4.3.3.1. Phương pháp mô phỏng
để ựánh giá ựộ dẫn nhiệt và hiệu quả tản nhiệt của các loại kem tản nhiệt ứng dụng CNTs chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng kết hợp với kết quả thực nghiệm ựể dự ựoán nhiệt trở của lớp kem cũng như ựộ dẫn nhiệt của kem. Hình 4.46 là mô hình của hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tắnh.
Mô hình tản nhiệt ở trên ựược mô tả thông qua một mạch ựiện thể hiện quá trình tản nhiệt như trong hình 4.47. Trong mô hình này:
Ớ I : là công suất nhiệt tỏa ra từ vi xử lý máy tắnh Ớ C1 : nhiệt dung của vi xử lý
Ớ CT : nhiệt dung của kem tản nhiệt
Ớ R1a : nhiệt trở giữa vi xử lý và lớp kem tản nhiệt Ớ R1b : nhiệt trở giữa kem tản nhiệt và quạt tản nhiệt Ớ C2 : nhiệt dung của quạt tản nhiệt
Ớ R2 : nhiệt trở giữa quạt tản nhiệt với môi trường Ớ U : nhiệt ựộ của môi trường
Vì nhiệt dung của lớp kem tản nhiệt là nhỏ so với nhiệt dung của vi xử lý cũng như quạt tản nhiệt nên trong mô hình trên có thể bỏ qua CT, như vậy mô hình ựược ựơn giản hóa thành sơ ựồ ở hình 4.48.
122
Hình 4.46. Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tắnh
ộ-processor Thermal Paste Cooling fan
U Evironment I C1 CT C2 R2 R1a R1b
Hình 4.47. Sơ ựồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý
U I C1 C2 R2 R1 U1 U2 I1 I2
Hình 4.48. Sơ ựồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý ựơn giản hóa
Trong sơ ựồ hình 4.48 ta có:
Ớ R1 = R1a + R1b: nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt
Mainboard Aluminum
Copper plate
CNTs/Diamond thermal paste
FAN Air Air Air Air Aluminum Flake `ộ-Processor CPU Slot Aluminum Flake Heat Heat
123 Ớ U1 : nhiệt ựộ của vi xử lý Ớ U2 : nhiệt ựộ của kem tản nhiệt
Từ mô hình ựã ựược ựơn giản hóa, chúng ta có thể suy ra hệ phương trình vi phân mô tả quá trình tản nhiệt như sau:
2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 1 2 ( ) ( ) U U I R U U I R C dU I I dt C dU I I dt − = − = = − = − (4.9) Trong ựó:
Ớ I1: dòng nhiệt từ vi xử lý ựến quạt tản nhiệt Ớ I2: dòng nhiệt từ quạt tản nhiệt ra môi trường
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng loại vi xử lý Intelệ Pentiumệ 4 Processors 524 (3.06GHz) với kắch thước 1,476Ợ x 1,476Ợ, khối lượng là 21,86 gam, công suất tỏa nhiệt là 84 W và có nhiệt dung là 15,6 J/K.
Quạt tản nhiệt ựược làm bằng vây nhôm và có ựế ựồng với diện tắch 7 cm2, tổng khối lượng là 220 g. để ựơn giản cho quá trình mô phỏng, chúng tôi giả thiết nhiệt ựộ của vây tản nhiệt bằng với nhiệt ựộ môi trường, ựồng thời bỏ qua nhiệt trở của phần vây bên ngoàị Khi ựó chúng tôi tắnh ựược nhiệt dung của hệ thống quạt tản nhiệt vào khoảng 89 J/K và nhiệt trở giữa quạt và môi trường là 0,43 K/W.
Như vậy chúng ta có ựược: I= 84 W, U = 20oC, C1 = 15,6 J/K, C2 = 89 J/K, R2 = 0,43 K/W. Tại thời ựiểm ban ựầu chúng tôi giả thiết nhiệt ựộ vi xử lý, nhiệt ựộ quạt tản nhiệt bằng nhiệt ựộ môi trường, như vậy U1 = U2 = U = 200C. Quá trình mô phỏng ựược thực hiện với những giá trị khác nhau của R1, là nhiệt trở của các lớp kem tản nhiệt khác nhaụ
4.3.3.2. Trường hợp không sử dụng kem tản nhiệt
để ựánh giá vai trò của kem tản nhiệt, chúng tôi tiến hành thắ nghiệm trong trường hợp không có kem tản nhiệt giữa CPU và ựế quạt tản nhiệt. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho ta kết quả như ựồ thị ở hình 2.49. Có thể thấy rằng khi CPU hoạt ựộng ở chế ựộ nhàn rỗi thì nhiệt ựộ CPU khá cao với giá trị 37oC. Ngay sau khi hoạt ựộng ở chế ựộ 100% công suất, nhiệt ựộ của CPU tăng nhanh và ựạt 85oC sau 20 giây, sau ựó máy tắnh tự ựộng ngắt vì nhiệt ựộ CPU vượt quá giới hạn cho phép. điều
124
này cho thấy khi không sử dụng kem tản nhiệt, nhiệt ựộ CPU sẽ vượt quá giới hạn cho phép và hoạt ựộng không hiệu quả. Kết quả mô phỏng trong trường hợp không sử dụng kem tản nhiệt cho thấy nhiệt trở giữa quạt tản nhiệt và CPU là R1 = 0,81 K/W.
