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吳生18153710968
隨著電子集成技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件也朝著小型化、輕量化、智能化方向邁進(jìn)。然而，集成電子器件的小型化在增加功率密度的同時(shí)其散熱量也越來越大，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)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(fēng)冷散熱方法，即在半導(dǎo)體制冷技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合泡沫金屬散熱器，設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)其制冷效果進(jìn)行測(cè)試。
1、理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)裝置
半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞工具。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。但是半導(dǎo)體自身存在電阻，當(dāng)電流經(jīng)過時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，影響熱傳遞。兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，兩種熱傳遞的量相等時(shí)，正逆向熱傳遞相互抵消，此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。因此為了達(dá)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(dá)到90%以上，具有一定強(qiáng)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(dāng)氣流穿過時(shí)擁有較大接觸面積，利于換熱。
制冷由半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)，考慮到半導(dǎo)體制冷片冷面與散熱對(duì)象不能直接接觸，且冷面的冷量向空氣的自然對(duì)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(dá)到強(qiáng)化冷量交換效果。制冷半導(dǎo)體和泡沫金屬之間由硅脂粘結(jié)，減小接觸熱阻。部分氣流帶走冷量，形成冷風(fēng)并對(duì)目標(biāo)散熱，熱面也同樣由氣流帶走熱量排入環(huán)境。
實(shí)驗(yàn)用交叉連接雙風(fēng)道，其中一個(gè)用于導(dǎo)出冷風(fēng)，一個(gè)用于導(dǎo)出熱風(fēng)。在冷熱風(fēng)道入口各對(duì)接風(fēng)機(jī)以提供氣流，并在加工風(fēng)道時(shí)留下必要的測(cè)量空、安裝孔等。
制冷半導(dǎo)體通電時(shí)產(chǎn)生溫差，經(jīng)過冷面的空氣流被冷卻成為冷風(fēng)，經(jīng)過熱面的空氣流對(duì)其降溫并由熱風(fēng)道排出。熱面溫度越低，冷面溫度則越低，冷卻效果越好。冷風(fēng)道出口處布有4個(gè)對(duì)稱溫度測(cè)點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)中記為T5，T6，T7，T8，單位℃），4個(gè)風(fēng)溫計(jì)對(duì)稱布置測(cè)出口風(fēng)溫，而進(jìn)口風(fēng)溫由環(huán)境溫度確定。安置風(fēng)速儀進(jìn)行出口處風(fēng)速測(cè)量。另外與半導(dǎo)體冷面接觸的泡沫金屬表面布置中心對(duì)稱的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，將4個(gè)熱電偶點(diǎn)焊在銅板上，用于測(cè)量泡沫金屬底面所焊銅板溫度，通過吉士利數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集100次，并分別取平均（實(shí)驗(yàn)中記為T1，T2，T3，T4，單位℃），用于計(jì)算制冷的相對(duì)換熱系數(shù)。
此模型的冷風(fēng)道溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果：環(huán)境溫度為298K（25℃），其中在400mm*100mm*40mm的模擬冷風(fēng)道內(nèi)，半導(dǎo)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(gè)ppi。從結(jié)果中可以肯定制冷的理論效果。
2、實(shí)驗(yàn)過程
2.1實(shí)驗(yàn)器材
