Pengantar Perpindahan panas dalam paket elektronik adalah masalah yang kompleks yang melibatkan j aringan jalur resistif untuk laminasi berbagai struktur, perekat ikatan, frame memimpin, dan mekanisme lampiran, seperti kotak array bola. Namun, meskipun banyak bahan dan interface dalam sebuah paket elektronik, resistansi termal terbesar, dan akibatnya perlawanan mengontrol di jalur antara sumber dan wastafel, umumnya lapisan batas atau perlawanan film di antarmuka padat / cairan. Mengingat hubungan terbalik antara perlawanan film dan produk dari koefisien perpindahan panas dan luas permukaan, baik peningkatan koefisien perpindahan panas atau hasil luas permukaan perpindahan panas dalam meningkat dan suhu operasi lebih rendah. Dalam aplikasi konveksi alami metode terbaik untuk mengurangi resistensi film dicapai dengan meningkatkan luas permukaan efektif untuk transfer panas konvektif dengan menggunakan heat sink dan permukaan diperpanjang. Heat sink menawarkan biaya rendah, metode nyaman untuk menurunkan resistensi film dan, pada gilirannya, menjaga suhu persimpangan beroperasi pada tingkat yang aman untuk jangka panjang, operasi yang handal. Sayangnya, pemilihan heat sink yang paling tepat untuk aplikasi tertentu bisa sangat sulit, mengingat pilihan desain yang tersedia. Model analisis termal, mulai dari yang sederhana yang diturunkan secara empiris korelasi untuk kuat kode simulasi numerik, dapat digunakan untuk menganalisis kinerja termal heat sink untuk satu set kondisi desain, bagaimanapun, model analitis, berdasarkan formulasi dasar untuk konservasi massa , momentum dan energi, memberikan keuntungan yang berbeda atas model yang lain. Keuntungan dari pemodelan analitis meliputi kecepatan, ketepatan, kemudahan penggunaan dan kesederhanaan coding, terutama untuk perangkat lunak berbasis web.
Gambar 1. Plat sirip dan sirip radial sink panas. latar belakang Pelat sirip heat sink dipertimbangkan dalam analisis ini terdiri dari merata spasi, sirip vertikal dalam kontak termal sempurna dengan baseplate ketebalan seragam di mana kondisi isotermal batas secara merata diaplikasikan di atas permukaan per mukaan belakang baseplate. Sink sirip radial panas yang diasumsikan terdiri dari sirip silinder atau persegi merata spasi dalam kontak termal yang sempurna dengan silinder,
dukungan isotermal konsentris melingkar. Jumlah Biot, diberikan sebagai Bi = h • t / k, dapat digunakan untuk menilai validitas asumsi isotermal di baseplate atau silinder dukungan dari heat sink. Sebuah
Q = HA (Ts-Ta)
Nomenclature
A
surface area, (m )
Bi
Biot number, = ht/k
b
spacing between adjacent fins, (m)
d
diameter of support cylinder, (m)
D
fin outer diameter, (m)
g
gravitational acceleration, (m/s )
h
convective heat transfer coefficient, (W/m K)
H
height of heat sink, (m)
k
thermal conductivity, (W/mK)
L
length of heat sink, (m)
N f
total number of fins
Nub
Nusselt number, = hb/k
n
combination parameter
Q
heat flow rate, (W) *
Ra
b
modified Rayleigh or Elenbaas number, 4 = gß Tb /v L or = gß Tb4/v D
S*
dimensionless conduction shape factor
T a
temperature of ambient air, (K)
T s
surface temperature of heat sink, (K)
T
temperature difference,
Ts – Ta, (K)
t
fin thickness, (m)
t bp
baseplate thickness, (m)
W
width of heat sink , = tN f + b (N f – 1), (m)
Greek Symbols
thermal diffusivity, (m /s) ß
thermal expansion coefficient, (1/K)
v
kinematic viscosity, (m /s)
Subscripts
bl
boundary layer
fd
fully developed
IN
inner surface
OUT
outer surface
HS
heat sink
Para koefisien perpindahan panas konvektif rata di atas permukaan terbasahi dari heat sink, h, harus dihitung sebagai fungsi dari geometri dan kondisi batas. Kinerja termal dari heat sink adalah dihitung berdasarkan tingkat perpindahan panas berdimensi, terkait dengan koefisien perpindahan panas dengan: Inti = hb / k