Hình 4.49. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ CPU khi không sử dụng kem tản nhiệt
4.3.3.3. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt Stars
Hình 4.50 là kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS. Kết quả cho thấy khi ở chế ựộ nhàn rỗi, nhiệt ựộ CPU vào khoảng 20oC, thấp hơn 17oC so với khi không sử dụng kem tản nhiệt, ựiều này ựã cho thấy vai trò của việc sử dụng kem tản nhiệt giữa CPU và ựế quạt. Ngay sau khi CPU hoạt ựộng ở chế ựộ 100% thì nhiệt ựộ của CPU tăng lên, sau 195 giây nhiệt ựộ CPU ựạt giá trị bão hòa 67oC. Như vậy máy tắnh không bị ngắt như trong trường hợp không sử dụng kem tản nhiệt. Kết quả mô phỏng kết hợp với thực nghiệm cho ta kết quả nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,13 K/W. Giá trị R1 khi sử dụng kem STARS giảm 6,23 lần so với khi không sử dụng kem tản nhiệt.
Kết quả mô phỏng kết hợp với thực nghiệm cho ta kết quả nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,13 K/W. Giá trị R1 khi sử dụng kem STARS giảm 6,23 lần so với
125
khi không sử dụng kem tản nhiệt. độ dẫn nhiệt của kem STARS ựược xác ựịnh qua công thức: 2 170( ) 0.13( / )x7cm STARS m k K W ộ = (4.10) 1.87 ( / ) STARS k = W mK (4.11)
Hình 4.50. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS
4.3.3.4. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt Stars pha CNTs
Các kết quả nghiên cứu trước ựây của chúng tôi ựã cho thấy kem tản nhiệt khi pha 2% wt. CNTs sẽ cho kết quả tản nhiệt tốt nhất. Hình 4.51 là kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs.
Kết quả cho thấy khi ở chế ựộ nhàn rỗi, nhiệt ựộ CPU vào khoảng 20oC. Ngay sau khi CPU hoạt ựộng ở chế ựộ 100% thì nhiệt ựộ của CPU tăng lên, sau 190 giây nhiệt ựộ CPU ựạt giá trị bão hòa 64oC. Như vậy nhiệt ựộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs giảm ựi 3oC khi so với kem STARS không pha CNTs. Kết
126
hợp với phương pháp mô phỏng chúng tôi xác ựịnh ựược nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs là R1 = 0,095 K/W. độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt ựược xác ựịnh theo công thức: / 2 170( ) 0.095( / )x7cm CNTs STARS m k K W ộ = (4.12) / 2.56 ( / ) CNTs STARS k = W mK (4.13) Như vậy với việc thêm 2% CNTs vào kem tản nhiệt STARS, ựộ dẫn nhiệt của kem tăng lên 1,37 lần.
Hình 4.51. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs
4.3.3.5. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt AS5
Hình 4.52 là kết quả thực nghiệm và mô phỏng quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5.
Kem tản nhiệt AS5 có thành phần chủ yếu là bạc nên hiệu quả tản nhiệt cao hơn so với kem tản nhiệt STARS. điều này ựược thể hiện ở nhiệt ựộ bão hòa của CPU khi hoạt ựộng ở chế ựộ 100% công suất là 55oC, thấp hơn 12oC so với kem tản nhiệt
127
STARS. Kết quả cho thấy nhiệt trở của lớp kem là 0,027 K/W, tương ứng với ựộ dẫn nhiệt là 8,89 W/mK.
Hình 4.52. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5
4.3.3.6. Trường hợp sử dụng kem tản nhiệt AS5 pha CNTs
để nghiên cứu ảnh hưởng của CNTs ựến kem tản nhiệt, chúng tôi tiến hành thử nghiệm với mẫu kem AS5 / 2% CNTs. Hình 4.53 là kết quả thực nghiệm và mô phỏng quá trình tản nhiệt cho CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs.
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khi pha 2% CNTs trong kem tản nhiệt AS 5, nhiệt ựộ bão hòa của CPU là 53oC, giảm 2oC so với khi không sử dụng vật liệu CNTs. Nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt là R1 = 0,015 W/mK, từ ựây có thể xác ựịnh ựược ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs là :
/ 5 2 170( ) 0.015( / )x7cm CNTs AS m k K W ộ = (4.14) / 5 16.2( / ) CNTs AS k = W mK (4.15)
128
Hình 4.53. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs
Bảng 4.4 Tổng kết kết quả ựo ựạc và tắnh toán với các loại kem tản nhiệt
Kem tản nhiệt Nhiệt trở (K/W)
độ dẫn nhiệt (W/mK)
Nhiệt ựộ bão hòa của CPU
(oC)
Nhiệt ựộ bão hòa của quạt
(oC) Không có kem 0,81 - - - STARS 0,13 1,87 66 55,7 STARS/ 2% CNTs 0,095 2,56 63 55,6 AS5 0,027 8,89 58 55,7 AS5/ 2% CNTs 0,015 16,2 56 55,6
Như vậy ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5/ 2% CNTs cao hơn 1,82 lần so với ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt AS5 thông thường. điều này một lần nữa khẳng ựịnh hiệu quả của CNTs trong việc ứng dụng cho kem tản nhiệt.
Bảng 4.4 tổng kết các giá trị ựo ựạc và tắnh toán của nhiệt trở R1, ựộ dẫn nhiệt k của các loại kem tản nhiệt khác nhaụ Từ bảng kết quả này chúng ta thấy ựược loại kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs có ựộ dẫn nhiệt cao nhất.
129
4.3.3.7. Quá trình giảm nhiệt ựộ của CPU
Chúng tôi cũng tiến hành mô phỏng và thực nghiệm quá trình giảm nhiệt ựộ của CPU khi CPU ở chế ựộ 100% công suất chuyển về chế ựộ nhàn rỗị Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ựược mô tả trên hình 4.54 ựối với kem tản nhiệt STARS.
Hình 4.54. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ựộ CPU trong quá trình giảm nhiệt ựộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS
Kết quả mô phỏng cho thấy công suất của CPU khi ở chế ựộ nhàn rỗi là 11 W, nhỏ hơn 7,6 lần công suất của CPU khi ở chế ựộ 100% công suất.
130
KẾT LUẬN CHUNG
Với mục tiêu nghiên cứu tắnh chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện ựiện tử công suất lớn, luận án ựã tập trung nghiên cứu ựồng thời cả lý thuyết, mô hình mô phỏng và thực nghiệm vật liệu nền hữu cơ dạng lỏng và kem chứa thành phần CNTs. Luận án cũng ựã thử nghiệm ứng dụng của chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo ựược cho vi xử lý máy tắnh và ựèn LED công suất lớn. Từ những kết quả nghiên cứu nhận ựược, có thể kết luận một số ựiểm chắnh như sau:
1. Luận án ựã xây dựng thành công mô hình cải tiến tắnh toán lý thuyết ựộ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa thành phần CNTs, với việc ựưa thêm tắnh toán cấu trúc dạng ống, cùng tắnh chất dẫn nhiệt bất ựẳng hướng dọc theo trục ống cũng như phương pháp xác ựịnh ựộ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs khi phân tán ngẫu nhiên ựồng ựều theo mọi hướng vào mô hình tắnh toán. Kết quả tắnh toán của mô hình cải tiến ựã ựược so sánh và cho kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm ựã công bố trên các tạp chắ quốc tế.
2. Luận án ựã chứng minh ựược cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho hệ thống tản nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs thông qua phương pháp mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm cũng như hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự ựối lưu cho thấy nhiệt ựộ của linh kiện có thể suy giảm xuống 3 - 5oC.
3. Vật liệu CNTs ựã ựược biến tắnh thành công với các nhóm chức ỜOH và Ờ COOH. Kết quả biến tắnh thành công ựã ựược chứng minh qua phép phân tắch phổ FTIR và phổ tán xạ Raman. Việc biến tắnh thành công vật liệu CNTs có ý nghĩa quyết ựịnh ựến việc phân tán CNTs trong chất lỏng và hiệu quả tản nhiệt. 4. Chất lỏng tản nhiệt nền DW và EG/DW chứa thành phần CNTs ựã chế tạo
thành công với sự phân tán ựồng ựều, ổn ựịnh và không còn sự tụ ựám CNTs trong nền chất lỏng.
5. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho hiệu quả tản nhiệt tốt khi ựược ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tắnh Intel Pentium IV, Intel Corei5, chắp LED 50 W, ựèn pha LED 450 W và ựèn LED chiếu sáng công cộng 100
131
W. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs giúp giảm nhiệt ựộ của linh kiện xuống từ 3-5oC.
