بخشی از مقاله
خلاصه
سیستم های خنک کننده ، یکی از مهم ترین دغدغه های صنایعی مانند میکروالکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما رو به رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکرو الکترونیک که در مقیاس های زیر صد نانومتر عملیات های سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا اتفاق می افتد استفاده از سیستم های خنک کننده پیشرفته و بهینه ، کاری اجتناب ناپذیر است. در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از سیال آب، عملکرد ترموالکتریک در خنک کاری قطعات الکترونیکی بهبود پیدا کند. بدین منظور از دو جعبه خنک کننده که به صورت ساده و مارپیچ طراحی شدند، استفاده شد که در آن ها آب به صورت مستقیم با سطح ترموالکتریک در تماس است. آزمایشها برای دو گرمای تولیدی 03w و 03w که معمولا در قطعات الکترونیکی تولید می شوند انجام شد. نتایج نشان می دهد که در هر دو گرمای تولیدی، عملکرد جعبه خنک کننده ساده بهتر از حالت مارپیچ است.
کلمات کلیدی: ترموالکتریک، خنک کاری، الکترونیک.
.1 مقدمه
با پیشرفت صنعت الکترونیک و ساخت قطعات و پردازندههای با توان بالا، گرمای تولیدی آنها نیز روز به روز افزایش مییابد. با توجه به این که بازدهی این قطعات با بالا رفتن دمای آنها کاهش مییابد، خنککاری آنها و استفاده از شیوههای جدید برای این منظور بیش از پیش احساس می شود. ترموالکتریکها به دلیل پایداری در سالهای اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است. برای مثال نافون و همکارانش [1] تاثیر خنک کاری، با و بدون ترموالکتریک را بر روی دمای سیپییو (CPU) بررسی کردن و گزارش کردند که دمای سیپییو با استفاده از ترموالکتریک بیشتر کاهش مییابد. از این رو به منظور افزایش بازدهی روش های متفاوتی از جمله خنککاری بوسیله هوا و مایعات مورد استفاده قرار گرفت 2]، .[0 نافون و همکارانش [1]، هیت سینکهای مسی و آلومینیومی با عرض کانالهای متفاوت را استفاده کردند و گزارش کردند که خنککاری هیت سینک مسی بیشتر از آلومینیومی است. دیوید و همکارانش [0] با طراحی یک مبدل حرارتی سعی در بهبود انتقال حرارت در ترموالکتریک داشتند. آن ها تعداد بهینه کانال های موازی را برای افزایش عملکرد ترموالکتریک پیدا کردند. هوانگ و همکارانش [2]، تاثیر خنک کاری ترموالکتریک را توسط آب و مبدل حرارتی، بصورت توری و آزمایشگاهی بررسی کردند. آن ها جریان بهینه را برای ترموالکتریک پیدا کردند و دریافتند که خنک کاری بوسیله آب در توان های کمتر از 75w می تواند عملکرد خرارتی را بهبود بخشد. همچنین آزمایشات متعددی برای تاثیر نانو سیال ها بر روی عملکرد ترموالکتریک صورت گرفته است 7]، .[6
در این تحقیق برای افزایش توان خنک کنندگی ترموالکتریک از آب به عنوان سیال خنک کننده بهره برده شده است. همچنین با استفاده از طراحی دو جعبه خنک کننده بصورت ساده و مارپیچ، تاثیر آن بر روی عملکرد ترموالکتریک در دو توان 03w و 03w مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت. برای اولین بار در این آزمایش سیال به صورت مستقیم با سطح ترموالکتریک در تماس است.
.2 روش آزمایش
امروزه ترموالکتریکها به عنوان یک گزینه برای خنککاری تجهیزات الکترونیکی مطرح شدهاند. توان خنککنندگی این قطعات از رابطه زیر بدست می آید:
کهدرآنqPاثرپلتیر،qJاثرژولوqFاثرفوریهمیباشد. همچنیناثرفوریهازرابطهزیرمحاسبهمیشود:
دررابطهفوقThدمایسطحگرمترموالکتریکوTcدمایسطحسردترموالکتریکهستند.
از دو رابطه فوق می توان دریافت که با کاهش اختلاف دمای سطح گرم و سرد ترموالکتریک می توان اثر خنک کنندگی آن را افزایش داد. در این تحقیق برای کاهش بیشتر این اختلاف از دو جعبه خنک کننده که در آن ها آب بصورت مستقیم با سطح ترموالکتریک در ارتباط است استفاده شد.
جعبههای خنک کننده مورد استفاده در این آزمایش یا استفاده از ورق آلومینیومی با ضخامت 1mm ساخته شده است. طول و عرض جعبه ها 0cm×0cm که برابر طول و عرض ترموالکتریک می باشد در نظر گرفته شد. ارتفاع جعبه ها به نحوی انتخاب شد که حجم سیال داخل محفظه ها برابر و 21663mm0 باشد. برای ساخت جعبه مارپیچ از ورق آلومینیومی به ضخامت 1mm و طول 123mm استفاده شد. ورق با بوسیله خم کاری به شکل مورد نظر درآمده و جعبه خنک کننده نصب شد. شماتیکی از جعبه های ساخته شده را می تون در شکل 1 مشاهده نمود.
برای شبیه سازی گرمکن به عنوان قطعه الکترونیکی از یک بلوک آلومینیومی با ابعاد 0cm×0cm و هیتر فشنگی استفاده شد. برای بدست آوردن دمای گرمکن، 0 ترموکوپل بر روی سطح آن تعبیه و میانگین دماها به عنوان دمای گرمکن در نظر گرفته شد. بدلیل اینکه جنس سطوح ترموالکتریک از سرامیک است و سرامیک در برابر آب نفوذ ناپذیر است، برای اولین بار در این پروژه سطح ترموالکتریک بصورت مستقیم با آب در تماس قرار داده شد.برای عبور سیال از روی سطح ترموالکتریک، جعبه های طراحی شده بوسیله چسب آب بندی بر روی ترموالکتریک قرار گرفتند. در انتها ترموالکتریک توسط خمیر حرارتی با ضریب انتقال حرارت 0w/m-k بر روی پردازنده قرار داده شد. تصویر شماتیک سیستم خنک کننده در شکل 2 آورده شده است. برای جلوگیری از اتلاف حرارت سیستم ساخته شده کاملا در یک محفظه عایق کاری شده قرار گرفت.
در این آزمایش دمای آب ورودی ثابت و برابر 03±3/7C˚، که تقریبا همان دمای معمول محیط است در نظر گرفته شد. برای ثابت بودن دمای سیال ورودی از یک حمام دما ثابت استفاده شد. سیال توسط یک پمپ از درون حمام دما ثابت عبور کرده و وارد محفظه خنک کننده می شود. به منظور حذف هوا در سیستم از یک بشر استفاده شد که سیال بعد از خروج از محفظه خنک کننده به درون آن می ریزد. دبی عبوری سیال در تمامی آزمایشات 1/1liter/min بوده است. به منظور کنترل دمای سیال قبل و بعد از خنک کاری دو ترموکوپل هم در ورودی و خروجی محفظه خنک کننده قرار داده شد. شماتیک سیستم مورد آزمایش در شکل 0 قابل مشاهده است. آزمایشات در دو توان 03w و 03w که توان معمول قطعات الکترونیکی است انجام شدند.مدت در نظرگرفته شده برای هر آزمایش 1 ساعت بود.
.3 نتایج و بحث
