توضیحات
پروژه شبیه سازی تحلیل حرارتی پایا در هیت سینک (heat sink) در انسیس
Simulation of Steady Thermal Analysis and Heat Transfer in Heat Sink in ANSYS
هیت سينك هاى حرارتي معمولا در خنك كارى قطعات الكتروني كه مي بايست شار حرارتي زيادى منتقل شوند اسـتفاده مي شود. در اغلب كاربردهاى خنك كارى قطعات الكتروني، واسطه انتقال حرارت هوا است كـه طبـق نگـاه مهندسـي انتقال حرارت جابجايي اجبارى به جابجايي طبيعي ترجيح داده ميشود. به منظور كاهش مصـرف انـرژى و افـزايش قابليت اعتماد، انتقال حرارت جابجايي طبيعي انتخاب صحيحتر است كما اينكه در مواردى كه انتقال حرارت از يـك سطح معين كوچك به فضاى بزرگتر مورد نياز است از وسايلي همچون لوله هاى حرارتي و منتشر كننده ها اسـتفاده مي شود.
هيت سينك(heat sink) يك قطعه فلزى از جنس فلزهايي با رساناى گرمايي بالا مثل مس و آلومينيوم است كه روى پردازنده ها يا چيپ ها مانندمادربورديا هر چيپ ديگرى كه در اثر پردازش اطلاعات گرما توليد مي كند قرار داده ميشود تا سطح تماس پردازنده و چيپست رو با محيط باطراف يشتر كند و به پردازنده امكان دفع گرماى بيشترى را بدهد تا پردازنده بيشتر از حد استاندارد گرم نشود ، معمولاً بدنه هيت سينك ها پره دار بوده تا سطح تماس آن با محيط بيشتر شود و در بعضي جاها مثلثي پي يو روى آن يك فن قرار داده مي شود تا هواى گرم ميان پره ها را خارج كند. در كل وظيفه هيت سينك تبادل حرارت ( دفع گرما ) است. موارد استفاده هيت سينك ها عمدتا در صنايع الكتريكي (لامپ هاى LED ، پوسته موتورها و بردهاى الكتريكي و ال اى دى پاور و CPU … ) مي باشد. اين در حالي است كه فلز آلومينيوم به دليل قابليت اكسترود پذيرى بالا و صافي سطح و رسانايي بـالاى گزينـه ايـده الي براى ساخت هيت سينك مي باشد.
از اين بين به چند دليل سينك هاى حرارتي امروزه جز پركاربردترين وسايل انتقال حرارت به شمار مي آيند:
- عدم نياز به انرژى: بر خلاف فن ها و سيستم هاى خنك كارى كه بر اساس چرخـه هـاى تبريـد عمـل مـي كنند.
- قابليت اعتماد بالا: نداشتن اجزاى متحرك و ساز و كار غير پيچيده در كنـار هندسـه سـاده باعـث شـده تـاسينك هاى حرارتي داراى قابليت اعتماد بالايي باشند.
- عدم نياز به نگهدارى، سرويس و تعميرات
- ساز و كار و هندسه ساده: هندسه ساده نياز به طراحي هاى پيچيده و تكنولـوژى خـاص در امـر توليـد را ازبين برده است و ار اين منظر سينك هاى حرارتي داراى طراحي و فرايند توليد به نسبت كـم هزینه تـرى است.
محدوديت هايي از قبيل كمبود فضاى در دسترس، نرخ انتقال حرارت و اندازه هیت سینک ها عـواملي هسـتند كه در سال هاى اخير پژوهش هاى زيادى را متوجه هیت سینک ها كرده اند. افزايش راندمان كـه درنتيجه آن كاهش اندازه پره ها و كاهش فضاى مورد نياز انتقال حرارت است باعث شده انـد پـژوهش هـا در ايـن زمينـه بسـيار گسترده تر گردد.
انواع هيت سينک:
هيت سينك ها براساس روش سرد كردن براساس كاربردهاى مختلف به انواع زير دسته بندى مي شوند:
هيت سينک پسيو :
هيت سينك هايي هستند كه فن در طراحي آنها وجود نـدارد و انتقـال حـرارت در ايـن هيـت سـينك هـا از طريـق جابجــايي طبيعــي انجــام مــي شــود و معمــولاً در مــدارهايي كــه قطعــات الكترونيكــي بــه صــورت مجــزا مي باشد، استفاده مي شود. از مزاياى اين نوع هيت سينك ها مي توان به قيمت مناسب راحتي استفاده و نياز نداشتن به منبع انرژى اشاره كـرد، ولي عيب بزرگ اين نوع هيت سينك ها ظرفيت گرمايي محدود مي باشد كه در جاهايي كـه نيـاز بـه قـدرت خنـك كنندگي بالا وجود دارد، نمي توان از اين نوع از هيت سينك استفاده كـرد. مثـال سـاده از ايـن نـوع هيـت سـينك، صفحه فلزى مي باشد.
