Pengantar

Perpindahan panas dalam paket elektronik adalah masalah yang kompleks yang melibatkan jaringan

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 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 <Bi 0,1 umumnya digunakan sebagai ukuran

satu dimensi aliran panas dan, pada gilirannya, tidak adanya gradien temperatur dalam baseplate. Khas

sifat panas tenggelam menyebabkan Biot nomor kurang dari 0,1, sehingga memvalidasi asumsi dari

baseplate isotermal.

Laju aliran panas total dari heat sink, Q, adalah terkait dengan baseplate isotermal atau temperatur

dukungan silinder oleh:

Q = HA (Ts-Ta)

Nomenclature

A surface area, (m2)

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/s2)

h convective heat transfer coefficient, (W/m2 K)

H height of heat sink, (m)

k thermal conductivity, (W/mK)

L length of heat sink, (m)

Nf total number of fins

Nub Nusselt number, = hb/k

n combination parameter

Q heat flow rate, (W)

Ra*

b modified Rayleigh or Elenbaas number,

= gß Tb4/v L or = gß Tb4/v D

S* dimensionless conduction shape factor

Ta temperature of ambient air, (K)

Ts surface temperature of heat sink, (K)

T temperature difference, Ts – Ta, (K)

t fin thickness, (m)

tbp baseplate thickness, (m)

W width of heat sink , = tNf + b (Nf – 1), (m)

Greek Symbols

thermal diffusivity, (m2/s)

ß thermal expansion coefficient, (1/K)

v kinematic viscosity, (m2/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 heat 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 berbeda 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 memperkenalkan 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] et al dan Wang. [11], jumlah Nusselt keseluruhan 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 diprogram

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 kinerja

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: rix@mhtl.uwaterloo.ca

pmt@mhtl.uwaterloo.ca

mmyov@mhtl.uwaterloo.ca

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, Konveksi 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, 15-

17 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," Dasar-

dasar 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 Kemasan Elektronik, Vol. 121, No

1, hlm 44-49.