(2)
dimana jarak antara sirip yang berdekatan, b, adalah panjang karakteristik. Jumlah Nusselt dihitung sebagai fungsi dari jumlah Rayleigh Elenbaas, parameter berdimensi-apung didorong aliran didefinisikan sebagai:
Laju aliran panas total dari heat sink adalah dihitung berdasarkan kontribusi dari aliran difusi, aliran saluran dan batas lapisan luar menggunakan ekspresi umum:
* mana S adalah faktor bentuk berdimensi, Nu2, adalah lapisan batas kontribusi untuk internal, permukaan vertikal, Nu3, adalah transfer panas yang berhubungan dengan aliran sepenuhnya dikembangkan, Nu4 adalah transfer panas dari permukaan saluran kontrol, dan Nu1 adalah panas transfer dari semua, permukaan eksternal terbatas. Hasil akhir yang disajikan pada dimensi baik untuk laju aliran panas total, Q, atau suhu baseplate isotermal, Ts, serta dalam hal berdimensi untuk inti vs. Ra *. model Panas Fin Sinks Lempeng Sebuah pelat sirip heat sink yang sederhana, seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, memiliki enam parameter geometrik independen yang dapat bervariasi dalam setiap desain, ketebalan sirip, tinggi, panjang, dan jarak serta ketebalan dan lebar baseplate. Selain desain tantangan yang berkaitan dengan menentukan geometri heat sink yang paling tepat, dinamika aliran yang dihasilkan dari aliran daya apung induksi dapat bervariasi secara signifikan tergantung pada daerah berbagai permukaan heat sink dan rentang operasi dari jumlah Rayleigh. fig21
Karya-karya Elenbaas [, 1 2] metode diperiksa pertama menggabungkan batas konveksi lapisan solusi alami dengan solusi sepenuhnya dikembangkan untuk pelat vertikal (Elenbaas, [1]) dan saluran berbagai penampang (Elenbaas, [2]). Metode yang diusulkan oleh Elenbaas untuk konveksi alami antara pelat datar paralel, menggabungkan jumlah Nusselt sepenuhnya dikembangkan (Bil C1 Ra) dengan larutan lapisan batas lempeng datar (Nu C2 Ra 1 / 4) dalam bentuk yang memungkinkan seseorang untuk dengan mudah memindahkan antara dua batas:
Churchill [3] mencapai hasil yang serupa dengan menggunakan prosedur pencampuran berdasarkan Churchill dan Usagi [4], di mana sepenuhnya dikembangkan dan solusi lapisan batas untuk jumlah Nusselt digabungkan sebagai: equation_7
dimana n adalah parameter kombinasi, biasanya dalam kisaran 1,5-2,0, seperti n = 1,5 (Churchill, 1977), n = 2 (Bar-Cohen dan Rohsenow, [5]), n = 1,9 (Raithby dan Hollands, [6]). Meskipun model ini menyediakan mekanisme untuk menentukan laju perpindahan panas untuk kondisi geometris tertentu seperti cuboids dalam ruang bebas atau konveksi alami antara plat paralel isotermal, dengan sendirinya model ini tidak memberikan solusi untuk sistem umum yang terdiri dari isotermal internal dan eksternal permukaan didinginkan oleh konveksi alami. Karagiozis [7] disajikan suatu prosedur untuk menghitung perpindahan panas dari permukaan bersirip persegi panjang dan segitiga di mana ia mengakui pentingnya menggabungkan solusi membatasi selama tiga rentang yang berbeda dari nomor Rayleigh. Persamaan komposit yang dihasilkan untuk nomor Nusselt didasarkan pada geometri heat sink, sifat fluida dan empat parameter yang tepat untuk lancar mengintegrasikan solusi membatasi dan ke piring mengatasi melekat "kelainan" dalam prosedur solusi. Model Panas sirip tenggelam dikembangkan oleh penulis dan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, menggabungkan model plat paralel Elenbaas [, 1 2] dengan model konveksi eksternal alami Yovanovich [, 8 9] untuk menyediakan model, sederhana akurat yang memprediksi kinerja pendingin melalui berbagai nomor Rayleigh tidak menggunakan pas disesuaikan parameter.
