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电子设备冷却

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电子设备冷却包括电子系统的热设计、分析和实验表征,是保证电子设备和系统持续稳定工作的重要环节,其应用范围涵盖了普通电子计算机、红外遥感系统、卫星系统、深海潜艇电子系统等。 [1] [2] [3]

传统的电子设备冷却系统常采用被动散热方式,例如计算机散热常采用散热器扩大电子元件与空气的接触面积,从而提高空气对流散热的效率,以降低元件外壳温度。同时,也可利用风增加对流。

热设计和分析是根据设计规则或传热相关性,使用手工计算或电子表格进行的。还使用计算机辅助工程工具,例如计算流体动力学

主动电子冷却

电子设备的常规珀耳帖冷却装置

除了被动导热外,电子设备的冷却还可以通过热电冷却装置实现。热电冷却属于主动冷却,需要消耗电能。[4]

当向n 型(p 型)半导体材料施加外部电压时,电场力会将自由电子空穴)从一端向另一端驱动,并同时输运电子动能。达到稳定状态后,半导体内部会建立起一个温度梯度,用以平衡电场的驱动力,此即为热电学中的珀耳帖效应。基于此效应制成的制冷或冷却装置被称为珀耳帖冷却器。一个珀耳帖冷却器至少由一个n 型脚和一个p 型脚组成,也称为珀耳帖结。[5]尽管珀耳帖冷却器的效率通常仅为逆卡诺循环制冷的10-15%或蒸汽压缩循环制冷效率的40-60%,但由于其固态、低维护需求、尺寸紧凑和无噪音等特殊性质,可能依然是某些特殊应用场景的唯一选择,包括卫星潜艇和极其紧凑的空间的电子设备。 [6]

将多个珀耳帖结堆叠在一起,每个珀耳帖结负责一个特定的温度窗口,即可进一步提高电子设备冷却的整体性能。作为消耗功率的主动型热泵,热电冷却器可以产生低于环境的温度。单这一优势,其他传统的被动散热器、散热器冷却液体冷却或热管 HSF,都无法实现。然而,在泵送热量时,珀耳帖 模块通常也会消耗比泵送的热量更多的电能。 [7]

几十年来,电子设备的热电冷却主要采用及其化合物等窄带隙半导体来制造,直到“唐-崔瑟豪斯理论”的提出。该理论指出,将具有宽一些的带隙的半导体进行工程改造和纳米处理后,可以实现更高性能的电子设备冷却器材。 [8][9]

随后,唐爽麻省理工学院IBM进一步指出,如果将某些碳基半导体半金属材料,如碳纳米管石墨烯超晶格,制成复合型电子设备冷却装置,便可以在单个设备中,同时实现被动导热和主动冷却。 [10] [11]

参考文献

  1. ^ Allan D. Kraus & Avram Bar-Cohen (1995), Design & Analysis of Heat Sinks, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-01755-8
  2. ^ Kordyban, Tony. Hot Air Rises and Heat Sinks - Everything You Know About Cooling Electronics Is Wrong. ASME Press. 1998. ISBN 0-7918-0074-1. 
  3. ^ Remsburg, Ralph. Thermal Design of Electronic Equipment. CRC Press. 2001. ISBN 0-8493-0082-7. 
  4. ^ Taylor, R.A.; Solbrekken, G.L. Comprehensive system-level optimization of thermoelectric devices for electronic cooling applications. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2008, 31: 23–31. S2CID 39137848. doi:10.1109/TCAPT.2007.906333. 
  5. ^ Goldsmid, H. Julian. Introduction to Thermoelectricity. Springer Series in Materials Science 121. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2016. Bibcode:2016inh..book.....G. ISBN 978-3-662-49255-0. doi:10.1007/978-3-662-49256-7. 
  6. ^ The Prospects of Alternatives to Vapor Compression Technology for Space Cooling and Food Refrigeration Applications (PDF). [23 January 2013]. (原始内容存档 (PDF)于6 March 2013). 
  7. ^ Technology | Incooling. www.incooling.com. [2023-06-19]. (原始内容存档于2021-04-17). 
  8. ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Building the Principle of Thermoelectric ZT Enhancement. 2014. arXiv:1406.1842可免费查阅. 
  9. ^ Tang, Shuang. Using Pseudo-ZTs for Thermoelectric Materials Search (PDF). ES Materials & Manufacturing. 2019, 4: 45-50 [2023-06-19]. doi:10.30919/esmm5f213. (原始内容存档 (PDF)于2022-08-02). 
  10. ^ Tang, Shuang. Optimized Active Cooling and Refrigeration using Antidoted Graphene for Heat Management of Microelectronics. ES Materials & Manufacturing. 2022, 17: 57-62 [2023-06-19]. doi:10.30919/esmm5f668. (原始内容存档于2023-06-17). 
  11. ^ Tang, Shuang. Carbon Nanotubes for Active Refrigeration and Cooling in Micro and Mesoscale Systems. Engineered Science. 2022, 18: 263-270 [2023-06-19]. doi:10.30919/es8d578. (原始内容存档于2023-06-17).