توصيفگر ها :
شار حرارتي ثابت , قطعات الكترونيكي , خودخنك كننده غيرفعال , معيار ارزيابي عملكرد
چكيده فارسي :
در قطعات الكترونيكي معمولاً شار حرارتي بالايي توليد مي¬شود و عمر اين قطعات به درجه حرارت كاركردشان وابستگي شديدي دارد، در نتيجه دفع حرارت در اين قطعات از اهميت بالايي برخوردار است و سيستم¬هاي متنوعي براي خنك¬كاري آن¬ها طراحي و ساخته شده¬اند. در اين پژوهش قطعه¬اي مستطيلي شكل در نظر گرفته¬شده كه در آن حرارت توليد مي¬شود و كانال¬هايي موازي براي خنك¬سازي قطعه درون آن تعبيه شده¬است. تعداد اين كانال¬ها از درجات آزادي سيستم بوده كه با بهينه¬سازي، تعداد آن¬ها مشخص شده¬است. كانال¬ها به دو دسته فعال و غير فعال تقسيم شده¬است. در يكسري از اين كانال¬ها (كانال¬هاي فعال) سيال خنك¬كن جريان دارد درحالي¬كه در تعدادي ديگر (كانال¬هاي غيرفعال) سيال ساكن وجود دارد. تقسيم¬بندي كانال¬ها به دو دسته فعال و غيرفعال سبب شده كه با توجه به حجم ثابت دبي سيال ورودي، دبي سيال در كانال¬هاي فعال افزايش يافته و ضمن خنك¬كاري قطعه، درجه حرارت كلي قطعه كاهش يابد. كانال¬هاي فعال و غيرفعال توسط ميكروترموستات¬هاي گرمايي به يكديگر متصل بوده و با بالارفتن شار حرارتي در قسمتي از قطعه، كانال¬هاي غيرفعال در همان قسمت از قطعه به كانال¬هاي فعال تبديل شده و خنك¬سازي در قسمت¬هاي با شار حرارتي بالا افزايش يافته و درجه حرارت قطعه كاهش مي¬يابد. طراحي يك سيستم خودخنك¬كن غيرفعال به اين صورت، يك كار جديد مي¬باشد كه تاكنون انجام نشده¬است. براي اين كار، حل تحليلي جريان و انتقال حرارت با استفاده از نرم¬افزار حل معادلات مهندسي و تحليل عددي جريان سيال و بررسي ميزان انتقال حرارت قطعه با استفاده از نرم¬افزار فلوئنت انجام شده-است. آب به عنوان سيال خنك¬كن با خواص ثابت فرض شده¬است. جريان سيال دائم و ابتدا آرام و سپس آشفته در نظر گرفته شده و نتايج مربوط به هر دو حالت آشفته و آرام با در نظرگرفتن و يا صرفنظر از افت فشار موضعي در حالت تحليلي، محاسبه و با يكديگر مقايسه شده¬است. براي شبيه¬سازي جريان مغشوش، مدل k-ε در نظر گرفته¬شده¬است. در حل عددي، جريان آرام با فرض شرط ورودي فشار ثابت و جريان مغشوش با فرض جريان ورودي كاملاً توسعه¬يافته هيدروديناميكي حل شده¬است. پس از حل عددي، هندسه بهينه كانال¬هاي فعال و غيرفعال مشخص شده و سپس قطعه¬اي مطابق با هندسه بهينه¬شده (قطعه با 23 كانال و با ابعاد 370×560 ميلي¬متر) ساخته شده و جريان درون آن مطالعه و بررسي شده¬است. در حل تحليلي و در حالت جريان آرام، بيشترين كاهش دماي ماكزيمم سطح با استفاده از سيستم خودخنك¬كننده جديد 80/22 درجه سانتي¬گراد و مربوط به حالت جريان آرام كاملاً توسعه¬يافته و در حالت جريان آشفته، بيشترين ميزان خنك¬كنندگي دماي سطح 11/8 درجه سانتي¬گراد است. اما استفاده از سيستم خودخنك¬كننده جديد در حالت حل عددي در جريان آرام، دماي سطح را تا 26 درجه سانتي¬گراد و در جريان آشفته تا 56 درجه سانتي¬گراد كاهش مي¬دهد. در بررسي تجربي جريان درون قطعه، بيشترين كاهش دماي ماكزيمم قطعه 5/20 درجه سانتي-گراد مي¬باشد. نتايج بدست آمده از بررسي تجربي جريان درون قطعه، تطابق خوبي را با نتايج حل عددي جريان درون قطعه نشان مي¬دهند. محل ترموستات¬ها و موقعيت آن¬ها نسبت به محل اعمال شار حرارتي ماكزيمم در ميزان خنك¬كاري قطعه مؤثر است و در صورتي كه بازشدگي ترموستات¬ها قبل از محل اعمال شار حرارتي ماكزيمم باشد، ماكزيمم دماي جسم به خوبي كاهش مي¬يابد. همچنين هر چه ضريب هدايت حرارتي جسم كمتر باشد، با استفاده از سيستم خنك¬كاري غيرفعال جديد كاهش بيشتري در دماي ماكزيمم قطعه مشاهده مي¬شود.
چكيده انگليسي :
Electronic components typically generate a noticeable heat flux, and their life span significantly depends upon their performance temperature. Therefore, the cooling process of these components is of great importance and various cooling systems have been developed over the years for this very purpose. In this research, a rectangular component with internal heat generation and implemented parallel cooling channels has been studied. The number of these channels is one of the degrees of freedom of this system, which has been determined through an optimization process. Channels can be divided into two categories of active and inactive. In active channels, the cooling fluid is flowing, in contrast with the stationary fluid found in inactive channels. Due to the constant flow rate of incoming fluid, the flow rate increases in the active channels and reduces the overall component temperature. Active and inactive channels are interconnected via micro-thermostats, thus an increasing heat flux in one part of the component would lead inactive channels to transform into active channels and reduce the temperature in high heat flux locations through increased cooling. The design and development of this inactive self-cooling system are innovative, and no previous research has reported a similar approach. Analytical solution of the flow has been conducted using engineering software, and numerical analysis of the flow and heat transfer have been done using Fluent software. Water, as the cooling fluid, has been assumed to have constant properties. Fluid flow has been considered constant, with an initially laminar and then turbulent regimen. The results of laminar and turbulent flows have been calculated and compared with regards to considering versus neglecting local pressure drops in the analytical condition. In order to simulate the turbulent flow, the k-ε model was used. In the numerical solution, the laminar flow was solved with the assumption of constant inlet pressure, and the turbulent flow has been solved with the assumption of fully developed hydrodynamic inlet flow. Following the numerical solution, the optimized geometry of active and inactive channels (component whit 23 channels and dimentions 370×560 mm) was determined, and a component was developed accordingly to study the fluid flow. In the analytical solution, the maximum surface temperature reduction using the designed self-cooling system was found to be 22.80°C and 8.11°C with a fully developed laminar flow and a turbulent flow, respectively. However, the numerical solution showed a 26°C and 56°C maximum surface temperature reduction with a laminar and a turbulent flow, respectively. Experimental analysis of the flow indicated a maximum temperature reduction of 20.5°C within the component. The results of the experimental solution agree well with the results obtained from the numerical solution of the flow. Location of the thermostats and their position relative to the location of the maximum heat flux is effective in the cooling rate of the component. if the thermostats open before the maximum heat flux is applied, the maximum component temperature decreases well. Also, the lower the thermal conductivity of the component, the greater the reduction in the maximum temperature of the component using the new inactive self-cooling system.