有機(jī)玻璃交叉風(fēng)道1個(gè)，全銅芯80W調(diào)速離心風(fēng)機(jī)2個(gè)，制冷半導(dǎo)體（額定工作條件12V，6A）50mm*50mm個(gè)，電子風(fēng)速儀2個(gè)，電子風(fēng)溫計(jì)4支，玻璃溫度計(jì)1支，銅質(zhì)泡沫金屬若干，PC機(jī)，銅康銅熱電偶，冰瓶，吉士利2700數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡，線性穩(wěn)壓電源等。
2.3實(shí)驗(yàn)步驟
按設(shè)計(jì)搭建試驗(yàn)臺(tái)，讀取室溫Ts（℃），為26.5℃。
風(fēng)機(jī)由220V電源帶動(dòng)，制冷半導(dǎo)體由線性穩(wěn)壓電源供電，風(fēng)速儀分別位于冷、熱風(fēng)道出風(fēng)口處，測(cè)得風(fēng)速V1（m/s），V2（m/s）。
保持熱風(fēng)道風(fēng)機(jī)風(fēng)速V2不變，調(diào)節(jié)制冷半導(dǎo)體的工作電壓U或電流I，調(diào)節(jié)冷風(fēng)道風(fēng)機(jī)風(fēng)速V1，依次讀取T1～T8；再改變V2，調(diào)節(jié)制冷半導(dǎo)體的工作電壓或電流，調(diào)節(jié)冷風(fēng)道風(fēng)機(jī)風(fēng)速V1，依次讀取T1～T8；如上重復(fù)，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(fēng)道出口平均溫度Tb=（T5+T6+T7+T8）/4，半導(dǎo)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(jì)算制冷功率Q及相對(duì)換熱系數(shù)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(shí)際換熱系數(shù)，Cp為空氣室溫下比熱，取1.004KJ/
從圖2～圖4中得出，隨著冷風(fēng)道風(fēng)速越低，出口風(fēng)溫越低，冷卻效果越好。制冷片功率的越高，冷風(fēng)道出口風(fēng)溫越低，但當(dāng)功率達(dá)到實(shí)驗(yàn)最大時(shí)冷風(fēng)道出口風(fēng)溫又會(huì)升高，因?yàn)闊崦娴纳釛l件有限，溫度升高，冷面的溫度也相應(yīng)回升。
由于實(shí)驗(yàn)受儀器、環(huán)境等影響，曲線雖有一定波動(dòng)，但總體結(jié)論為隨熱風(fēng)道風(fēng)速V2的上升，冷風(fēng)道出口風(fēng)溫Tb下降，冷卻效果好。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，可得到以S為換熱面積的冷面實(shí)際換熱系數(shù)h，制冷功率Q，制冷半導(dǎo)體功率W。對(duì)數(shù)據(jù)分析得知，當(dāng)僅改變冷風(fēng)道出口風(fēng)速流量，即q增大，則出口風(fēng)溫上升，制冷功率Q上升；當(dāng)僅改變冷半導(dǎo)體功率，即W增大，則出口風(fēng)溫下降，制冷功率Q上升；當(dāng)僅改變熱風(fēng)道風(fēng)速，即V2增大，則出口風(fēng)溫下降，制冷功率Q上升。以S為換熱面積的冷面實(shí)際換熱系數(shù)h，h隨V1增大而增大，隨V2增大而增大；但當(dāng)制冷半導(dǎo)體功率W增大，h逐漸減小。
實(shí)驗(yàn)中制冷功率Q最高值是在V2=3m/s，U=6.3V，I=4A，V1=4m/s狀態(tài)下測(cè)得，證明制冷功率需綜合考慮散熱條件是否滿足所對(duì)應(yīng)功率、氣流質(zhì)量流量大小、散熱風(fēng)速等各種因素。
3、結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了運(yùn)用泡沫金屬半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：
?。?）相同情況下，冷風(fēng)風(fēng)速越低，出口風(fēng)溫越低；制冷半導(dǎo)體電功率越高，出口風(fēng)溫越低；熱風(fēng)道風(fēng)速上升，冷風(fēng)道出口風(fēng)溫下降。
?。?）相同情況下，冷風(fēng)道出口風(fēng)速增大，出口風(fēng)溫上升，制冷功率Q上升；冷半導(dǎo)體功率W增大，出口風(fēng)溫下降，制冷功率上升；熱風(fēng)道風(fēng)速增大，出口風(fēng)溫下降，制冷功率上升。
?。?）以S為換熱面積的冷面實(shí)際換熱系數(shù)h隨V1增大而增大，隨V2增大而增大；制冷半導(dǎo)體功率增大，h逐漸減小。
?。?）對(duì)于較低制冷功率，可選擇較低的冷風(fēng)風(fēng)速，較高的熱風(fēng)風(fēng)速和電功率；對(duì)于較高制冷功率，則選擇較高的冷風(fēng)風(fēng)速及熱風(fēng)速，較高電功率。
泡沫鎳
EMI導(dǎo)電海綿
泡沫銅