Pasif soğutma

CPU-cooler-07 hg

Pasif soğutma doğrudan aktif bir bileşen içermeden sadece ısı transfer metodu ile sıcak yüzeyden ısıyı sistemin dışına iletmek ile görevli bileşenlerdir. Özellikle yarı silikon olarak bilinen transistörlerden oluşan işlemci ve entegrelerin yapıları gereği ısınmaları kaçınılmazdır. Bu ısınma sonucu çıkan ısı sistemin verimini düşüren ısının sistemden atılması gerekmektedir.

Bilgisayar anakartlarından, CNC kontrol paneli devrelerine, cep telefonu devrelerine kadar çeşitli elektronik devrelerde kullanılan aktif soğutma sistemlerine alternatif olarak çeşitli sistemlerde artık gerek maliyet, gerek ise küçük boyutları sebebi ile pasif soğutucular kullanılmaya başlanmıştır. Malzeme teknolojisinin gelişmesi ve kompozitler üzerindeki çalışmaların artması sonucu pasif soğutucular aktif soğutma bileşenleri eskiye göre daha fazla kullanılmaktadır.

Çalışma prensibi

CPU-cooler-11 hg

Termodinamikte bir termodinamik sistem, ısıl denge, mekanik denge, radyasyon dengesi ve kimyasal dengede olduğunda, sistem termodinamik dengededir ve cisimler arası net ısı aktarımının sıfırdır. Termodinamik dengede bulundukları ortak bir cisim bulunan iki cisim birbirleriyle de dengededir şeklinde genişletilip termodinamiğin sıfırıncı kanunu oluşturulmuştur.

Yarı-iletken yonga ısındığında yüzeyinde oluşan sıcaklık termodinamiğin sıfırıncı kanununda gösterildiği gibi daha az ısıya sahip olan pasif soğutucunun yüzeyine ilerler ve sistem ısıl denge kurmaya çalışır. Pasif soğutucu üzerine aktarılan sıcaklık ortama aktarılarak sistemden uzaklaştırılır.

Isı İletimi

Isı iletimi bir ısının, enerjinin yüksekten düşüğe doğru ilerlemesi temeline dayanmaktadır. Örnek verecek olursak düşük bir enerjiye sahip olan bir nesne kendinden büyük enerjili nesnelerden kendine enerji çekmektedir Isı iletimi ya da kondüksiyon, madde veya cismin bir tarafından diğer tarafına ısının iletilmesi ile oluşan ısı transferinin bir çeşididir.

Isı iletim kanunu, Fourier kanunu olarak da bilinir, birim zamanda bir tabaka boyunca olan ısı akısı miktarının, sıcaklık farkının gradyanına olan oranıdır. Bu kanunla kapalı bir şekilde ortaya çıkan orantı sabiti ise ısı iletim katsayısı(k) adını alır.

Isı Transferi Türleri

Conduction thermique KelvinPlan

Isı geçişinin üç ana bölümü bulunmaktadır; iletim, taşınım ve ışınım.

Kondüksiyon (İletim)

Basit bir tanımla birbirleriyle temas halinde olan maddelerin birbirleriyle enerji alışverişi yapması olarak bilinmektedir Özetle birbiri ile temas halindeki maddelerin enerji iletimi olarak bilinmektedir. Birbiri ile temas halindeki nesneler üzerlerinde bulunan enerji sebebi ile moleküler düzeyde titremektedir. Temas halindeki nesneler bu titreşimi ileterek kondüksiyon gerçekleştirmektedir.

Konveksiyon (Taşınım)

Convection

Malzemelerin üzerlerindeki enerjinin, ısının farkından dolayı oluşan ısı transfer türüdür. Sıcak malzeme daha yüksek enerji içermektedir ve nispeten daha soğuk olan malzemeye doğru ısı taşınımı gerçekleşmektedir. Bu duruma konveksiyon ısı iletimi denmektedir.

Radyasyon (Işınım)

Maddelerin içerdikleri enerjinin radyo dalgaları yolu ile oluşturdukları ısı akışına Işınım ısı iletimi denilmektedir. Bir ortam gerekmeksizin gerçekleşebilen tek ısı transfer türüdür.

Avantaj ve Dezavantajları

Alüminyum ve Bakır malzeme genel karakteristiklerinden dolayı işlemci ve benzeri yarı-silikonların soğutulmasında sıklıkla kullanılır.

Pasif soğutucu ve aktif soğutucuda da, yarı-silikon ile soğutucu bloğun tam temas etmemesinden kaynaklı olarak termal macun veya termal pad kullanılması zorunludur.