6. Vật liệu CNTs ựã ựược phân tán ựồng ựều vào nền kem tản nhiệt Stars và AS5 thông qua việc sử dụng dung môi Chloroform, phép phân tắch EDX cho thấy quá trình loại bỏ hoàn toàn Chloroform khỏi kem tản nhiệt ựã ựược thực hiện thành công.
7. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs mang lại hiệu quả tản nhiệt tốt khi ựược ứng dụng cho vi xử lý máy tắnh Intel Pentium IV. Kết quả khảo sát cho thấy nhiệt ựộ của CPU giảm xuống 3oC khi có thêm 2 % wt. CNTs trong kem tản nhiệt Stars, và giảm xuống 2oC khi có thêm 2% wt. CNTs trong kem tản nhiệt AS5.
8. Phương pháp tắnh toán mô phỏng kết hợp với kết quả thực nghiệm ựã cho thấy ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt tăng lên từ 1,4 - 1,8 lần khi có thêm hàm lượng 2 % wt CNTs trong kem tản nhiệt.
Dù ựã ựạt ựược một số kết quả khoa học có ý nghĩa như trình bày trong luận án, các vấn ựề khác như tắnh toán lý thuyết cơ chế nâng cao ựộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs, thực hiện phép ựo ựộ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs, nghiên cứu ứng dụng SWCNTs chất lỏng và kem tản nhiệt, hay nghiên cứu so sánh giữa việc ứng dụng MWCNTs chế tạo tại Viện Khoa học vật liệu với các loại MWCNTs khác, Ầ còn cần ựược triển khai nghiên cứụ Trong thời gian tới, nếu có ựiều kiện, chúng tôi mong muốn ựược tiếp tục triển khai các nghiên cứu trên và hy vọng sẽ có ựược một số kết quả khoa học mới thú vị.
132
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[01] Phan Ngọc Minh, ỘVật liệu Cácbon cấu trúc nanô và các ứng dụng tiềm năngỢ, Nhà Xuất Bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ (2015).
[02] Mauro Lomascoloa, Gianpiero Colangelob , Marco Milaneseb, Arturo de Risi,
ỘReview of heat transfer in nanofluids: Conductive, convective and radiative experimental resultsỢ, Renewable and Sustainable Energy Reviews (2015) 43, 2015, 1182Ờ1198, doi:10.1016/j.rser.2014.11.086
[03] Danilenko V, ỘOn the history of the discovery of nanodiamond synthesisỢ, Physics of the Solid State (2004) 46, 4, 581, doi:10.1134/1.1711431
[04] Iijima Sumio, ỘHelical microtubules of graphitic carbonỢ, Nature (1991) 354, 56, doi:10.1038/354056a0
[05] Novoselov S, Geim K, Morozov V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos V, Grigorieva V, Firsov A, ỘElectric field effect in atomically thin carbon filmsỢ, Science 306 (2004) 306, 666, doi:10.1126/sciencẹ1102896
[06] Iijima Sumio, ỘHelical microtubules of graphitic carbonỢ, Nature (1991) 354, 56, doi:10.1038/354056a0
[07] http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollSS05/Thomsen-Vortrag.htm [08] Choudhary V, Gupta A, Polymer/Carbon nanotubes nanocomposites (2011), Chapter 4 (Http:// http://www.intechopen.com/)
[09] Peter Harris, Book ỘCarbon nanotube science: Synthesis, properties and applicationsỢ, Cambridge University Press (2011), doi:10.1017/cbo978051160970 1.006
[10] Salma Halelfadl, Patrice Estellé, Thierry Maré, ỘHeat transfer properties of aqueous carbon nanotubes nanofluids in coaxial heat exchanger under laminar regimeỢ, Experimental Thermal and Fluid Science (2014) 55, 174Ờ180, doi:10.101 6/j.expthermfluscị2014.03.003
[11] Boris Ị Yakobson, Phaedon Avouris, ỘMechanical properties of carbon nanotubesỢ, Topics in Applied Physics (2001) 80, 287, doi:10.1007/3-540-39947- X_12
[12] Benedict L, Louie S, Cohen M, ỘHeat capacity of carbon nanotubesỢ, Solid State Communications (1996) 100, 3, 177, doi:10.1016/0038-1098(96)00386-9
133
[13] Ruan W, Wang Z, Li Y, Liu L, ỘIn-situ heat capacity measurement of carbon nanotubes using suspended microstructure-based microcalorimetryỢ, IEEE Transactions On Nanotechnology (2012) 11, 2, 367, doi:10.1109/tnanọ2011.2176 748
[14] Hepplestone S, Ciavarella A, Janke C, Srivastava G, ỘSize and temperature dependence of the specific heat capacity of CNTsỢ, Surface Science (2006) 600,