هيت سينک نيمه اكتيو :
هيت سينك هايي هستند كه به دليل داشتن پره داراى ظرفيت گرمايي بالاتر نسبت به پسيو مي باشند ولي اين نـوعاز هيت سينك ها هم براى ظرفيت گرمايي محدودى طراحي مي شوند و جوابگوى ظرفيت هاى گرمـايي بـالا نيسـتند. اين نوع از هيت سينك ها هم نياز به دانرژى نداشته و ضريب اطمينان بالايي دارند مثال ساده از اين نوع هيت سينك هيت سينك پره دار مي باشد.
هيت سينک اكتيو:
هيت سينك هايي هستند كه انتقال حرارت در آن ها از طريق جابجايي اجبـارى انجـام مـي شـوداين نـوع از هيـتسينك ها به دليل ظرفيت گرمايي بالاتر انتقال حرارت بالايي را مي تواند انتقال دهد و قدرت خنك كننـدگي بـالايي دارد ولي عيب هاى اين نوع هيت سينك ها يكي پايين بودن ضريب اطمينان و ديگرى استفاده از انرژى ميباشد.
هيت سينک خنك كننده با مايع :
اين نوع از هيت سينك ها هيت سينك هايي هستند كه از مايع به جاى هوا به عنوان خنك كننده استفاده مي شـود و داراى ظرفيت گرمايي بالايي هستند و در ابركامپيوترها استفاده مي شود ولي به دليل پيچيدگي نصـب و قيمـت بـالا كمتر مورد استفاده قرار مي گيرند.
اين نوع از هيت سينک ها چون ماده خنك كننده در آنها مايع مي باشد و مـايع (مثـل آب )معمـولا داراى ظرفيـتگرمايي ويژه و رسانندگي گرمايي بالاتر مي باشد انتقال حرارت بهترى نسـبت بـه هـوا دارد و در مـواردى كـه اجـزاى الكترونيكي گرمايي بيش تر از هواى در گردش توليد كند ويا نياز به سرعت بيشـتر باشـد از ايـن نـوع هيـت سـينک استفاده مي كنيم .نمونه ساده از اين نوع هيت سينک با صفحه مايع مي باشد.
هيت سينك خنک كننده با تغيير فاز:
اين نوع هيت سينك داراى بازده گرمايي بسيار بالا مي باشد ولي به دليـل پيچيـدگي نصـب و قيمـت بـالا فقـط درمواردى كه نياز به سرد كنندگي بالايي مي باشد مثل ابركامپيوترها استفاده مي شـود. مثال سـاده از ايـن نـوع هيـت سینك با كمپرس بخار مي باشد. هيت سينك هاى پسيو نيمه اكتيو براساس مقدار جريان هوا داراى انواع مختلف به صورت زير مي باشند.
براى چسباندن هيت سينك ها هم مي توان از روش هاى مختلفي استفاده كردبراى اين كار بايـد از مـاده رابـط بـينسطح و هيت سينك استفاده كرد. دوتا از بهترين ماده هاى رابط گريس حرارتي و پد حرارتي هستند و گريس حرارتـي كارآيي بالاترى نسبت به پد حرارتي دارد و اين به اين خاطر است كه گريس شكاف هاى هوا را به طور كامل پـر مـي كند و يك سطح نازك بين صفحه و هيت سينك تشكيل مي دهد كه باعث كاهش مقاومت حرارتي مي شود. ازجملـه روش هاى متداول روش هاى زير مي باشد :
روش چسبي : اين روش نياز به برد اضافي ندارد و فضاى اضافي نياز ندارد عيب اين روش اين اسـت كـه فشـار را بـه صورت يكنواخت پخش نمي كند.
روش پيني : این روش برخلاف روش چسبي فشار يكنواخت ايجاد مي كند ولي چون نياز به دريل دارد امكان دارد بـه سيستم ضربه وارد نمايد.
روش چنگكي :اين روش نياز به برد اضافي دارد ولي اين روش هم مثل روش پيني فشار يكنواخت ايجاد مي كند.
پارامترهاى موثر بر عملكرد هيت سينک:
هيت سينك براى انتقال گرما از دستگاه به هواى محيط و كاهش دما ى دستگاه اسـتفاده مـي شـود افـزايش سـطح هيت سينك مقاومت حرارتي هيت سينك را كاهش مي دهد و باعث مي شـود انتقـال حـرارت بـين سـطح و هـواى محيط بهتر انجام شود.
