جلسه دفاع رساله دکتری (خانم سیده زهرا سجادی)
موضوع: طراحی و بهینه سازی یک سیستم جدید خودخنک کن غیرفعال
ارائه دهنده: سیده زهرا سجادی
استادان راهنما: دکتر محمدرضا سلیم پور
استادان مشاور: دکتر محمدرضا توکلی
استادان داور: دکتر محسن دوازده امامی، دکتر علی اکبر عالم رجبی، دکتر حسین شکوهمند
چیکده:
در قطعات الکترونیکی معمولاً شار حرارتی بالایی تولید می شود و عمر این قطعات به درجه حرارت کارکردشان وابستگی شدیدی دارد، در نتیجه دفع حرارت در این قطعات از اهمیت بالایی برخوردار است و سیستم های متنوعی برای خنک کاری آنها طراحی و ساخته شده اند. در این پژوهش قطعه ای مستطیلی شکل در نظر گرفته شده که در آن حرارت تولید می شود و کانال هایی موازی برای خنک سازی قطعه درون آن تعبیه شده است. تعداد این کانالها از درجات آزادی سیستم بوده که با بهینه سازی، تعداد آنها مشخص شده است. کانال ها به دو دسته فعال و غیر فعال تقسیم شده است. در یک سری از این کانال ها (کانال های فعال) سیال خنک کن جریان دارد درحالیکه در تعدادی دیگر (کانال های غیرفعال) سیال ساکن وجود دارد. تقسیم بندی کانال ها به دو دسته فعال و غیرفعال سبب شده که با توجه به حجم ثابت دبی سیال ورودی، دبی سیال در کانال های فعال افزایش یافته و ضمن خنک کاری قطعه، درجه حرارت کلی قطعه کاهش یابد. کانال های فعال و غیرفعال توسط میکروترموستات های گرمایی به یکدیگر متصل بوده و با بالارفتن شار حرارتی در قسمتی از قطعه، کانال های غیرفعال در همان قسمت از قطعه به کانال های فعال تبدیل شده و خنک سازی در قسمت های با شار حرارتی بالا افزایش یافته و درجه حرارت قطعه کاهش می یابد. طراحی یک سیستم خودخنک کن غیرفعال به این صورت، یک کار جدید می باشد که تاکنون انجام نشده است. برای این کار، حل تحلیلی جریان و انتقال حرارت با استفاده از نرم افزار حل معادلات مهندسی و تحلیل عددی جریان سیال و بررسی میزان انتقال حرارت قطعه با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام شده است. آب به عنوان سیال خنک کن با خواص ثابت فرض شده است. جریان سیال دائم و ابتدا آرام و سپس آشفته در نظر گرفته شده و نتایج مربوط به هر دو حالت آشفته و آرام با در نظرگرفتن و یا صرف نظر از افت فشار موضعی در حالت تحلیلی، محاسبه و با یکدیگر مقایسه شده است. برای شبیه سازی جریان مغشوش، مدل k-ε در نظر گرفته شده است. در حل عددی، جریان آرام با فرض شرط ورودی فشار ثابت و جریان مغشوش با فرض جریان ورودی کاملاً توسعه یافته هیدرودینامیکی حل شده است. پس از حل عددی، هندسه بهینه کانال های فعال و غیرفعال مشخص شده و سپس قطعه ای مطابق با این هندسه بهینه ساخته شده و جریان درون آن مطالعه و بررسی شده است. در حل تحلیلی و در حالت جریان آرام، بیشترین کاهش دمای ماکزیمم سطح با استفاده از سیستم خودخنک کننده جدید 22/80 درجه سانتیگراد و مربوط به حالت جریان آرام کاملاً توسعه یافته و در حالت جریان آشفته، بیشترین میزان خنک کنندگی دمای سطح 8/11 درجه سانتیگراد است. اما استفاده از سیستم خودخنککننده جدید در حالت حل عددی در جریان آرام، دمای سطح را تا 26 درجه سانتیگراد و در جریان آشفته تا 56 درجه سانتیگراد کاهش می دهد. در حل تجربی جریان درون قطعه، بیشترین کاهش دمای ماکزیمم قطعه 20/5 درجه سانتیگراد می باشد. نتایج بدست آمده از حل تجربی جریان درون قطعه، تطابق خوبی را با نتایج حل عددی جریان درون قطعه نشان می دهند. محل ترموستات ها و موقعیت آنها نسبت به محل اعمال شار حرارتی ماکزیمم در میزان خنک کاری قطعه مؤثر است و در صورتی که بازشدگی ترموستات ها قبل از محل اعمال شار حرارتی ماکزیمم باشد، ماکزیمم دمای جسم به خوبی کاهش می یابد. همچنین هر چه ضریب هدایت حرارتی جسم کمتر باشد، با استفاده از سیستم خنک کاری غیرفعال جدید کاهش بیشتری در دمای ماکزیمم قطعه مشاهده می شود.