Тепловая индуктивность

Термическая индуктивность относится к явлению, при котором тепловое изменение объекта, окруженного жидкостью, вызывает изменение конвекционных токов внутри этой жидкости, тем самым вызывая изменение кинетической энергии жидкости. Он считается тепловым аналогом электрической индуктивности при эквивалентности системы моделировании ; его единица измерения — тепловой генри .

До сих пор лишь в немногих исследованиях сообщалось об индуктивном явлении в процессе теплопередачи системы. В 1946 году Босворт в экспериментах с жидкостной системой продемонстрировал, что тепловой поток может иметь индуктивную природу. Он утверждал, что измеренное переходное поведение изменения температуры не может быть объяснено простой комбинацией теплового сопротивления и тепловой емкости. Позже Босворт расширил эксперименты, чтобы изучить тепловую взаимную индуктивность; однако он не сообщил о тепловой индуктивности в системе теплопередачи, за исключением потока жидкости.

Недавние исследования

В 2013 году Йе и др. есть публикация «Термический переходный эффект и улучшенный метод измерения температуры перехода в высоковольтных светоизлучающих диодах». В их экспериментах светодиодный чип высокого напряжения был прикреплен непосредственно к кремниевой подложке с помощью тонкого термоинтерфейсного материала (TIM). Датчики температуры были изготовлены с использованием стандартных технологий обработки кремния и откалиброваны в диапазоне от 30 °C до 150 °C. Толщина чипа и TIM составила 153 мкм и 59 мкм соответственно. Таким образом, датчики находились очень близко к pn-переходу . Кремниевая подложка была помещена и вакуумирована на громоздкой термической пластине с точным регулятором температуры в корпусе. Экспериментаторы применяли повышающие/понижающие токи и измеряли характеристики между температурой и прямым напряжением через 100 мс. В данной работе «время восстановления» определяется как интервал от начала изменения мощности до момента, когда температура снова стала равна исходному значению температуры. Результаты показывают, что температура перехода светодиода значительно и сразу снижается (более 10 °C) при подаче тока от 100 мкА до 15 мА. Затем температура перехода постепенно увеличивается. После времени восстановления ~100 мс температура перехода достигает исходного значения. В установившемся режиме 15 мА подаваемый большой ток мгновенно снижается в режиме понижения до 100 мкА. Измеренная температура перехода увеличивается на 4 °C за 0,1 мс. Температура датчика одновременно показывает повышение температуры на 2 °C. В дальнейшем температура перехода постепенно снижается. После времени восстановления ~100 мс температура перехода снижается до исходных значений. Затем температура перехода продолжает снижаться до тех пор, пока система не достигнет устойчивого состояния при комнатной температуре. Примечательно, что температура перехода изменяется в противоположность текущему изменению микросхем.

В 2016 году было проведено дальнейшее расследование этого явления. Вместо высоковольтного светодиодного чипа GaN в данном случае также исследовался низковольтный светодиодный чип на основе . Этот чип может выдерживать более широкий диапазон приложенных токов и обеспечивать более точное изменение мощности для наблюдения термоиндуктивных реакций. Чип был установлен на свинцовой рамке и герметизирован силиконом. Корпус микросхемы был припаян к печатной плате с металлическим сердечником и установлен на термической пластине с регулируемой температурой. Температура переходного перехода светодиодного чипа как функция времени измерялась с приложенным током как различные понижающие функции. Они подсчитали, что температура перехода в этой ситуации равна 36,2 °C при токе 350 мА. Результаты согласуются с предыдущими термоиндуктивными измерениями в высоковольтном светодиодном чипе на основе GaN. Как и ожидалось, температура перехода сразу возрастает и постепенно снижается по мере уменьшения тока. И время восстановления будет медленнее для системы с большим шагом снижения уровня. Они доказывают, что быстрое изменение мощности светодиодов на основе GaN вызывает пропорциональное изменение температуры, противоположное изменению температуры, ожидаемому от входной мощности. В отчете это явление называется тепловой индуктивностью. Термоиндуктивные свойства могут быть связаны с термоэлектрическим эффектом, особенно с переходным термоэлектрическим эффектом. Однако вместо рассмотрения указанной структуры термоэлектрических устройств учитывается тепловая индуктивность, возникающая в GaN-устройствах с ap-n-переходом. Ожидается, что благодаря сочетанию термического сопротивления, тепловой емкости и тепловой индуктивности их предположение может способствовать тепловому анализу высокочастотных устройств на основе GaN. Кроме того, ожидается, что явления тепловой индуктивности более широко распространены в неоднородных материалах и в области термического анализа при изменении энергии за очень короткий промежуток времени.

В 2019 году был проведен эксперимент, в котором тепловые колебания были достигнуты без совершения какой-либо внешней работы. Устройство состояло из элемента Пельтье и электрической индуктивности, включенных последовательно. Было показано, что производная по времени теплового тока пропорциональна отрицательной разности температур на устройстве, по аналогии с электрическим индуктором, где производная по времени электрического тока пропорциональна отрицательной разности напряжений. Результирующая «тепловая самоиндукция», допускающая такое колебательное поведение, когда рассматриваемые объекты всегда находятся в тепловом квазиравновесии, затем выражалась как функция электрической индуктивности, коэффициента Зеебека используемого термоэлектрического материала и рабочей температуры, а также дифференциальное уравнение для колебательного теплового тока «LCR» приведено в разделе дополнительной информации публикации. Хотя зарегистрированные тепловые колебания были сильно затухающими, а результирующие колебания температуры вокруг температуры термической ванны были сравнительно небольшими, эксперимент, по-видимому, является действительным доказательством концепции рабочей тепловой индуктивности.