مقاومت حرارتي بين هيت سيك و هواى محيط:
هيت سينك ها معمولاً براساس گرماى اتلافي ارزيابي مي شوند و ديتاهاى شـركت هـاى توليدكننـده هيـت سـينك معمولاً براساس مقاومت حرارتي و چالي جريان هاى هوا براى جابجايي طبيعي و دماى محيط و اتلاف گرمـايي بـراى جابجايي اجبارى رسم مي شوند.
مقدار سرعت جريان:
يكي از پارامترهاى موثر براى هيت سينك سرعت جريان مي باشد اگر هيت سينك فن دار باشد بايد از هيت سـينك هايي كه براى جريان اجبارى لازم است استفاده كنيم و هم چنين در مورد جنس و ساير پارامترهاى طراحي سـرعت جريان بسيار مهم مي باشد.
افت فشار:
معمولا در طراحي هيت سينك نقش افت فشار ناديده گرفته مي شود و هيت سينك را به عنوان يك سـطح خـارجي در نظر مي گيرند كه افت فشار ندارد و تاثير افت فشار در ضريب انتقال حرارت را در نظر نمي گيرند در حالي كه اگر بخواهيم طراحي واقعي تر داشته باشيم بايد افت فشار و ويسكوزيته و آنتروپـي توليـدى را در براسـاس قـوانين ترمـوديناميكي در نظر بگيريم.
مقدار جريان ورودى طبق نوع هندسه:
مقدار جريان ورودى از اهميت بالايي در طراحي هيت سينك برخوردار هست مسـلما زمـاني كـه مـا جريـان ورودى بيش ترى داشته باشيم نياز به طراحي هيت سينك كوچك تر هستيم و بالعكس.
مقدار گرماى اضافي:
هر چه گرماى اسرافي كم ترى داشته باشيم بالطبع نياز به هيت سيك با بازده كمتر و كوچك تر داريم.
حداكثر دماى هيت سينک:
يكي از پارامترهاى مهم در هيت سينك مي باشد كه بستگي زيادى به جنس هيت سينك دارد.
دماى متوسط سيال :
بسته به مكان طراحي شده هيت سينك متفاوت مي باشد ولي معمولا دماى اتاق در نظر مي گيرند.
مقدار فضاى هيت سينک:
هر چه فضاى بيش ترى وجود داشته باشد مي توان از هيت سينك بزرگ تر كه نياز به فن نـدارد اسـتفاده كـرد و در طراحي صرفه جويي نمود.
جاذبه:
در طراحي هيت سينك هايي كه جابجايي آزاد نقش موثرى دارد نقش نيروى جاذبه غير قابل چشـم پوشـي اسـت و سمت هيت سينك در انتقال حرارت موثر است.
قيمت:
پارامتر بسيار مهم در طراحي همه وسايل مي باشد چه بسا هيت سينك ايده الي كه با قيمت بالا طراحي شود كاربرد كم تر نسبت به هيت سينك داراى بازده متوسط كه قيمت مناسبي دارد كاربرد بيش ترى دارد.
جنس هيت سينک:
جنس هيت سينك يكي از پارامترهاى بسيار مهم در طراحي هيت سينك مي باشد. مهم ترين پارامتر در انتخاب هيت سينك ضريب هدايت حرارتي بالا مي باشد تا انتقال حرارت بالاترى داشته باشد دو تا از جنسهاى پر كاربرد مـس وآلومينيوم مي باشد. آلومينيوم گزينه بهترى نسبت به مس مي باشد چون داراى قيمـت كمتـر (حـدودا يـك چهـارم قيمـت) وزن كمتـر(حدودا يك سوم) ميباشد هر چند داراى ضريب هدايت بالاتر (حدودا دو برابر ) مي باشد ولي كاربرد كمترى دارد. نقطه ضعف ديگر مس سخت بودن سطح آن براى اصلاح براى تابش بيشتر مي باشد و آلومينيوم راحـت تـر اصـلاح مي شود.