Konveksi alami dari Sinks Panas Fin Radial Sebuah sirip radial panas tenggelam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, terdiri dari sebuah silinder sirkular umum yang transfer panas ke serangkaian silinder melingkar merata spasi. Keuntungan dari gaya ini heat sink mencakup, kemampuan untuk memaksimalkan luas permukaan dalam volume keseluruhan yang relatif kecil, meminimalkan resistensi penyempitan dari sumber ke permukaan sirip mengingat sifat melingkar dari h eat sink, dan pengurangan ketergantungan pada keselarasan panas tenggelam diberikan geometri omni-directional dari heat sink. fig41
Batas konvektif terbentuk antara heat sink sirip radial dan cairan terdiri dari empat jenis yang be rbeda dari permukaan komponen, yaitu permukaan sirip lateral, dukungan permukaan silinder, pelek sirip
permukaan dan permukaan akhir. Kombinasi dari semua permukaan sirip permukaan lateral dan dukungan silinder yang disebut sebagai permukaan bagian dalam, sedangkan permukaan sirip tepi dan permukaan akhir yang dianggap sebagai permukaan luar. Meskipun jelas ada perbedaan dalam geometri antara heat sink sirip radial dan sink sirip persegi panjang panas, prosedur pemodelan untuk menentukan tingkat keseluruhan perpindahan panas yang sangat mirip. Perbedaan paling jelas antara kedua prosedur solusinya adalah pengaruh dari silinder dukungan pusat pada perpindahan panas dalam saluran yang dibentuk oleh bagian sirip silinder yang berdekatan. Efek ini relatif kecil dan dicatat dalam prosedur pemodelan dengan memperke nalkan faktor yang mengkompensasi hukuman dalam kinerja termal di daerah hilir silinder dukungan. Menggunakan prinsip-prinsip umum yang sama dijelaskan dalam model plat fin heat sink dan dijelaskan secara lebih rinci dalam Wang [10] e t al dan Wang. [11], jumlah Nusselt ke seluruhan untuk heat sink sirip radial dapat diperoleh dengan menggabungkan komponen solusi tiga, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5: transfer panas dari permukaan bagian dalam, lapisan tipis batas perpindahan panas dari permukaan luar dan batas difusif. fig51
web Tools Sementara model yang digambarkan dalam bagian sebelumnya relatif mudah untuk mengimplementasikan dalam spreadsheet atau lingkungan program yang dikompilasi, kecepatan komputasi dan persyaratan memori minimal terkait dengan model analitis membuat mereka cocok untuk real, waktu berbasis web alat simulasi. Model pendingin ini adalah d iprogram dengan menggunakan kombinasi Javascript untuk I / O persyaratan dan skrip CGI untuk mesin simulasi. Itu, alat interaktif real time solusi yang dijelaskan di sini, ditambah seperangkat alat pelengkap diperpanjang tersedia di Heat Transfer situs web Laboratorium Mikroelektronika,
http://www.mhtl.uwaterlooo.ca. dan / atau situs web Answers Ideal, http://www.idealanswers.com/. Angka 6 dan contoh menunjukkan 7 dari antarmuka pengguna grafis untuk sirip piring dan sirip heat sink kalkulator radial, masing-masing.
Gambar 6: berbasis Web pelat sirip pendingin alat perhitungan.
