Isı Emiciler ve Çeşitleri

Birçok elektronik devre çalışmasında yaşanan en büyük problemlerden biri ısınmadır. Özellikle güç transistörleri, optoelektronik malzemeler ve lazerler gibi önemli komponentler yüksek ısılar meydana getirirler. Isı emiciler sayesinde bu ısılar azaltılarak devrelerin daha optimum çalışması sağlanır. Ayrıntılar yazımızda.

A- A+

24.06.2016 tarihli yazı 27405 kez okunmuştur.

Isı Emici Nedir?

Isı emme yöntemini, bir elektrik veya elektronik komponentin oluşturduğu ısıyı diğer bileşenlerin çalışmasını engellememesi için soğutulması olarak açıklayabiliriz. Aynı zamanda da ısınabilecek veya yoğun çalışacak komponenti korumak için kullanılmaktadır. Soğutma amacıyla fan veya ısı emici malzemeler kullanılır.

Isı Emicilerin Çalışma Prensipleri

Isı iletim durumlarının Fourier kanununa göre, eğer kompanentte ısı gradyantı (alanı) var ise, ısı yüksek sıcaklıklıktaki bir bölgeden daha az sıcak bir bölgeye transfer olur. Bu ısı transferinin 3 farklı yolu vardır. Bunlar; Konveksiyon, ışıma ve iletimdir.

►İlginizi Çekebilir: HVAC Sistemlerinde Otomasyon ve Enerji Verimliliği

Farklı sıcaklıktaki iki nesne birbirine temas ettiğinde, sıcak olan nesnedeki hızlı titreşen moleküller, soğuk olan maddeki soğuk moleküllere enerji yani ısı aktarımı yaparak iletim yoluyla sıcak olan nesnenin soğuması yani ısının emilmesi sağlanır. Benzer şekilde hava, su, yağ gibi maddelerde, yüksek sıcaklıktaki maddelerin soğutulmasında kullanılmaktadır.

Konveksiyon yoluyla ısı emilimi, sıcak maddedeki moleküllerin kendi içlerinde hareket etmesiyle maddeki moleküllerin hacimleri büyür ve özkütleleri küçülür ve gaz formunda olan soğuk havayla sıcak hava yükselir ve nesnedeki ısı emilmiş olunur.

Işıma ise ısı iletimi basit olarak ısının maddesel ortam aramadan boşlukta yayılmasına denir. Örnek olarak sıcak havada koyu elbise giymişsek koyu elbisenin ışığı soğurmasından dolayı ısınırız.

Isı Emici Çeşitleri

Isı emici tipleri kendi içlerinde aktif ve pasif olarak ayrılır.

1) Aktif Isı Emici

Aktif ısı emme, genelikle fan tipindedir ve güçlü soğutma gereken yerlerde kullanılır. Bu tür soğutucular hareketli parçalardan oluşur.

►İlginizi Çekebilir: Klima ve HVAC Sistemleri Bakımı Nasıl Yapılır?

2) Pasif Isı Emici

Pasif ısı emme herhangi bir mekanik parçaya sahip değildir ve alüminyum kanatlı radyatörlerden veya kanatlardan yapılır. Isı yalıtımı konveksiyon yoluyla sağlanır. Pasif ısı emiciler aktif ısı emicilere göre daha etkilidir. Yapıları gereği sürekli hava akışı kontrol edilerek ısı emilmesi sağlanır.

2.a) Alüminyum Isı Emici; Isı emiciler genellikle metalden yapılır. En çok kullanılanı alüminyum malzemedir. Her metalin ısı iletkenliği farklıdır. Metalin ısı iletkenliği soğutucu ısı transferi ile doğru orantılıdır. Bu nedenle metal kanatları arttıkça ısı iletkenliğiyle beraber soğutucu ısı transfer kapasitesi de artacaktır. Alüminyum ısı iletkenliği 235 Watt/mK’dır. Ucuz ve hafif bir metaldir.

►İlginizi Çekebilir: Soğutma Öncüsü | John Gorrie

2.b) Damgalı Isı Emici; Bu ısı emici tipi belirli bir şekli oluşturmak için damgalı metallerden yapılmıştır. Oldukça ucuzdur ve düşük güç gereken yerlerde koruma amaçlı kullanılır.