Pasif bir soğutucu bazı durumlarda aktif bir soğutmaya göre daha büyük olabilirken, aktif bir soğutma sistemi boyut olarak çok daha avantajlı konumdadır. Pasif soğutucunun başka bir avantajı da dönen bir bileşen içermediğinden gürültüsünün olmamasıdır. Soğutucu fanı ortadan kaldırmak, sesin kaynağını ortadan kaldırılması demektir. Pasif bir soğutucu ek güç gerektirmemektedir. Böylece sistemden ek güç çekilmeyerek, sistemin enerjisine ek yük yaratılmamış olmaktadır.

Aktif soğutma sistemlerinde hacim akışı vardır, Böylece ısı transferi kütleye aktarılır ve ortama aynı oranda yeni kütle girişi olur. Fakat pasif soğutma sisteminde ısı transferi doğrudan ortama yapıldığından daha düşük bir ısı iletimi gerçekleşmiş olur.

Mevcut Kullanılan Malzemeler

Alüminyum ve Bakır malzeme genel karakteristiklerinden dolayı ısı iletim katsayısı yüksek ve işlenmesi diğer malzemelere göre daha kolay olduğundan fiyat/performans açısından işlemci ve benzeri yarı-silikonların soğutulmasında sıklıkla kullanılır. Gelişen teknoloji ve imkanlar artık alüminyum ve bakır dışında karbon film tabakaların ve sulu pasif sistemlerin kullanılmasına olanak sağlamıştır. Pasif soğutucu üretiminde kullanılan kompozitler şunlardır.

Elmas Takviyeli Metal Kompozit (ESA)

Düşük termal genleşme katsayısına sahip elmas gibi bir takviye elemanıyla yüksek termal genleşme katsayısına sahip metalik bir matrisin(örneğin Al,Cu veya Ag) kombinasyonuyla değiştirebilir termal özelliklere sahip bir malzeme ortaya konulmuş olur. Elmas parçacıklarının hacimsel oranda %10 ile %60 ara değerleri arasında değişmesiyle elde edilir.. Yüksek yüzey kalitesi elde etmek için metal-elmas kompozit ile kombinasyon halindeki metal katmanların aynı anda işlenmesi gerekmektedir. DiaCool, Si, Galyum arsenit, GaN veya SiC gibi malzemelerin veya Al2O3 veya AlN gibi tipik olarak kullanılan alt grup malzemelerinin özelliklerine uyan düşük bir CTE ile yüksek bir termal iletkenliği birleştirir. Bu, ortam sıcaklığındaki çalışma sıcaklıkları arasındaki termal döngü sırasında dahili termo-mekanik stresleri azaltır. DiaCool ürünleri özel üretim koşullarına ve özel bileşime bağlı olarak ; - Termal iletkenlik katsayısı 300 W/mK ile 600W/mK ara değerleri arasında değiştirilebilir. - Termal genleşme katsayısı 6 ppm/K ile 14 ppm/K ara değerleri arasında değiştirilebilir.

Katmanlı Grafit Kompozit (PermaFoil)

Perma Foil, bağlayıcı kullanılmadan özel olarak işlenmiş doğal grafitten yapılmış esnek bir grafit levhadır. Toyo Tanso tarafından geliştirilen özel işlem, geleneksel grafit ürünlerinde bulunmayan bir esneklik ve sıkıştırma geri kazanımı sağlar. Bu nitelikler, temas eden parçalara tam oturmasını sağlar, bu nedenle otomotiv contalarını ve salmastraları not etmek için conta olarak yaygın olarak kullanılır. Toyo Tanso'nun geliştirdiği esnek grafit levha için genel bir terimdir. Seçilmiş asitle muamele edilmiş doğal grafit kullanılarak oluşturulan ve daha sonra yüksek sıcaklıkta genleşmeden sonra sıkıştırılan bir tabaka grafit ürünüdür. Hammadde olarak sadece doğal grafit kullanılır, bu da mükemmel ısı direnci ve kimyasal direnç ile oldukça esnek karbon verir. Diğer özellikler arasında yüksek sıkıştırılabilirlik geri kazanım oranı, mükemmel hava sızdırmazlığı ve yüksek termal iletkenlik bulunur. Termal ve elektriksel iletkenlik, yüzeye paralel olarak mükemmeldir ve Perma Foil ısı yayıcı malzeme ve ısı transfer malzemesi olarak optimumdur. Perma Foil malzemesinin yapısı yumuşaktır ve makas gibi bir bıçakla kolaylıkla kesilebilir.

