توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت در کولر ترموالکتریک(TEC) به منظور خنک کاری پکیج آی سی بر روی برد PCB در نرم افزار انسیس آیسپک(ANSYS Icepak)
ماژول های ترموالکتریک:
اثر ترموالکتریک تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی و یا برعکس آن است. یک دستگاه ترموالکتریک وسیله ای است که درصورت وجود اختلاف دما در دو سرش، ولتاژی را پدید می آورد و در مقابل در صورت گرفتن ولتاژ در دو سرش اختلاف دما ایجاد میشود. در ابعاد اتمی، گرادیان دمای اعمال شده سبب می شود تا حامل های بار در ماده از سمت گرم به سمت سرد حرکت کنند. این اثر در تولید الکتریسیته و محاسبه دمای اجسام یا تغییر دمایشان کاربرد دارد. چون گرم شدن و سرد شدن ارتباط مستقیمی با قطبش ولتاژ اعمال شده دارد، دستگاه های ترموالکتریک، کنترل کننده های بسیار موثر دما هستند. اثر ترموالکتریک شامل سه اثر شناخته شده مجزا است: اثر سیبک(seebeck)، اثر پلتیر(Peltier) و اثر تامسون(Thomson) که اثر سیبک تبدیل انرژی حرارتی به الکتریکی و اثر پلتیر معکوس آن است. در سال ۱۸۲۱ سیبک آزمایشاتی را انجام داد که درواقع اولین اثر ترموالکتریک دانسته می شوند. او مشاهده کرد که می توان با حرارت دادن محل اتصال دو فلز غیر هم جنس، یک پتانسیل الکتریکی تولید کرد. سیبک درواقع توانست اولین پدیده ترموالکتریک را، کم و بیش با همین شکلی که امروزه شناخته می شود، بیان کند. سیزده سال بعد پلتیر ساعت ساز فرانسوی، مطالبی را منتشر کرد که نشان می داد او دومین پدیده ترموالکتریک را کشف کرده است. وقتی که جریانی مستقیم از محل اتصال دو فلز غیر هم جنس، عبور می کند، بسته به جهت جریان، جذب حرارت و یا آزاد سازی حرارت وجود دارد. این اثر جدای از اثر حرارت ژول است که با عبور جریان الکتریسیته از یک سیم هادی حرارت تولید می شود و کاملا قابل تفکیک است. تامسون، که بعداً با نام لرد کلوین معروف شد، دریافت که پدیده های سیبک و پلتیر باید ارتباطی داشته باشند و تلاش کرد که این ارتباط را از دیدگاه ترموالکتریک شرح دهد. او دریافت که باید پدیده های دیگر وجود داشته باشد که اینک اثر تامسون نامیده می شود. این اثر گرمایش و سرمایش در یک هادی همگن را وقتی که جریان الکتریکی در امتداد گرادیان دما برقرار می شود بیان می کند.
کاربردهای ترموالکتریک:
کاربردهای سیستم های ترموالکتریک نیز به دو دسته کلی تقسیم بندی خواهند شد؛ باتوجه به اینکه قابلیت تولید انرژی الکتریسیته را از اختلاف دما دارند، در این صورت به آنها ژنراتور ترموالکتریک گفته می شود. همچنین به صورت معکوس و با کمک انرژی الکتریسته قابلیت ایجاد اختلاف دما دارند که در این صورت کولر ترموالکتریک نامیده می شوند. کولرهای ترموالکتریک کاربردهای متفاوتی مانند خنک کاری خنک کاری تجهیزات و وسایل الکترونیکی، آب سردکن، یخچال های قابل حمل و سیستم های تهویه هوا دارند.
