بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی حل عددی و تجربی افزایش انتقال حرارت در سیستم خنک کننده CpU
چکیده:
در این مقاله به بررسی سیستم افزایش انتقال حرارت در پره های کوچک مستطیل شکل CPU به دو روش پرداخته شده است. در روش اول بر اساس معادلات حاکم بر جریان سیال در یک شرایط سه بعدی واقعی با استفاده از طرح حجم محدود و ویژگی های انتقال حرارت به صورت عددی محاسبه شده و در روش دوم با استفاده از نتایج تجربی در حضور ترموالکتریک و بدون ترموالکتریک انجام شده است. در این تحقیق از آب د-یونیزه " به عنوان سیال خنک کننده استفاده شده است. برای حل عددی از مدل استاندارد توربلانس k-E برای توصیف جریان به کار گرقته شده است. در مدل تجربی از شش پره کوچک جاذب گرما به ارتفاع ۳۷ و عرض ۳۷ و ضخامت هر پایه آن ۵ میلی متر و ترمو الکتریک استفاده شده است. نتایج حاکی از آن است که راه حلی برای بهبود عملکرد انتقال حرارت در تجهیزات الکترونیکی و همچنین افزایش بازده انتقال حرارت صورت گیرد.
کلمات کلیدی: پره های انتقال حرارت، آب دیونیزه، ترموالکتریک
۱. مقدمه
با پیشرفت علم و تکنولوژی استفاده از دستگاههای الکترونیکی کوچک و میکرو اجزاء رو به افزایش است. به دلیل محدودیت فضا برای استفاده از خنک کننده هوا انتقال حرارت و افت فشار در مینی و میکرو اجزاء و کانال های انتقال حرارت به طور گسترده توسط محققان مورد مطالعه قرار گرفته است. ارائه اثر تحلیلی و عددی تخلخل در عملکرد یک میکرو کانالانتقال حرارت توسط آقایان زائی و لو مورد مطالعه قرار گرفته است [۱]. مطالعه بر روی افزایش انتقال حرارت در میکرو کانال در مایعات غوطه ور در دی الکتریک در مورد جوششی (حوضچه جوش) توسط آقایان هوندا و وی انجام شده است [۲و۳. مطالعه روی گرمای بین پره های انتقال حرارت و همچنین تنظیمات هندسی از لحاظ تئوری و تجربی توسط حرارتی پخش گرما برای خنک کردن برنامه های کاربردی توسط آقایان فنگ و خو ارائه شده است || ۵ | انتقال حرارت در میکروکانال به صورت تک فاز برای بسته های الکترونیکی توسط آقای ژانگ و همکارانش مورد بررسبی قرار است [۶]. بررسی انتقال حرارت و افت فشار در بین پره ها توسط آقای پلیس و همکارانش انجام گرفته شده است [۷]. مطالعه بر روی اثرات عرض پره های شش ضلعی بر مقاومت در برابر حرارت و افت فشار توسط آقای یاقوت و همکارانش مورد بررسی قرار داده شد [۸]. مطالعه تجربی بر روی انتقال حرارت در جوششی (حوضچه جوش) با استفاده از ساختار میکرو و نانو هیبرید توسط آقای لونی انجام شده است [۹]. بررسی انتقال حرارت و خصوصیات جریان سیال در سطوح پره دار توسط آقای ديدارول انجام شده است [ ۱۰]. بررئيسي جریان انتقال حرارت در حوضچه جوش 72-FC در پیر پرده های پینی تراشه های سیلیکون توسط آقای لی و همکارانش مورد مطالعه قرار داده شده است [۱۱]. مطالعه تجربی بر روی افت فشار و انتقال حرارت در پره های پینی مربع شکل در کانال ها توسط آقایان جنگ و تزنگ انجام گرفته است[۱۲]. بررسی انتقال حرارت و افت فشار در مایع تک فاز نیتروژن در میکرو کانال ها توسط آقای چی و همکارنش مورد مطالعه قرار گرفته است [۱۳]. مطالعه بر روی عمکرد میکرو کانال های جاذب گرما بدون ترموالکتریک با استفاده از مایع تک فاز به عنوان سیال سرد کننده توسط آقایان چین و چوانگ انجام شده است [۱۴ و۱۵ ]. مطالعه بر روی انتقال حرارت و اثر آن بر روی کارایی صفحات پره ای پین دار و پره های جاذب گرما توسط آقای يو انجام گرفته است [۱۶]. مطاله تجربی و عددی بر مقاومت هیدرولیک و انتقال حرارت در خطوط بین پره های مربع شکل توسط آقای دو گروزت و همکارانش انجام گرفته است [۱۷]. مقالات زیادی در مورد افت فشار و انتقال حرارت در مینی و میکرو کانال ها از لحاظ عددی و تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف این مقاله بررسی حل عددی و تجربی انتقال حرارت در پره ها می باشد.
۲- روش حل
در این مقاله در روش تجربی انتقال حرارت در پره ها با ترموالکتریک و بدون ترموالکتریک صورت گرفته است. در شکل ۱ دیاگرام شماتیک .3 دستگاه تجربی نشان داده شده است، آب د – يونيزه به عنوان سیال خنک کننده استفاده شده است. بخش تست و اتصالات و سیستم لوله کشی آن طوری طراحی شده که قابل تغییر است سایر تجهیزات آن شامل یک مخزن ذخیره سازی به حجم و پمپ اب و فلومتر و رادیاتور است. دمای اب ورودی و خروجی از پره ها در حدود ۲۸ تا ۳۰ درجه سانتیگراد نگه داشته میشود. در شکل ۲ پره های انتقال حرارت دیده میشود. اندازه گیری هر کدام از قسمت ها در هر ۲۰ دقیقه یک بار انجام شده و همگی این داده ها از طریق سیستم گیرنده اطلاعات ثبت می شود. بخش آزمون از مس یا آلومینیوم استفاده میشود که اندازه گیری خنک کنندگی در جدول ۱ نشان داده شده و دقت اندازه گیری در جدول ۲ نشان داده شده است. در روش عددی مطالعه بر روی انتقال حرارت و خصوصیات جریان سیال از طریق پره هایی کوچک مستطیل است در شکل الف-۱ حوزه های محاسباتی برای محاسبه عڈ دی نشان داده شده است.
۱-۲. معادلات حاکم معادلات پیوستگی، مومنتم، انرژی، آشفتگی انرژی و اتلاف انرژی جنبشی آشفته (8) به ترتیب (۱)، (۲)، (۳)، (۴)، (۵) درزیر نوشته شده است.
دقت اندازه گیری در محاسبات شبکه با استفاده شده است. مقایسه بین دمای خروجی مایع خنک کننده برای عرض کانال های مختلف در جدول الف- ۲ نشان داده شده است. مقایسه بین دمای خروجی و ورودی مایع خنک کننده با استفاده از دستگاه های اندازه گیری و همچنین سرعت جریان برای عرض کانال ۰.۵ میلی متر در جدول الف- ۳ نشان داده شده است. ۳- بحث و نتایج مقایسه نتایج عددی و تجربی هماهنگی کافی را دارا می باشد. با توجه به ساختار جریان سیال و توزیع دما از طریق پره های مستطیلی انتقال حرارت برای خنک کردن CPU در کامپیوتر در دو محور X و y نشان داده شده است. الگوی جریان در مجرای ورودی دارای اثر قابل توجه ای در سرعت و جهت سیال در منطقه انتقال حرارت می باشد. در شکل الف-۲ تغییرات بردار سرعت خنک کننده در مجرای ورودی و خروجی را نشان می دهد. جریان غیر یکنواخت تاثیر زیادی در توزیع دمای خنک کننده از طریق پره های انتقال حرارت دارد. تنوع خط جریان ورودی در مسیر مجرای ورودی در شکل الف - ۳ نشان داده شده است. حرارت به وجود آمده در CPU توسط مایع خنک کننده به پره های انتقال حرارت منتقل شده و سپس با استفاده از فن به بیرون از سیستم منتقل می شود. در شکل الف-۴ تغییرات مایع خنک کننده در جهت xو yنشان داده شده است. در مجرای خروجی توزیع درجه حرارت به صورت غیر یکنواخت است. کمترین و بالاترین درجه حرارت در مجرای ورودی و خروجی رخ می دهد. نرخ انتقال حرارت در پره ها باعث سرد شدن آنها می شود. اثر نوع مواد بر پره های انتقال حرارت در شکل ۳ نشان داده شده است. عدم یکنواختی سرعت که باعث عدم یکنواختی در توزیع درجه حرارت در پره ها در فاز جامد در شکل الف-۵ نشان داده شده است. کاهش درجه حرارت و توزیع یکنواخت دمای خنک کننده در نزدیک مجرای خروجی باعث افزایش انتقال حرارت در فاز جامد را می شود. در نمونه تجربی هر یک از آزمایشات صورت گرفته تحت شرایط دمای ۲۶ تا ۲۷ درجه سانتیگراد در مدت هر ۲۰ دقیقه صورت گرفته شده است. آب توسط هوا در رادیاتور خنک می شود که دمای ورودی آب قبل از ورود به خنک کننده در حدود ۲۸ تا ۳۰ درجه سانتیگراد نگه داشته میشود که در
شکل ۴ بارگذاری پرههای مسی نشان داده شده و در شکل ۵ اثر عرضی کانال انتقال حرارت در CPU در شرایط با مختلف نشان داده شده است. در جدول ۳ مقایسه مصرف انرژی در خنک کنندههای مختلف نشان داده شده است. در روش تجربی طرف سرد ترموالکتریک به CPU و طرف دیگر آن به پره های انتقال حرارت متصل است. عبور جریان الکتریکی از ماژول ها باعث حذف گرما می شود. برای جلوگیری از تراکم بخار آب ولتاژ ورودی را در ۶ ولت ثابت نگه داشته می شود که این عمل باعث ثابت نگه داشتن دمای دو سر CPU می شود. بین دو جاذب گرما یکی مس و دیگری آلومینیوم کاهش حرارتاز مس بیشتر از آلومینیوم است زیرا مسی هدایت حرارتی بالاتری نسبت به آلومینیوم دارد. اثر سرعت جریان در خنک کاری CPU در بارگذاریهای مختلف توسط پرههای جاذب گرمای مسی با عرض ۰/۵ میلی متر در شکل ۴ نشان داده شده است. در جریان هایی که برای خنک کاری CPU استفاده می شود جریانی که دارای سرعت بالاتری باشد بزرگترین افت دما را نیز دارد. در شکل ۶ دمای پردازنده را تحت شرایط مختلف در طیفی از زمان نشان می دهد. در شکل ۷ مقایسه دمای CPU در حالت با ترموالکتریک و دیگر روش های خنک کردن پردازنده نشان داده شده است. در شکل ۸ میتوان نشان داد که انتقال حرارت در CPU با ترموالکتریک در مقایسه با دیگر روش ها بیشتر است ولی ترموالکتریک باعث افزایش مصرف انرژی نسبت به وقتی که ترموالکتریک وجود ندارد می شود.