UHM-Karbon

Karbon fiberleri uzun halkalardan oluşan birbirlerine bağlanmış zincirler gibi düşünebiliriz.Bu lifler güçlü, sert olmalarının yanı sıra hafiftirler bu da karbon fiberler malzemeleri tercih edilen kompozit yapmaktadır Bir karbon fiber malzemenin örgü türü malzemenin mukavemet özelliklerini değiştirmektedir. Karbon fiberlerin çoğu anizotropiktir. Aksiyal stiffness, gerilme ve sıkıştırma kuvveti ve termal iletkenlik değerleri, radyal yöndeki değerlerden daha yüksektir. Karbon fiberin gerilme-gevşeme eğrisi non-lineerdir; modülü artan gerilme kuvvetine karşı yükselir, artan sıkıştırma kuvvetine karşı azalır. UHM-Karbon 2.2 g/cm3 yoğunluğunda ve 640 W/m.K ısı iletim katsayısına sahiptir.

Polimer Matrisli Kompozit (VGCF)

Polimerler malzemeler metal malzemeler ile karşılaştırıldıklarında metal malzemelerin tersine elektrik ve ısı iletim özellikleri düşük olan, termal genleşme katsayıları yüksek olan yalıtkan bir malzemedir. Polimer malzemeler metallere göre çok daha düşük çalışma sıcaklığına sahip olmasının yanı sıra yüke maruz kaldıklarında ise plastik özellik göstermeye başlar. Ayrıca bazı polimer malzemeler kimyasallara karşı dirençlidir ama polimer malzemeler de diğer malzemeler gibi yorulmaya karşı hassastır. Bazı polimerlerin ise ışık geçirgenliği özelliği vardır.

Grafit Takviyeli Alüminyum Matrisli Kompozit

Günümüze kadar kullanılan matris malzemeleri sınıflandırdığımızda Mg, Al,Ti,Cu,Fe elementleri ve alaşımları içerdiği anlaşılmaktadır. Bu element ve alaşım arasında düşük yoğunluk yüksek korozyon direnci ve kolay üretilebilen alüminyum alaşımlarının çok yaygın kullanım alanına sahip olduğu bilinmektedir. Alüminyum matris ile genel olarak elyaf, fiber ve partikül takviyeleri kullanılmıştır. Elyaf ve fiber takviyeli kompozitler ile tabakalı ve lamine kompozitler üretilmiştir. Ancak matriste kolay dağılması, ucuz ve kolay üretilebilmesi sebebi ile partikül takviyeleri daha yaygın bir kullanıma sahiptir. Geleneksel kompozitlerde büyük bir oranda tek tür takviye kullanılmaktadır.Hibrit kompozitler de ise en az iki takviye elemanı aynı anda kullanılmaktadır. Bu iki kompozitin farkına bakacak olursak hibrit olanlarında kullanılan takviyelerin iyileştirme amacıyla kullanıldığı anlaşılmaktadır. Geleneksel olanların ise Al2O3,B4C,SiC gibi takviyeler kullanılarak termal genleşme katsayısını düşürmek amaçlanmaktadır. Hibrit olanlarda ise hem bu seramikler hem de grafit, 38 grafen ve karbon nanotüp gibi karbon bazlı takviyeler kullanılmaktadır. Böylece matris malzemesinin hem termal genleşme katsayısının düşürülüp hem de termal iletkenlik katsayısının arttırıldığı anlaşılmaktadır.

CVD ile Sentezlenmiş Karbon Nanotüpler (MWCNT)

Karbon nanotüpler (CNT), 1990’lı yılların başından günümüze kadar yapılan araştırmalar olağanüstü özelliklerinin keşfedilmesini sağlamıştır ve giderek bu, CNT'nin başta nanobilim olmak üzere çok sayıda farklı alanlarda bir "fenomene"e dönüşmüştür. Hem teorik hem de deneysel olarak yapılan çalışmalarda CNT’ler nanoteknolojiler için model oluşturmuştur.. Bu alandaki ilerlemeler oldukça etkileyici olmuştur. Bu malzemelerin tek bir özelliğinin keşfi, bu özelliği kullanan uygulamanın geliştirilmesi ve son olarak uygulamanın ticarete dönüşmesi ile sonlanır. Günümüzde, konu üzerinde dünya çapında yapılan sayısız araştırmanın yanında birçok dev şirket CNT esaslı ürünleri piyasaya sürmek için birbirleriyle yarışmaktadır. Aşağıdaki tabloda tek ve çok duvarlı karbon nanotüplere ait bazı teknik özellikler verilmiştir.

Alternatif seçim faktörleri

Isı İletim Katsayısı

Yapılan araştırmada temel nokta olan ısı iletim katsayısı en yüksek olan değer öncelikli olarak bakılmıştır. Isı iletim katsayısı sıcaklığa, malzemenin bileşimine, malzemenin gözenekli olup olmamasına, malzemenin içindeki neme, ısının geçtiği yöne ve benzeri fiziksel ve metalurjik etkenlere bağlı olarak değişmektedir. Isı iletim katsayısı önemli bir faktör olmakla beraber tek başına bir sonuç sağlamamaktadır. Bu sebep ile malzemenin ısı iletimi konusundaki kararlılığı önemlidir.