabilitas udara yang tinggi, luas permukaan pori yang besar, dan bulk density material yang kecil. Ketika aliran udara melewatinya, ia memiliki area kontak yang besar, yang kondusif untuk pertukaran panas.

Pendinginan diwujudkan dengan lembaran pendingin semikonduktor. Mempertimbangkan bahwa permukaan dingin lembaran pendingin semikonduktor tidak dapat bersentuhan langsung dengan objek disipasi panas, dan efek perpindahan panas konveksi alami dari permukaan dingin permukaan dingin ke udara tidak signifikan, itu melekat pada logam busa. permukaan untuk meningkatkan pertukaran panas. daerah, untuk mencapai efek penguatan pertukaran energi dingin. Semikonduktor pendingin dan logam busa diikat dengan minyak silikon untuk mengurangi resistansi kontak termal. Bagian dari aliran udara menghilangkan energi pendinginan, membentuk udara dingin dan membuang panas ke target, dan permukaan panas juga diambil oleh aliran udara dan dibuang ke lingkungan.

Eksperimen menggunakan saluran udara ganda yang saling terhubung-, salah satunya digunakan untuk mengekspor udara dingin dan yang lainnya digunakan untuk mengekspor udara panas. Hubungkan kipas di pintu masuk saluran udara dingin dan panas untuk memberikan aliran udara, dan tinggalkan lubang pengukur dan lubang pemasangan yang diperlukan saat memproses saluran udara.

Ketika semikonduktor pendingin diberi energi, perbedaan suhu dihasilkan, aliran udara melalui permukaan dingin didinginkan menjadi udara dingin, dan aliran udara melalui permukaan panas mendinginkannya dan dikeluarkan dari saluran udara panas. Semakin rendah suhu sisi panas dan semakin rendah suhu sisi dingin, semakin baik efek pendinginan. Terdapat 4 titik pengukuran suhu simetris (dilambangkan sebagai T5, T6, T7, T8 dalam percobaan, satuan derajat ) pada outlet saluran udara dingin, dan 4 anemometer disusun secara simetris untuk mengukur suhu udara keluar, sedangkan udara masuk suhu ditentukan oleh suhu lingkungan. Pasang anemometer untuk mengukur kecepatan angin di pintu keluar. Selain itu, permukaan logam busa yang bersentuhan dengan permukaan dingin semikonduktor diatur dengan 4 titik pengukuran simetris di tengah, dan 4 termokopel dilas titik pada pelat tembaga untuk mengukur suhu pelat tembaga yang dilas di permukaan bawah. dari logam busa, yang dikumpulkan oleh sistem akuisisi data Keishley. , dikumpulkan 100 kali, dan dirata-ratakan masing-masing (dicatat sebagai T1, T2, T3, T4 dalam percobaan, derajat satuan ), digunakan untuk menghitung koefisien perpindahan panas relatif refrigerasi.

Hasil simulasi numerik dari bidang suhu saluran udara dingin model ini: suhu sekitar adalah 298K (25 derajat), dan dalam saluran udara dingin simulasi 400mm * 100mm * 40mm, chip pendingin semikonduktor bekerja di bawah kondisi pengenal 12V dan 6A, dan bahan logam busa adalah tembaga. , ukurannya 100mm*100mm*40mm, dan 5 ppi. Efek teoritis pendinginan dapat dikonfirmasi dari hasil.

2. Proses percobaan

2.1 Peralatan eksperimental

1 saluran udara silang plexiglass, 2 semua-inti tembaga kecepatan 80W-kipas sentrifugal yang diatur, semikonduktor pendingin (kondisi kerja terukur 12V, 6A) 50mm*50mm, 2 anemometer elektronik, 4 anemometer elektronik, 1 kaca Dukungan termometer, beberapa logam busa tembaga, PC, termokopel konstantan tembaga, botol es, sistem akuisisi data Keishiley 2700, kartu akuisisi data, catu daya stabil linier, dll.

2.3 Langkah-langkah eksperimental

Bangun bangku tes sesuai dengan desain, dan baca suhu ruangan Ts ( derajat ), yaitu 26,5 derajat.

Kipas digerakkan oleh catu daya 220V, dan semikonduktor pendingin ditenagai oleh catu daya stabil tegangan linier.

Jaga kecepatan angin V2 dari kipas saluran udara panas tidak berubah, sesuaikan tegangan kerja U atau arus I dari semikonduktor pendingin, sesuaikan kecepatan angin V1 dari kipas saluran udara dingin, dan baca T1~T8 secara bergantian; kemudian ubah V2, sesuaikan tegangan atau arus kerja semikonduktor pendingin, dan sesuaikan saluran udara dingin. Kecepatan angin kipas V1, baca T1~T8 secara berurutan; ulangi seperti di atas, di mana V2 adalah 0.5m/s, 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s, 4.0m/s, V1 berturut-turut adalah {{20}}.5m/s , 1.0m/s, 1,5m/s, 2.{{31 }}m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, (U, I) berturut-turut adalah (1.4V, 1 .0A) , (3.1V, 2.0A), (46V, 3.{{50}}A), (6.3V, 4.0A), ( 8.2V, 5.0A)..

