توصيفگر ها :
مواد تغييرفازدهنده , مطالعه عددي , تراشه الكترونيكي , چاه حرارتي , سامانههاي خنككننده
چكيده فارسي :
در پژوهش حاضر شبيهسازي عملكرد سامانه خنككننده تراشه الكترونيكي بر پايه چاه حرارتي حاوي مواد تغييرفازدهنده با يك روش جديد در فرآيند تغيير فاز در بخش معادله موازنه انرژي موردبررسي قرار گرفت. مواد تغييرفازدهنده مختلف مانند لاريك اسيد، استئاريك اسيد و اِن - ايكوزان براي تأخير در رسيدن دماي تراشه الكترونيكي به 80 درجه سلسيوس مورداستفاده قرار گرفتند. در اين پژوهش از يك رويكرد جديد در بهكارگيري روش آنتالپي – تخلخل استفاده شد. در اين رويكرد براي مدلسازي گرماي نهان از آناليز DSC ماده تغييرفازدهنده استفاده گرديد. ظرفيت گرمايي ويژه و كسر حجمي مذاب ماده تغييرفازدهنده از آناليز DSC محاسبه و در معادلات حاكم مورداستفاده قرار گرفتند. مشخصههاي موردمطالعه در اين پژوهش علاوه بر نوع ماده تغييرفازدهنده، اعمال توانهاي الكتريكي مختلف و درصد پرشدگيهاي مختلف ماده تغييرفازدهنده در حفرههاي چاه حرارتي بودند. همچنين تأثير حضور و عدم حضور همرفت طبيعي در ناحيه ماده تغييرفازدهنده موردبررسي قرار گرفت. ابتدا نتايج حاصل از شبيهسازي عددي با دادههاي تجربي در حالتهاي مشابه مورد مقايسه قرار گرفت. درصد خطاي نسبي بين دادهها در حالتهاي يكسان از 8% فرارتر نرفت. اين مقدار نشان از پيشبيني نزديك شبيهسازي عددي با دادههاي تجربي دارد. مطابق انتظار نتايج حاصل از افزايش اعمال توان الكتريكي از W 6 به W15 منجر به كاهش زمان رسيدن به دماي بحراني قطعه الكترونيكي شدند. براي لاريك اسيد در پرشدگي 50% اين مقدار از 36 دقيقه به 5/9 دقيقه رسيد. در پرشدگي 50% استئاريك اسيد اين مقدار از 33 دقيقه به 5/8 دقيقه رسيده است. در پرشدگيهاي متفاوت دو ماده (30%، 50% و 80%) نيز با افزايش پرشدگي به علت افزايش ظرفيت ذخيره حرارتي ماده تغييرفازدهنده زمان رسيدن به دماي بحراني افزايش يافت. در توان W 10 براي لاريك اسيد زمان رسيدن به دماي بحراني از 13 دقيقه در پرشدگي 30% به 5/20 دقيقه در پرشدگي 80% رسيده است. براي استئاريك اسيد در شرايط مشابه اين مقدار به ترتيب 14 دقيقه و 23 دقيقه به دست آمد. در حالتي كه به چاه حرارتي حاوي لاريك اسيد در پرشدگيهاي مختلف توان W 10 اعمال شود؛ عدم درنظرگرفتن همرفت طبيعي منجر به كاهش زمان رسيدن به دماي بحراني در حدود 2 دقيقه نسبت به حالتي كه همرفت طبيعي در ناحيه ماده تغييرفازدهنده در نظر گرفته شود، شد. ماده اِن - ايكوزان براي ارزيابي عملكرد رويكرد شبيهسازي جديد در اين پژوهش براي مواد مختلف تغييرفازدهنده موردبررسي قرار گرفت. نتايج حاصل، با توجه ويژگيهاي فيزيكي اِن - ايكوزان، صحت عملكرد روش شبيهسازي مورداستفاده را در پيشبيني رفتار مواد تغييرفازدهنده مختلف تأييد شد. باتوجهبه نتايج حاصل براي سه ماده در حالتي كه دماي بحراني بُرد در محدوده پاييني باشد (40 درجه سلسيوس) ماده اِن - ايكوزان عملكرد بهتري نسبت به دو ماده ديگر دارد. همچنين درصورتيكه سامانه در توانهاي پايين فعاليت داشته باشد استفاده از پرشدگي 50% مواد عملكرد مناسب در تأخير زماني رسيدن به دماي بحراني دارد و از نظر اقتصادي نيز بهصرفه است. از سوي ديگر روش مورداستفاده در پژوهش حاضر با روشهاي مرسوم مورداستفاده در پژوهشهاي پيشين مقايسه گرديد كه علاوه بر تطابق بيشتر با نتايج تجربي از زمان اجراي كمتر نيز برخوردار است. همچنين عملكرد چاه حرارتي در سناريوهاي 10 دقيقه روشن و 80 دقيقه خاموش بهصورت تك چرخه و سهچرخه متوالي موردبررسي قرار گرفت. در سهچرخه متوالي نتايج عددي با دادههاي تجربي از تطابق بيشتري برخوردار بودند. ميانگين خطاي عددي در سهچرخه برابر با 8% بوده است.
