تعیین بهترین معماری شبکه فین ها به روش تئوری ساختاری در خنک کاری قطعات الکترونیکی به کمک مواد با تغییرفاز

STUDENT

DEGREE

YEAR

The aim of the present study is to evaluate the thermal characteristics of a PCM-based heat sink with high conductive materials. The solution is acquired as a procession of optimization stages which starts with the elemental area and proceeds toward the more complex assembly. Every optimization stage is the result of maximizing the safe operation time without allowing the electronics to reach the critical temperature. For a rectangular enclosure with a constant area, it is better to use wider enclosure than the square and thin one. The first design results indicate that enclosures number and the aspect ratio would have a determining effect. For a small number of enclosures convection would have a stronger effect. In this case, it is recommended to apply enclosures with large AR values. On the other end of the scale, a large number of enclosures would amplify the contact surface parameter, and it would be better to use small AR values to increase the contact surface, and consequently, enhance the performance.The second design results show that when there are a low numbers of horizontal fins (longer lengths), it is possible that the connection between the enclosures is blocked and heat would be concentrated in lower levels and increasing the temperature of the base fin and the maximum time would decrease due to the low thermal coefficient of PCM. On the other hand, increasing the fins number would reduce their length, leading to a further non-uniform temperature distribution within the enclosure and decreased maximum time. Hence, there is an optimum value for the fins number (n=4).For lower AR values where conduction might be quite dominant, adding geometrical complexities in the heat sink would increase 13% the performance of the enclosure. For higher AR values where convection plays the dominant role, adding geometrical complexities deteriorates the performance of the enclosure since complexity lowers the convection within the enclosure; therefore, the results of the elementary order would be better than those of first and second constructs. The results indicate that in each length of the enclosure (W), an optimum volume fraction exists in which the heat sink performance become maximum and adding more fins lowers the performance of the heat sink. The maximum time in multi-scale optimized heat sink is 17% more than no-fin heat sink.The value of is not sensitive to the enclosure’s height and is only a function of enclosure’s length (W). In case of multiplying the enclosure’s length by , the value of would not experience any change. The obtained results also indicate that for each enclosure’s length of W, an optimum distance of fins exists the value of which does not depend upon the enclosure’s height. Increasing the enclosure’s length by 2^n does not change the value of .Keywords: Constructal, PCM, Enclosure, Aspect Ratio, Cooling, Optimization, Fin, Multi-s

: تقریبا تمام ها ضریب هدایت پایینی دارند. استفاده از فین های فلزی با ضریب هدایت بالا تکنیکی عالی برای افزایش ضریب هدایت هاست.مطابق با تئوری ساختاری با کاهش مقاومت گرمایی کلی عملکرد سیستم بهینه خواهد شد. با توالی مراحلی که در آن پیچیدگی چینش مواد با ضریب هدایت بالا افزایش می یابد می توان مقاومت گرمایی کلی سیستم را کاهش داد. به عبارت دیگر با تغییر معماری شبکه فین ها در می توان انتقال حرارت درون را به گونه ای بهبود بخشید که تابع هدف ماکزیمم شود. در کاربردهای خنک کاری قطعات الکترونیکی، تابع هدف کاهش دمای قطعات به گونه ای که از دمای حداکثر طراحی قطعه به اندازه کافی دور بماند یا به عبارت دیگر ماکزیمم سازی زمانی است که طول می کشد تا دمای ماکزیمم قطعه به حالت بحرانی برسد، تعریف می شود. در این مطالعه طراحی ساختاری محفظه های فین دار حاوی PCM جهت جذب حرارت و خنک کاری قطعات، بصورت تحلیلی و عددی با استفاده از تئوری ساختاری انجام گرفت. در حالت کلی پدیده ذوبدرون چاه گرمایی متاثر از دو عامل جابجایی فاز مایع درون حوضچه و سطح تماس بین و فین می باشد. نتایج بهینه سازی مرحله ابتدایی از تئوری ساختاری نشان می دهد هندسه های نزدیک به حالت مربع نسبت به هندسه عریض و باریک سطح تماس کمتری داشته و لذا عملکرد ضعیفتری دارند. به لطف حضور جابجایی آزاد در هندسه های عریض عملکرد بهتری در این نوع از هندسه ها نسبت به هندسه باریک وجود دارد. نتایج مرحله اولیه از تئوری ساختاری نشان می دهد تعداد حوضچه ها و نسبت منظر به هم مربوط هستند. در حالتی که تعداد حوضچه ها کم است جابجایی پارامتر با اهمیت تری بوده و لذا بهتر است از نسبت های منظر بالا برای افزایش تابع هدف استفاده شود. در مقابل وقتی تعداد حوضچه ها زیاد باشد جابجایی نسبت به سطح تماس اثر کمتری دارد. در این حالت بهتر است از نسبت های منظر پایین برای افزایش تابع هدف استفاده شود. نتایج مرحله دوم بهینه سازی به کمک تئوری ساختاری نشان می دهد هنگامی که تعداد فین های افقی کم است امکان مسدودشدن ارتباط بین حوضچه ها وجود داشته و به همین دلیل گرما در سطوح پایینی متمرکز شده و عملکرد گرمایی حوضچه کاهش می یابد. از طرفی با افزایش تعداد فین ها، نایکنواختی توزیع دما درون حوضچه افزایش و بالطبع زمان ماکزیمم و عملکرد کاهش می یابد. نتایج نشان می دهد هنگامی که 4 فین افقی وجود دارد تابع هدف ماکزیمم است. مقایسه بین سه مرحله بهینه سازی حاکی از آن است که در مقادیر کم نسبت منظر، سطح تماس نقش اصلی را بر عهده داشته و لذا اضافه کردن پیچیدگی در چاه گرمایی، 13% عملکرد حوضچه را افزایش می دهد. در مقابل در مقادیر بزرگ نسبت منظر، جابجایی نقش اصلی را بر عهده داشته و لذا اضافه کردن پیچیدگی باعث کاهش جابجایی درون محفظه شده و بنابراین عملکرد چاه گرمایی در مرحله ابتدایی از مرحله اول و دوم بهتر خواهد بود. نتایج بهینه سازی چندمقیاسی نشان می دهد در هر طول حوضچه چاه گرمایی، مقدار بهینه ای برای کسر حجمی وجود دارد که در آن عملکرد چاه گرمایی ماکزیمم شده و اضافه کردن بیشتر فین باعث کاهش عملکرد چاه گرمایی می شود. زمان ماکزیمم در چاه گرمایی بهینه شده توسط روش چندمقیاسی 17% بیشتر از زمان ماکزیمم چاه گرمایی بدون فین است. همچنین نتایج نشان می دهد برای هر طول حوضچه مقدار بهینه ای برای فاصله بین فین ها وجود دارد که مقدار آن به ارتفاع حوضچه حساس نیست. فاصله بهینه بین فین ها تابعی از ضخامت فین درون حوضچه بوده به طوری که با افزایش ضخامت، فاصله بهینه افزایش می یابد. با افزایش ضخامت تعداد مراحل بهینه قراردادن فین درون حوضچه دستخوش تغییر (معمولا کاهش) می شود. هرچقدر ضخامت فین کاهش یابد اثربخشی قراردادن فین های قائم درون حوضچه بیشتر می شود. اگر مقدار طول چاه گرمایی ضریبی از n 2 برابر شود مقدار بهینه کسر حجمی و فاصله بهینه بین فین ها تغییری نخواهد کرد. کلمات کلیدی: تئوری ساختاری، محفظه، نسبت منظر، خنک کاری، بهینه سازی، فین ، چندمقیاسی