Gambar 7: berbasis Web sirip heat sink radial alat perhitungan. Model yang mudah digunakan dan menyediakan prosedur untuk menentukan suhu nyaman sirip dan tingkat panas aliran untuk berbagai geometri dan kondisi batas. Selain I / O layar dasar yang ditunjukkan pada Gambar. 6 dan 7, halaman rincian disediakan bahwa daftar masalah informasi yang spesifik termasuk suhu dikoreksi sifat fluida, ringkasan dari geometri sistem, data k inerja baik dalam bentuk dimensi dan berdimensi, efisiensi sirip, dan resistansi termal keseluruhan dari heat sink. Ringkasan Model analisis yang disajikan untuk menentukan kinerja termal sirip pelat dan sirip radial sink panas didinginkan oleh aliran daya apung didorong. Berbasis web, alat simulasi real time yang tersedia yang memungkinkan akses ke berbagai alat simulasi, termasuk model untuk memprediksi spesifikasi kinerja termal sirip pelat dan sirip radial sink panas. Model ini memberikan prosedur yang nyaman dan akurat untuk ukuran sink panas dan melakukan penilaian parametrik perubahan desain pada kinerja termal. J. Richard Culham
P. Teertstra M. M. Yovanovich Mikroelektronik Laboratorium Heat Transfer Departemen Teknik Mesin University of Waterloo Waterloo, ON, Kanada N2L 3G1 Tel: (519) 888-4586 Faks: (519) 746-9141 Email:
[email protected] [email protected] [email protected] WWW: http://www.mhtl.uwaterloo.ca Referensi 1. Elenbaas W., 1942, "Pembuangan Panas Pelat Paralel oleh Konveksi Bebas," Physica, Vol. IX, No 1, hal 1 - 28. 2. Elenbaas W., 1942, "The Disipasi Panas oleh konveksi Gratis - Permukaan batin Tabung vertikal Bentuk yang berbeda Cross-Bagian," Physica, Vol. IX, 1942, hlm 865-874. 3. S.W. Churchill, 1977, "Sebuah Persamaan Korelasi Komprehensif Daya Apung-induced Arus di Saluran," Surat dalam Transfer Panas dan Massa, Vol. 4, hlm 193-199. 4. S.W. Churchill dan R. Usagi, 1972, "Sebuah Ekspresi Umum untuk Korelasi Harga Transfer dan Fenomena lain," AIChE Journal, Vol. 18, hal 1121-1128 5. A. Bar-Cohen, dan WM Rohsenow, 1984, "Spasi Vertikal termal optimum, Kon veksi Alam Berpendingin, Pelat paralel," ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 106, hlm 116-123. 6. GD Raithby dan KGT Hollands, 1975, "Sebuah Metode Umum Mendapatkan Solusi Perkiraan untuk Laminar dan bergejolak Masalah Konveksi Bebas," Kemajuan dalam Heat Transfer, Vol. 11, Academic Press, New York, hlm 264-315. 7. A.N. Karagiozis, 1991, "Sebuah Investigasi Transfer Laminar Konveksi Panas Gratis Dari Permukaan bersirip isotermal," Ph.D. Tesis, Departemen Teknik Mesin, Universitas Waterloo, Waterloo, Kanada. 8. M.M. Yovanovich, 1999, "konveksi Alam Dari Badan Convex isotermal: Model sederhana untuk Bounds pada Tubuh-Gravitasi Fungsi," NM AIAA Nasional Heat Transfer Konferensi, 1517 Agustus, Albuquerque,. 9. M.M. Yovanovich dan K. Jafarpur, 1993, "Bounds di Konveksi Laminar dari Disk isotermal dan Pelat Hingga Bentuk Sewenang-wenang untuk semua Orientasi dan Nomor Prandtl," Dasardasar Konveksi Alam, ASME HTD Vol. 264, hal 93-110. 10. C.-S. Wang, 1997, "Laminar konveksi Heat Transfer alam dari Silinder Horizontal isotermal dengan Sirip annular," Ph.D. Tesis, Departemen Teknik Mesin, Universitas Waterloo, Waterloo, Kanada. 11. C.-S. Wang, M.M. Yovanovich dan JR Culham, 1999, "Model Jenderal Konveksi Alam: Aplikasi untuk annular-Fin Sinks Panas," ASME Journal of Kem asan Elektronik, Vol. 121, No 1, hlm 44-49.