چكيده انگليسي :
In the present study, the performance of an electronic chip cooling system based on a heat sink containing Phase Change Materials (PCMs) was simulated. A novel approach for modeling the phase change process in the energy balance equation was investigated. Various PCMs, such as lauric acid, stearic acid, and n-eicosane, were employed to delay the time for the electronic chip to reach its critical temperature of 80°C.This research introduced a new approach utilizing the enthalpy-porosity method. In this approach, the latent heat was modeled using data from Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis of the PCM. The specific heat capacity and melt fraction of the PCM, calculated from the DSC analysis, were incorporated into the governing equations.The studied parameters, in addition to the type of PCM, included different applied heat fluxes (power levels) and various PCM fill ratios within the heat sink cavities. The effect of the presence and absence of natural convection within the PCM region was also examined.First, the results of the numerical simulation were compared with experimental data under similar conditions. The relative error percentage between the data in identical cases did not exceed 8%. This indicates a close agreement between the numerical predictions and the experimental data.As expected, increasing the applied power from 6W to 15W resulted in a reduction of the time taken to reach the critical temperature. For lauric acid at a 50% fill ratio, this time decreased from 36 minutes to 9.5 minutes. For stearic acid at a 50% fill ratio, it decreased from 33 minutes to 8.5 minutes.Furthermore, for different fill ratios (30%, 50%, and 80%) of both materials, an increase in the fill ratio—due to the enhanced thermal energy storage capacity—led to an increase in the time to reach the critical temperature. At 10W power, for lauric acid, the time to reach the critical temperature increased from 13 minutes at a 30% fill ratio to 20.5 minutes at an 80% fill ratio. For stearic acid under similar conditions, these values were 14 minutes and 23 minutes, respectively.When 10W power was applied to the heat sink containing lauric acid at different fill ratios, neglecting natural convection resulted in a reduction of approximately 3 minutes in the time to reach the critical temperature compared to when natural convection within the PCM region was considered.n-Eicosane was studied to evaluate the performance of the new simulation approach proposed in this research. The results, consistent with the physical properties of n-eicosane, confirmed the accuracy of the present simulation method in predicting PCM behavior. According to the results obtained for the three materials, in the case where the critical temperature of the board is in the low range, such as 40 degrees Celsius, the n-icosane material has a better performance than the other two materials. Also, if the system operates at low powers, using 50% filling of the materials has a good performance in delaying the time to reach the critical temperature and is also economical. On the other hand, the method used in the present study was compared with the conventional methods used in previous studies, which in addition to being more consistent with the experimental results, also has a shorter execution time. Also, the performance of the heat sink in scenarios of 10 minutes on and 80 minutes off was investigated in a single cycle and three consecutive cycles. In three consecutive cycles, the numerical results were more consistent with the experimental data. The average numerical error in three cycles was equal to 8%.