TEC科学普及小教室：はどのように両側の熱阻止の冷媒の性能に顕著に影響しますか? TEC
TEC科学普及小教室へようこそ!今回は半導体冷却器の両側の熱抵抗が半導体冷却性能に与える影響について詳しく説明します。もし、記事の内容に疑問があったり、TECについてもっと知りたいことがあれば、コメント欄に書き込みをしてみてはいかがでしょうか。
01 熱抵抗とは何ですか?
簡単に言うと、熱抵抗とはその物がどれだけ熱を伝えるのを妨げるかということです。半導体冷却器の場合両側の熱抵抗は主に接触熱伝導材、界面間接触熱抵抗及び外部放熱環境ですなどです。
▲冷却ユニットの概要です
上は冷却ユニットの構造図です。ユニット全体は半導体冷却器、両側の熱伝導材、ラジエーター、ファンで構成されています。使用者にとって、重点は冷凍ユニットの両側の温度と冷却量に注目する必要があります。冷却ユニットの両側の温度は熱伝導材料の熱伝導性に影響され、熱伝導材料の熱抵抗が大きいとき、熱の伝達を阻害します。したがって、半導体冷却システムの重要なパラメーターに対する熱抵抗は無視できない影響を持っています。
02 重点パラメータに対する熱抵抗の影響です
tec-12706を例にとります。
1.冷熱端温度(Tc/Th)及び温度差(DT)に対する熱抵抗の影響:図のように、冷却量(Qc=10W)、冷却ユニット両側温度(Th」=50℃、Tc」=20)を固定値とすると、半導体冷却器が「障害」として熱伝導材内部に温度勾配を形成していることがわかります。熱抵抗が大きくなると、熱側の温度が上がり、冷側の温度が下がり、温度勾配が大きくなり、半導体冷却器の両側の温度差が大きくなります。
▲半導体冷却器の両側の温度と温度差の熱抵抗変化のグラフです
2.冷却量(Qc)に対する熱抵抗の影響:図のように、入力電流(I=3A)、冷却ユニットの両側の温度(Th」=50℃、Tc」=20)を固定値に設定すると、熱抵抗を増加させ、電力消費量が上升し、冷却量が低下します。半導体冷却システムでは、熱抵抗を増加すると、温度差が増加し、冷却量の低下につながることがわかります。逆に、熱抵抗を低減することで熱の伝達効率を向上させ、冷却端の熱を速やかに除去し、冷却量を増加させます。
▲熱抵抗による冷却量と電力消費量の変化グラフです
3.冷却効率(COP)への熱抵抗の影響:冷却効率(入力電力の比率と冷却量)は、半導体冷却器の性能を測定するための重要な指標です。図中、冷却量(Qc=10W)、冷却ユニット両側温度(Th」=50℃、Tc」=20)を固定値とすると、熱抵抗が増加するにつれて電力消費量が上昇し、COPが低下します。半導体冷却システムでは、両側の熱抵抗が増加すると、温度勾配が増加し、冷却ユニットの冷却側温度を維持するために、同じ冷却効果を達成するには、入力電力を増加する必要がありますので、COPが低下します。
▲熱抵抗による冷却効率の変化のグラフです
03 冷/熱端熱抵抗シミュレーション実験です
半導体冷却器を組み立てるときは、目標面に固定して熱を最大に導通させるために、熱伝導性シリコンを塗布したり、スズを溶接したり、熱伝導性スペーサーを貼り付けたりします。異なる熱伝導材料の熱抵抗とその厚さ、熱伝導系数と断面積に関系しています。次に一組のシミュレーション実験を行います:冷側/熱側に熱抵抗を加えることが半導体の冷房性能に及ぼす影響の程度をテストします。
tec-12706を例にとります。
今回のシミュレーションでは入力電流3A、冷側熱負荷10W、熱伝導性スペーサー厚さ0.3mm、熱伝導系数5W/ (m・k)、熱側温度50℃(熱伝導性スペーサーを装着した場合の外装環境側温度)、半導体冷却器サイズ39.7*39.7mmを設定しました。熱伝導スペーサー自体が熱抵抗が存在するため、4つのシミュレーショングループに分けることができます:①熱抵抗がありません;②冷側加熱阻止します;③熱側加熱阻止します;④両側加熱阻止です。画像をスライドさせて4種類のシミュレーション結果を見ます。
実験の結果、両側に熱抵抗がない状態のほうがスムーズに熱がオンすることがわかりました。冷側で熱阻止を追加し、冷側の温度はわずかに上升しますが、幅は小さいです;熱側に熱抵抗を追加すると、冷側の温度が明らかに上升し、熱抵抗が熱伝達に影響していることを示します。両方に熱抵抗を加えると、冷側の温度が最も高くなります。従って、半導体冷却器の熱側に熱抵抗がある場合、熱の伝達に最も大きな影響を与えることがわかります。
04 熱抵抗の低減—TEC性能の最適化です
これまでTECの両側の熱抵抗(特に熱側)のゆらぎがTECの性能安定性に影響することを検証してきました。そのため、熱抵抗の安定性を維持することは非常に重要です。
1.熱伝導性の材料の最適化:アルミニウム、銅などの高い熱伝導性の材料を選んで、熱抵抗を低減します。
2.界面接触プロセスの改善:表面処理、接触圧力の増加などの方法により、界面間の接触熱抵抗を減少します。
3.外部放熱設計を強化します:高効率のラジエータ、ファンなどを採用して、放熱効率を高めて、熱抵抗を下げます。
この授業を通して私達は認識します:半導体冷却器を設計する時、合理的に需要に合うTECモデルを選択することに加えて、効果的に両方の熱抵抗を下げることも冷却性能を高める鍵です。これらの要素を総合的に考慮して、効率的で安定した冷却効果を実現することができます。