Suhu rata-rata di outlet saluran udara dingin Tb=(T5 plus T6 plus T7 plus T8)/4, suhu rata-rata pelat tembaga dasar busa logam yang bersentuhan dengan permukaan dingin semikonduktor Ta{{6 }}(T1 ditambah T2 ditambah T3 ditambah T4)/4; dengan rumus h*ΔTa* S=Q=Cp*(m/t)*ΔTb, hitung daya pendinginan Q dan koefisien perpindahan panas relatif h, dengan ruas kiri persamaan adalah daya perpindahan panas permukaan dingin, dan sisi kanan adalah daya pendinginan yang dihitung dengan pendinginan udara. S – luas permukaan dasar busa logam, Ta=Ts-Ta, h adalah koefisien perpindahan panas aktual dengan S sebagai luas perpindahan panas, Cp adalah panas jenis udara pada suhu kamar, ambil 1,004KJ/

Dari Gambar 2 hingga Gambar 4, karena kecepatan angin saluran udara dingin lebih rendah, suhu udara keluar lebih rendah, dan efek pendinginan lebih baik. Semakin tinggi daya cooling sheet maka semakin rendah suhu udara di outlet saluran udara dingin, tetapi ketika daya mencapai maksimum dalam percobaan, suhu udara di outlet saluran udara dingin akan meningkat lagi, karena kondisi pembuangan panas dari permukaan panas terbatas, suhu naik, dan suhu permukaan dingin sesuai. menjemput.

Karena percobaan dipengaruhi oleh instrumen dan lingkungan, meskipun kurva berfluktuasi sampai batas tertentu, kesimpulan keseluruhan adalah bahwa dengan peningkatan kecepatan angin V2 dari saluran udara panas, suhu udara Tb di outlet saluran udara dingin berkurang, dan efek pendinginannya bagus.

Melalui perhitungan data eksperimen, koefisien perpindahan panas aktual h dari permukaan dingin dengan S sebagai area pertukaran panas, daya pendinginan Q, dan daya semikonduktor pendingin W dapat diperoleh. Analisis data menunjukkan bahwa ketika hanya mengubah kecepatan dan aliran angin di outlet saluran udara dingin, yaitu, q meningkat, suhu udara keluar meningkat dan daya pendinginan Q meningkat; ketika hanya daya semikonduktor pendingin yang diubah, yaitu, W meningkat, suhu udara keluar menurun, dan daya pendinginan menurun. Kekuatan Q meningkat; ketika hanya kecepatan angin dari saluran udara panas yang diubah, yaitu, V2 meningkat, suhu udara keluar menurun dan daya pendinginan Q meningkat. Koefisien perpindahan panas aktual h dari permukaan dingin dengan S sebagai area pertukaran panas, h meningkat dengan meningkatnya V1, dan meningkat dengan meningkatnya V2; tetapi ketika daya semikonduktor pendingin W meningkat, h berangsur-angsur berkurang.

Dalam percobaan, nilai daya pendinginan Q tertinggi diukur pada keadaan V2=3m/s, U=6.3V, I=4A, V1=4 m/s, yang membuktikan bahwa daya pendinginan perlu mempertimbangkan secara komprehensif apakah kondisi pembuangan panas memenuhi daya dan kualitas aliran udara yang sesuai. Ukuran aliran, kecepatan angin pendinginan dan faktor lainnya.

3. Kesimpulan

Dalam makalah ini dirancang prototipe eksperimental menggunakan sistem pendingin semikonduktor logam busa. Berdasarkan hasil eksperimen dan analisis statistik data, ditarik kesimpulan sebagai berikut:

(1) Di bawah kondisi yang sama, semakin rendah kecepatan angin udara dingin, semakin rendah suhu udara keluar; semakin tinggi daya listrik semikonduktor pendingin, semakin rendah suhu udara keluar; kecepatan angin saluran udara panas meningkat, dan suhu udara keluar saluran udara dingin menurun.

(2) Dalam kondisi yang sama, kecepatan angin keluar dari saluran udara dingin meningkat, suhu udara keluar meningkat, dan daya pendinginan Q meningkat; daya semikonduktor dingin W meningkat, suhu udara keluar menurun, dan daya pendinginan meningkat; kecepatan angin saluran udara panas meningkat, suhu udara keluar menurun, daya pendinginan meningkat.

(3) Koefisien perpindahan panas aktual h dari permukaan dingin dengan S sebagai area pertukaran panas meningkat dengan peningkatan V1, dan meningkat dengan peningkatan V2; kekuatan semikonduktor pendingin meningkat, dan h berangsur-angsur berkurang.

(4) Untuk daya pendinginan yang lebih rendah, pilih kecepatan udara dingin yang lebih rendah, kecepatan udara panas yang lebih tinggi, dan daya listrik; untuk daya pendinginan yang lebih tinggi, pilih kecepatan udara dingin dan kecepatan udara panas yang lebih tinggi, dan daya listrik yang lebih tinggi.