熱電制冷器散熱性能實驗研究1趙亮,張豐華,楊明明,吳波

時間:2017-10-27 14:40:00 來源:中國散熱器網 添加人:admin

  熱電制冷器散熱性能,熱源最大功率50W,最大熱流密度22.2W/cm2,外形尺寸為15mmX15mmX3mm模擬芯片發熱;熱電制冷器型號為HCTEC1-12709,最大電流9A,最大溫度差67最大制冷量80W;熱電制冷器熱端采用鋁制液冷散熱器進行散熱;恒溫槽為液冷散熱器提供溫度為20C的冷卻液;采用2臺0 ~35V的直流電源分別為熱電制冷器和熱源供電;接觸面間填充1mm厚導熱墊以減少熱阻;采用T型熱電偶測試溫度,熱電偶1,2,3監測熱源表面(冷端)溫度,熱電偶4,5,6監測熱電制冷器熱端溫度;通過數據采集器和PC機讀取熱電偶溫度值。

  實驗測試系統2.2實驗測試方法實驗測試時在熱源和結構件腔體之間填充硅酸鹽絕熱材料,以確保熱量主要由熱電制冷器帶走。在熱源與結構件腔體之間設置墊塊,通過螺栓壓緊固定,以確保熱源與熱電制冷器緊密接觸,減少熱阻。

  熱源與熱電制冷器冷端間設置1mm厚導熱墊,由于導熱墊非常薄,熱電偶壓入后忽略導熱墊兩面溫差,認為熱電偶1,2,3監測熱源表面與冷端溫度。調節電源輸出電流改變熱源功率和熱電制冷器功率。當每根熱電偶的溫度隨時間的變化在30min內不超過0.5°C,則認為溫度已經達到穩定的狀態。記錄下各個熱電偶的溫度值和實驗的其它參數,取三個溫度測試點的平均值作為溫度測試結果。

  3熱電制冷器散熱性能實驗測試結果與分析3.1熱電制冷器不同功率下的冷端溫度環境溫度26C,恒溫槽供液溫度為26C,當熱源供電電壓為30V,電流1.2A,總功耗36W,熱流密度為16W/cm2時,調節熱電制冷器供電電流,改變熱電制冷功率,測試冷端溫度(熱源表面溫度)。

  從中可看出,熱電制冷器功率為58.7W時,熱源表面溫度最低,控制在85C以內,當熱電制冷器功率增大后,冷端溫度(熱源表面溫度)反而上升。

  實驗測試結果表明熱電制冷器的熱端散熱能力―定的情況下,熱源表面溫度與熱電制冷器功率不是線性關系,存在最優功率值。這是因為,當熱電制冷器功率超過58.7W后,熱電制冷器在制冷的過程中,自身產生大量的焦耳熱,造成熱源溫度升高;當熱電制冷器功率低于58.7W時,制冷量又不能滿足熱源散熱要求,所以溫度超過了85C.因而,對電子設備芯片冷卻時,應根據不同的芯片發熱功耗,熱端散熱能力,調節熱電制冷器工作電流,確定熱電制冷器最優功率,達到最優的散熱性能。

  3.2熱電制冷器不同功率下的熱端溫度環境溫度26C,液冷散熱器供液溫度為26C,當熱源供電電壓為30V,電流1.2A,總功耗36W,熱流密度為16W/cm2時,調節熱電制冷器供電電流,改變熱電制冷功率,測試熱電制冷器熱端溫度。

  從中可以看出,熱電制冷器的熱端溫度隨功率增加而升高。當功率大于最優功率58.7W后,溫度快速升高。

  實驗測試結果表明熱電制冷器的熱端散熱能力―定的情況下,當電流增大超過最優功率58.7W后,熱電制冷器的降溫效果在逐漸減弱,熱電制冷器自身產生的焦耳熱增加,對熱源散熱不利,熱端溫度快速升高,容易對熱電制冷器造成損壞,使散熱系統失效。

  4結論通過建立熱電制冷器實驗測試系統,測試熱電制冷器在不同功率下的散熱性能,得到以下結論:應用熱電制冷技術,在環境溫度下可以將熱流密度16W/cm2的芯片溫度控制在85C以內,可以滿足高功耗商業檔芯片的散熱需求。

  熱電制冷器的功率與散熱性能密切相關,熱電制冷器并不是功率越高散熱能力越好,熱電制冷器在使用過程中根據熱源功耗及熱端散熱能力的不同存在最優功率。

  3)當超過熱電制冷器最優功率后熱電制冷器產生的焦耳熱增加,熱電制冷器熱端溫度會快速升高,對熱源散熱不利,容易對熱電制冷器造成損壞,使散熱系統失效。

  是:硬度值普遍較低;隨著Al23體積分數的增加整體呈下降趨勢。主要原因有:銅粉末與膠體顆粒的結合程度很有限;粉末顆粒沒有得到有效的細化和均勻的混合;壓制時保壓時間短,塊體中殘留有空氣;燒結試樣存在被氧化的情況。所以粉末制備階段,粉末混合階段,粉末壓制階段以及粉末燒結階段的實驗好壞最終決定了燒結后所得試樣的各種物理性能。為了獲得力學性能優良的復合材料,AI2O3顆粒以及銅粉末的顆粒應該越細越好,并且粉末應該分布均勻,無表面偏析,粉末形狀應為球形。

  表1硬度數據成分2.3EDS分析數據體積分數為2.5%與3%的復合材料的晶內與晶界的鋁含量差異很大,晶界的鋁含量比晶內的高,鋁元素在晶界處發生偏聚有這樣的趨勢:隨著氧化鋁體積分數的增加,發生鋁元素偏聚的趨勢越大。體積分數為3%的復合材料偏聚現象更明顯。發生偏聚的主要原因是,粉末制備階段所得的粉末成分不均。

  表2 EDS數據體積分數SEM分析從可以看出,白色顆粒主要有三種形態:薄片狀,顆粒狀,針狀。中看不到明顯分布的白色相,只有少量呈層片狀的白色相,從孔洞的側壁上可看到其整體結構呈層狀,這種結構通常使得復合材料(上接第124頁)(4)熱電制冷器相當于一個熱泵,自身的散熱仍然是關鍵問題,實驗中熱量最終通過液冷散熱器中的液體散失。熱電制冷器可用于小空間不易安裝液冷散熱器的地方,可先通過熱電制冷器將熱量傳遞到液冷散熱器上,解決小空間高熱流密度芯片散熱問題。

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