هیت سینک های میکروکانال:
امروزه پیشرفت چشم گیری در تکنولوژی تولید قطعات و سیستم های الکترونیکی صورت گرفته است. با افزایش نیاز به اطلاعات زیاد در اندک زمان ممکن، سیستم های الکترونیکی با سرعت عملیات بالا مورد نیاز است که همین افزایش سرعت عملیاتی و حجم دادهها موجب تولید شار حرارتی زیادی می گردد و باید این حرارت تولیدی به سرعت از سیستم گرفته شود تا از این طریق سرعت پردازش داده ها بالا رود. پردازشگرهای معمولی به دلیل پردازش های سنگین و متعددی که انجام می دهند، گرمای زیادی را از خود متصاعد مینمایند و در حقیقت هر چه قدر یک پردازش گر قوی تر باشد، تولید گرما توسط آن بیشتر است که امری طبیعی می باشد. در واقع پردازنده ی کامپیوتر نیز مانند قطعات الکترونیکی دیگر هنگام انجام عملیات، تولید گرما می کند که این گرمای تولیدی را می توان به حرکت الکترونهای درون آن نسبت داد. در اثر حرکت این الکترونها و برخورد آنها با یکدیگر، اصطکاک تولید شده که باعث تولید گرما می شود. چنان چه این حرارت تولیدی به سرعت از پردازنده خارج نشود، سبب افزایش بیش از حد دمای پردازنده می شود که در این حالت، مشکلاتی از قبیل کاهش عمر پردازنده، هنگ کردن اتفاقی سیستم، ریست شدن ناگهانی سیستم و در بدترین حالت باعث سوختن پردازنده می شود. بنابراین، اگرچه همواره خنک کاری قطعات الکترونیکی یکی از چالش های صنایع کامپیوتر و الکترونیک بوده است، اما یکی ابزارهای مفید جهت این امر، استفاده از هیت سینک های میکروکانالی است که می تواند با قرار گیری روی پردازش گر و میکروتراشه های ابر رایانه ها، حرارت تولیدی را از این اجزا خارج کند.
هیت سینک ها یا در واقع چاه های حرارتی، نوعی شبکه فلزی می باشند که از فلزی با ضریب هدایت حرارتی بالا مانند نقره، مس یا آلومینیوم ساخته می شوند. این وسیله به طور دائم با پردازنده در تماس بوده و گرمای حاصل از عملکرد هستهی پردازشی را به طور مستقیم جذب می کند. تا زمانی که دمای هیت سینک از دمای پردازنده بالاتر نرود، گرما از پردازنده به هیت سینک انتقال می یابد و هنگامی که دما بین هیت سینک و پردازنده برابر شود، انتقال گرما متوقف شده و در این زمان فن با به جریان انداختن هوا شروع به خنک کردن هیت سینک می کند.
هیت سینک ها و فن ها، متداول ترین نوع خنک کننده های قطعات الکترونیکی می باشند. ولی علاوه بر آنها، خنک کننده های آبی نیز وجود دارند که بدون استفاده از فن نیز به راحتی گرما را انتقال می دهند. همان طور که مشخص است، آب هدایت گرمایی بیشتری از هوا داشته و می تواند گرما را سریع تر از هوا منتقل کند. علاوه بر این، به علت ظرفیت گرمایی ویژه بالاتری که دارد، می تواند قبل از این که شروع به گرم شدن کند، گرمای بیشتری را جذب نماید. در این نوع خنک کننده ها از فن استفاده نشده و در عوض از گردش یک مایع خنک کننده برای خنک کردن هیت سینک مورد نظر استفاده می شود. روش دیگر برای خنک کردن پردازش گر، تغییر فاز سیال عامل است. در این حالت، درون کیس یک کمپرسور وجود دارد که مانند یخچال عمل می کند. به این ترتیب که کمپرسور، گازی که خنک شده است را فشرده کرده و به مایع تبدیل می کند، سپس مایع پمپ شده و به سمت پردازشگر جریان می یابد. در نتیجه، مایع با جذب گرمای ناشی از عملکرد پردازش گر تبخیر شده و با حرکت به سمت کمپرسور، این سیکل مجدد تکرار می شود.
امروزه در ساخت هیت سینک ها در ابعاد کوچک، از میکروکانال ها استفاده می شود.
میکروکانال ها، مبدل های حرارتی بسیار کوچک و کارآمدی هستند که با سطح مقاطع متفاوت و از جنس های گوناگون با زبری های مختلف تولید می شوند. این ابزارها، وسایل بسیار کارآمدی در مقاصد مختلف به خصوص انتقال حرارت می باشند که به دلیل حجم سیال کم مورد استفاده در آنها و هم چنین وزن و ابعاد کوچک، مورد توجه محققان بسیاری قرار گرفته اند. در واقع، مزیت کوچک نمودن ابعاد، دست یابی به کیفیت بهتر در ضمن صرفه جویی در انرژی و منابع می باشد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی تحلیل حرارتی پایا در هیت سینک آلومینیومی (heat sink) در نرم افزار انسیس انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه هیت سینک آلومینیومی در نرم افزار ANSYS Design Modeler ترسیم شده است.
مش بندی:
شبکه بندی و مش در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
نمونه نتایج:
