مباحث انتقال حرارت در خنک سازی

[ravegoat]

برای درک بهتر پدیده های انتقال حرارت می خواهیم یه تشابهی بین مدار الکتریکی و انتقال حرارت پیدا کنیم. می دونیم اگر دو سر یک جسم اختلاف پتانسیل الکتریکی برقرار کنیم با توجه به مقاومت الکتریکی اون جسم، جریان الکتریکی درون اون برقرار میشه. طبق قانون اهم هرچه این اختلاف ولتاژ بیش تر و هرچه این مقاومت الکتریکی کم تر باشه، جریان بیش تری از جسم عبور می کنه. در انتقال حرارت هم دقیقا" با همچین حالتی رو به رو هستیم. اگر یه اختلاف دما بین دو سر جسم برقرار کنیم با توجه به مقاومت حرارتی جسم، جریان گرمایی ازش عبور می کنه. درنتیجه اختلاف ولتاژ معادل اختلاف دما، مقاومت الکتریکی معادل مقاومت حرارتی و جریان الکتریکی معادل انرژی حرارتی است. جالب اینجاست که همون طور که شما می تونید برای یک بورد الکترونیکی یه مدار الکتریکی بسازید، برای یه پدیده ی انتقال حرارت هم میشه یه مدار حرارتی ساخت که همون قوانین KVL و KCL براش صدق می کنه. وقتی ما می تونیم مقاومت های الکتریکی رو سری یا موازی کنیم و مقاومت های جدیدی به دست بیاریم، می تونیم مقاومت های حرارتی رو هم با همون قوانین سری و موازی کنیم و مقاومت معادل حرارتی رو به دست بیاریم.

Resistor.png
سوال اینجاست که برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی میشه از یه اهم متر استفاده کرد ولی برای انداز گیری مقاومت حرارتی باید چی کار کرد؟
پاسخ این سوال رو باید در معادلات انتقال حرارت رسانش و جا به جایی که قبلا" معرفی شد جست و جو کرد. اگر شکل این معادلات رو مطابق قانون اهم باز نویسی کنیم می تونیم مقاومت حرارتی رو از توش بیرون بکشیم.

Rth.png
می بینیم مقاومت حرارتی در حالت رسانش با ضخامت جسم نسبت مستقیم و با رسانندگی و مساحت اون نسبت عکس داره. از راه تجربه هم می دونیم که هرچی جسم کلفت تر باشه گرما به سختی ازش عبور می کنه. یا هر چی جسم رسانا تر باشه (مثل مس) کم تر در برابر عبور گرما مقاومت می کنه. مقاومت حرارت جا به جایی هم با ضریب کنوکسیون (h) و سطح (A) رابطه ی عکس داره. حالا بیاییم یه مثال واقعی از کاربرد این معادلات رو با هم ببینیم.

یک CPU که روش هیت سینک و فن نصب شده رو در نظر بگیرید. مدار حرارتی این سیستم به شکل زیر هستش:

Model.png
وقتی ما هیت سینک رو روی سطح CPU می ذاریم چون هر دو سطح کمی زبری دارن مولکوی های هوا بین شون گیر می کنن. پس اگه گرمای CPU بخواد به هیت سینک منتقل بشه باید توسط مولکول های هوا این کار صورت بگیره. مولکول های هوا نمی تونن این گرما رو با جا به جایی منتقل کنن چون اگه یادتون باشه جا به جایی زمانی ممکنه که مولکول ها بتونن حرکت کنن در حالی که در اینجا مولکول های هوا بین ناهمواری دو سطح گرفتار شدن. میریم سراغ تشعشع ولی چون دما خیلی بالا نیست این مکانیزم هم گرمای زیادی رو نمی تونه منتقل کنه. راه آخر رسانش هست ولی متاسفانه هوا اصلا" رسانندگی گرمایی خوبی نداره چون در رسانش باید اتم ها نزدیک هم باشن در حالی که اتم های هوا خیلی با هم فاصله دارن. از این صحبت ها به این نتیجه میرسیم که همواره بین محل تماس دو سطح یک مقاومت خفن به وجود میاد که به مقاومت تماسی معروفه و می تونه خیلی راحت جلوی انتقال حرارت ما رو بگیره. این همون روشی هست که در لباس های پشمی هم دیده میشه. لباس پشمی مولکول های هوا رو داخل الیاف خودش به دام میندازه و باعث به وجود اومدن یه عایق حرارتی بین بدن ما و هوای بیرون میشه درنتیجه ما به دلیل انتقال حرارت ناچیز با هوا احساس سرمای کم تری می کنیم.
برای کاهش مقاومت تماسی از خمیر سیلیکون استفاده میشه. این خمیر به جای مولکول های هوا بین ناهمواری های سطح پردازنده و هیت سینک قرار می گیره و چون رسانندگی خوبی داره، گرما رو به راحتی بین این دو قطعه منتقل می کنه.
مقاومت حرارتی هیت سینک معمولا" مقدار بالایی نیست چون هیت سینک رو اولا" نازک و ثانیا" از مواد رسانای گرما نظیر مس یا آلومینیوم می سازن که هر دو عامل سبب کاهش مقاومت حرارتی رسانشی میشه.
هیت سینک باید از طریق جا به جایی گرمایی رو که از CPU جذب کرده به هوا منتقل کنه. برای کاهش مقاومت حرارتی جا به جایی بین هیت سینک و هوا (مقاومت فن)، هیت سینک رو به شکل پره دار می سازن. درنتیجه سطح (A) افزایش پیدا می کنه. از طرفی هرچی فن با سرعت بالاتری بچرخه مقدار ضریب انتقال حرارت (h) هم زیاد تر میشه.
در آخر بحث می خواهیم با همین مدل اثر گرد و خاک رو روی خنک سازی بررسی کنیم. اگر لایه ای خاک روی هیت سینک بشینه یک مقاومت حرارتی رسانشی بین هوا و هیت سینک قرار می گیره. چون این مقاومت با سایر مقاومت ها سری است، مقاومت معادل رو افزایش میده. شاید با خودتون بگید لایه ی خاک که ضخامتی (L) نداره تا بخواد مقاومت رسانشی (L/kA) بالایی رو ایجاد کنه ولی مقدار k خاک حدود 0.2 وات بر متر.درجه ی سانتی گراده که خیلی پایینه (مقایسه کنید با مس که حدود 400 هستش) و اثر کم بودن ضخامت رو جبران می کنه و در نهایت مقدار گرمایی رو که از پردازنده دفع میشه رو کاهش میده.

احتمالا" الآن کمی علمی تر تونستیم اثر عوامل مختلف رو روی خنک سازی درک کنیم. در ادامه به قانون بقای انرژی از دید انتقال حرارت نگاه می کنیم و خواهیم دید چه جوری این قانون ساده به ما در نحوه ی انتخاب فن ها در تهویه ی کیس کمک می کنه. سوالی باشه در خدمتم برای مشاهده این لینک/عکس می بایست عضو شوید ! برای عضویت اینجا کلیک کنید .