2.c) İşlemeli Isı Emiciler; Özel şekiller için bir yöntemdir. Özel şekiller olduğundan yapılması maliyetlidir. Sık bir arada bulunmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir.

2.d) Bağlı-Kanatlı Isı Emiciler; Genellikle fiziksel uygulaması yüksek olan alanlarda kullanılır. Örneğin bir kaynak makinesindeki kompanenetleri soğutmak için kullanılır. Bir metal tabana kanatları tek tek eklemeyle meydana gelir. Bu ekleme yöntemi uygun maliyetli olan epoksiyle yapılır.

2.e) Katlanmış-Kanatlı Isı Emiciler; Katlanmış-kanatlı ısı emiciler katlanarak çok geniş bir yüzey alanı oluştururlar. Bu nedenle yüksek performanslı ve çok yüksek ısı akısı yoğunluğu vardır. Bu katlanmış yapıların içinden akan hava çok iyi bir şekilde yönlendirilerek yüksek bir verimlilik elde edilir. Üretimi pahalıdır.

2.f) Yontmalı veya Yassı Isı Emiciler; Bu ısı emiciler genellikle bakırdan üretilir. Orta düzeyde bir soğutma performansına sahiptirler.

Elektronik Devrelerde Isı Emicilerin Özellikleri

1) Bir ısı emici çevresiyle etkileşim kurarak bağlı olduğu kompanenti soğutmak için kullanılmaktadır. Elektronik kompanentlerde oluşan ısının azaltılması veya diğer kompanentlere zarar vermemesi için ısının azaltılması gerekir.
2) Isı emiciler termal stabilite sağlarlar.
3) Isı emicilerin performansını kullanılan malzeme, çıkıntı veya kanat tasarımı, yüzey katmanı ve hava hızı gibi etmenler sistemi doğrudan etkilemektedir.
4) Isı emiciler sadece ısıyı emmek için değil aynı zamanda devrede ısı yayılımına doğrudan etki ederek devreyi korur.

Isı Emicilerin Seçimi

Isı emicilerin seçimi için aşağıdaki matematiksel ifadeleri göz önüne bulundurmalıyız.
Q: Watt, ısı dağılım oranı
Tj: 0^𝑜𝐶’de kompanentin maksimum birleşme sıcaklığı
Tc: 0^𝑜𝐶’de kompanentin kılıf sıcaklığı
Ta: 0^𝑜𝐶’de ortam hava sıcaklığı
Ts: 0^𝑜𝐶’deki ısı emicinin maksimum sıcaklığı

Termal direnç: 𝑅𝑡=∆𝑇/𝑄
Elektriksel direnç: 𝑅𝑒=∆𝑉/𝐼
Kompanentin birleşme yeri ile ısı emicinin birleştiği yerin termal direnci: 𝑅𝑗𝑐=∆𝑇𝑗𝑐/𝑄
Kompanentin soğukken ki termal direnci: 𝑅𝑐𝑠=∆𝑇𝑐𝑠/𝑄
Isı emicinin termal ortam direnci:𝑅𝑠𝑎=∆𝑇𝑠𝑎/𝑄
Böylece ısı emici ile ortamın birlikteki termal direnci: 𝑅𝑗𝑎=𝑅𝑗𝑐+𝑅𝑐𝑠+𝑅𝑠𝑎 ‘dir.
Isı emici için termal direnç: 𝑅𝑠𝑎= (𝑇𝑗−𝑇𝑎) / (𝑄−𝑅𝑗𝑐−𝑅𝑐𝑠) olur.

Tj ve 𝑅𝑗𝑐 değerlerini, ısı emiciyi üreten firma veriyor. Ta ve 𝑅𝑐𝑠 değerlerinin kullanıcı tarafından verilmesi gerekiyor. Böylece hesaplanan 𝑅𝑠𝑎 değerinin, uygulama için ısı emicinin termal direncinden ya küçük yada eşit olması gerekiyor. Isı emici seçerken mutlaka hava akış durumları dikkate alınması gerekir. Isı emici hacmi, gerekli termal direnç ile hacimsel ısıl dirence bölünmesi ile tespit edilebilir. Aşağıdaki tabloda hacimsel termal direncin bazı aralığı verilmiştir.