خنک کاری تجهیزات الکترونیکی:
در خنک کاری تجهیزات الکترونیکی، یک کولر ترموالکتریک به عنوان یک وسیله برای انتقال گرما از صفحهای که دمای بالاتری نسبت به محیط دارد به بیرون، به کار برده می شود. افزایش سریع فناوری اطلاعات در چند سال گذشته موجب افزایش تقاضا برای یک ریز پردازنده که توانایی محاسبات بسیار بالا را دارد، شده است. نسل قبلی واحد پردازش مرکزی (CPU) شامل 1.17 بیلیون ترانزیستور می بود که این خود منجر به تولید مقدار زیاد حرارت می شد. میزان اتلاف حرارت با افزایش ولتاژ و فرکانسCPU افزایش می یابد. بنابراین سیستم های خنک کننده هوا برای از بین بردن این شار حرارتی کافی نمی باشد و سایر تکنیک هایCPU خنک کاری با عملکرد بالا از جمله ترموالکتریک ها جایگزین سیستم تهویه مستقیم هوا می شود. تجهیزات الکترونیکی مانند پردازنده ها حین کارکردن مقدار بسیار زیادی گرما تولید می کنند که این یک چالش مهم در عملکرد و پایداری آنها می باشد زیرا دمای عملکردی تجهیزات الکترونیکی بایستی ثابت نگه داشته شود. در بیشتر موارد، نیاز است تا حداکثر دمای نقطة اتصال تجهیزات الکترونیکی برای عملکرد بهتر زیر 85 درجة سانتیگراد نگه داشته شود. حداکثر جریان گرمایی که از یک دستگاه الکترونیکی با عملکرد بالا می تواند تولید شود در حدود 200 وات است که به طور ثابتی در حال افزایش است. فناوری های سرمایشی غیرفعال معمولا از آب یا هوا به عنوان سیال کاری استفاده می کنند مانند میکروکانال ها، که به طور کامل نمی توانند گرمای اضافی را خارج کنند و باید از روش های فعال استفاده شود. کولرهای ترموالکتریک برای خنک کاری سطح گرم توانایی بالایی در این شرایط دارند زیرا اندازه کوچک و قابلیت اطمینان بالا دارند همچنین در حین عملکرد بی صدا هستند.
خنک کاری مدارهای مجتمع(IC):
پیشرفت روزافزون صنایع الکترونیک و کامپیوتر در سال های اخیر باعث شده است تا مسئله ی دفع گرما از مدارهای مجتمع(IC) به موضوعی مهم و حیاتی بدل شود. در گذشته، اینگونه تصور می شد که مسئله خنک کاری اهمیت کمتری نسبت به بقیة مسائل مرتبط با صنایع الکترونیکی دارد، چرا که اثرات گرمایی حاصل از این بی توجهی بر روی سرعت، کارآیی و قابلیت اطمینان مدارهای مجتمع قابل چشم پوشی بوده است. اما پیشرفت در صنعت نیمه رساناها که به صورت تراکم بیشتر ترانزیستورها در ریزپردازنده ها (Microprocessor) و کاهش اندازه آنها نمایان شده، طراحان را مجبور به توسعه روش های خنک کاری جدید در این زمینه کرده است. راهنمای طراحان در این زمینه نظریه ای است که گوردون مور(Gordon E. Moore)، یکی از بنیانگزاران شرکت اینتل، در سال ۱۹۶۵ میلادی ارائه کرده است. وی در مقاله خود در این سال بیان کرده است که تعداد ترانزیستورهایی که می توان به صورتی مقرون به صرفه در یک مدار مجتمع قرار داد و یا به عبارت دیگر تراکم ترانزیستور در ریزپردازنده های کامپیوتری، تقریبا هر دو سال یک بار دو برابر می شود. این نظریه که بعدها به نام قانون مور معروف شد، به عنوان دورنمای بسیاری از صنایع الکترونیکی مورد قبول است؛ چنان که قابلیت بسیاری از دستگاه های الکترونیکی و دیجیتالی از جمله سرعت پردازنده ها، ظرفیت حافظه ها، حسگرها و حتی تعداد پیکسل ها در یک دوربین دیجیتال به طور گسترده ای وابسته به این قانون است. با وجود اینکه نظریه های دیگری نیز در این زمینه منتشر شده است، اما این نظریه ساده از دقت خوبی برخوردار است و انتظار می رود که حداقل تا سال های آتی پیشرفت صنعت مدارهای مجتمع و نیمه رساناها را به خوبی پیش بینی کند. بسیاری از شرکت های تولید کننده ریزپردازنده و نیمه رسانا براساس همین نظریه، طرح های بلندمدت و اهداف پژوهشی و توسعه ای خود را تنظیم می کنند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت در کولر ترموالکتریک(TEC) به منظور خنک کاری پکیج آی سی بر روی برد PCB در نرم افزار انسیس آیسپک(ANSYS Icepak) انجام شده است.
هندسه مسئله:
نمونه نتایج شبیه سازی:
