حرارتی نکاس

حرارتی نکاس (جسے عام طور پر ہیٹ سنک بھی کہا جاتا ہے ) ایک غیر فعال ہیٹ ایکسچینجر ہے جو الیکٹرانک یا مکینیکل ڈیوائس کے ذریعے پیدا ہونے والی حرارت کو سیال میڈیم، اکثر ہوا یا مائع کولنٹ میں منتقل کرتا ہے، جہاں اسے ڈیوائس سے دور کر دیا جاتا ہے، اس طرح آلہ کے درجہ حرارت کو کنٹرول کرنے میں مدد دیتا ہے۔ کمپیوٹرز میں، حرارتی نکاس کا استعمال CPUs ،GPUs اور کچھ چپ سیٹ اور RAM ماڈیولز کو ٹھنڈا کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ حراتی نکاس کو ہائی پاور سیمی کنڈکٹر آلات جیسے پاور ٹرانزسٹرز اور آپٹو الیکٹرانکس جیسے لیزرز اور لائٹ ایمیٹنگ ڈائیوڈز (LEDs) کے ساتھ استعمال کیا جاتا ہے، جہاں خود اس جزو کی حرارت کی کھپت کی صلاحیت اس کے درجہ حرارت کو معتدل کرنے کے لیے ناکافی ہے۔

پرسنل کمپیوٹر کے پروسیسر پر لگا ہوا چھوٹا پنکھا بطور حرارتی نکاس۔ دائیں طرف ایک چھوٹا حرارتی نکاس ہے جو مدر بورڈ اور ایک مربوط سرکٹ کو ٹھنڈا کر رہا ہے۔

عام حرارتی نکاس-پنکھے کا مجموعہ جو صارف کے لیپ ٹاپ پر پایا جاتا ہے۔ ہیٹ پائپ جس میں کام کرنے والا سیال ہوتا ہے وہ سی پی یو اور جی پی یو سے براہ راست منسلک ہوتے ہیں، گرمی کو جزو سے دور لے جاتے ہیں اور اسے کولنگ فین کے ایگزاسٹ پورٹ پر نصب فن اسٹیک میں منتقل کرتے ہیں۔ فن اسٹیک ایک سیال سے سیال ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر کام کرتا ہے جو حرارتی توانائی کو ہیٹ پائپ کے اندر کام کرنے والے سیال سے میں محیط ہوا میں منتقل کرتا ہے۔

ایک حرارتی نکاس کو اس طرح ڈیزائن کیا جاتا ہے کہ اس کی سطح کے رقبے کو اس کے ارد گرد موجود کولنگ میڈیم، جیسے ہوا کے ساتھ زیادہ سے زیادہ رابطے میں رکھا جائے۔ ہوا کی رفتار، مواد کا انتخاب، جھکائو کا ڈیزائن اور سطح کی ٹریٹمینٹ وہ عوامل ہیں جو حرارتی نکاس کی کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں۔ حرارتی نکاس کے جوڑنے کے طریقے اور تھرمل انٹرفیس میٹریل بھی انٹیگریٹڈ سرکٹ کے ڈائی ٹمپریچر کو متاثر کرتے ہیں۔ حرارتی ایڈہیزیو یا حرارتی پیسٹ آلے پر حرارتی نکاس اور حرارت پھیلانے والے کے درمیان ہوا کے خلا کو پُر کرکے حرارتی نکاس کی کارکردگی کو بہتر بناتے ہیں۔ حرارت نکاس عام طور پر ایلومینیم یا تانبے سے بنا ہوتا ہے۔

حرارت کی منتقلی کا اصول

ایک حرارتی نکاس حرارتی توانائی کو زیادہ درجہ حرارت والے آلے سے کم درجہ حرارت والے سیال میڈیم میں منتقل کرتا ہے۔ سیال میڈیم اکثر ہوا کا ہوتی ہے، لیکن یہ پانی، ریفریجرینٹ یا تیل بھی ہو سکتا ہے۔ اگر سیال میڈیم پانی ہے تو حرارت کے نکاس کو اکثر ٹھنڈی پرت کہا جاتا ہے۔ تھرموڈینامکس میں حرارتی نکاس حرارت کا ایک ایسا ذخیرہ ہے جو اپنے درجہ حرارت کو نمایاں طور پر تبدیل کیے بغیر حرارت کی کوئی بھی مقدار جذب کرسکتا ہے۔ الیکٹرونک آلات کے لیے عملی حرارتی نکاس کا درجہ حرارت ماحول سے زیادہ ہونا چاہیے تاکہ حرارت کو کنویکشن، تابکاری اور ایصال کے ذریعے منتقل کیا جا سکے۔ الیکٹرونکس کی بجلی کی فراہمی پوری طرح استعمال نہیں ہوتی ہے، اس لیے اضافی حرارت پیدا ہوجاتی ہے جو آلے کے کام کے لیے نقصان دہ ہو سکتی ہے۔ اس لیے حرارت کو منتشر کرنے کے لیے ڈیزائن میں حرارتی نکاس شامل کیا جاتا ہے۔

فوئیر کا حرارت کی ترسیل کا قانون ظاہر کرتا ہے کہ جب کسی جسم میں درجہ حرارت کا میلان ہوتا ہے، تو حرارت زیادہ درجہ حرارت والے علاقے سے کم درجہ حرارت والے علاقے میں منتقل ہو جاتی ہے۔ ترسیل کے ذریعہ حرارت کی منتقلی کی شرح، $q_{k}$ ، درجہ حرارت کے میلان کی پیداوار اور کراس سیکشنل رقبے، جس کے ذریعے حرارت منتقل ہوتی ہے، کے متناسب ہوتی ہے۔ جب اسے x سمت میں ایک جہتی شکل میں آسان کیا جاتا ہے، تو اس کا اظہار اس طرح کیا جا سکتا ہے:

$q_{k}=-kA{\frac {dT}{dx}}.$

توانائی کے تحفظ اور نیوٹن کے ٹھنڈک کے قانون سے گورننگ مساوات کا حساب لگانے کے لیے ایک ڈکٹ میں حرارت نکاس کا خاکہ۔

ایک نالی میں لگے ہوئے حرارتی نکاس کے لیے، جہاں ہوا نالی سے گزرتی ہے، حرارتی نکاس کی بنیاد عام طور پر نالی میں بہنے والی ہوا سے زیادہ گرم ہوتی ہے۔ مستحکم حالت کے حالات کے لیے توانائی کے تحفظ اور ڈایاگرام میں دکھائے گئے درجہ حرارت کے نقاط پر ٹھنڈک کا نیوٹن کا قانون لاگو کرنے سے درج ذیل مساوات کا مجموعہ ملتا ہے:

${\dot {Q}}={\dot {m}}c_{p,{\text{in}}}(T_{\text{air,out}}-T_{\text{air,in}}),$

${\dot {Q}}={\frac {T_{\text{hs}}-T_{\text{air,av}}}{R_{\text{hs}}}},$

یہاں

$T_{\text{air,av}}={\frac {T_{\text{air,in}}+T_{\text{air,out}}}{2}}.$

${\dot {m}}$ kg/s میں ہوا کے بہاؤ کی شرح ہے۔

$c_{p,{\text{in}}}$ J/(kg °C) میں آنے والی ہوا کی مخصوص حرارت کی گنجائش ہے

${R_{\text{hs}}}$ حرارتی نکاس کی حرارتی مزاحمت ہے۔

اوسط ہوا کا درجہ حرارت استعمال کرنا ایک مفروضہ ہے جو نسبتاً مختصر حرارتی نکاس کے لیے درست ہے۔ جب جامع حرارتی تبادل گر کا حساب لگایا جاتا ہے تو ہوا کے درجہ حرارت کا لوگاریتھمک اوسط استعمال کیا جاتا ہے۔

مندرجہ بالا مساوات ظاہر کرتی ہیں کہ:

• جب حرارتی نکاس کے ذریعے ہوا کا بہاؤ کم ہوجاتا ہے، تو اس کے نتیجے میں ہوا کے اوسط درجہ حرارت میں اضافہ ہوجاتا ہے۔ اس کے نتیجے میں حرارتی نکاس کے بنیادی درجہ حرارت میں اضافہ ہوتا ہے۔ اور اس کے علاوہ، حرارت کے نکاس کی حرارتی مزاحمت بھی بڑھ جائے گی. خالص نتیجہ حرارتی نکاس کی بنیاد کے زیادہ درجہ حرارت کی صورت میں آتا ہے۔
  • بہاؤ کی شرح میں کمی کے ساتھ حرارتی نکاس کی حرارتی مزاحمت میں اضافہ اس مضمون میں بعد میں دکھایا جائے گا۔
• داخلی ہوا کا درجہ حرارت حرارتی نکاس کے بنیادی درجہ حرارت کے ساتھ مضبوطی سے جڑا ہوا ہے۔ مثال کے طور پر، اگر کسی پروڈکٹ میں ہوا کی دوبارہ گردش ہوتی ہے، تو داخلی ہوا کا درجہ حرارت محیط ہوا کا درجہ حرارت نہیں ہوتا ہے۔ اس وجہ سے حرارتی نکاس کا داخلی ہوا کا درجہ حرارت زیادہ ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں حرارتی نکاس کا بنیادی درجہ حرارت بھی زیادہ ہوتا ہے۔
• اگر حرارت کے نکاس کے ارد گرد ہوا کا بہاؤ نہیں ہے تو، حرارت کو منتقل نہیں کیا جا سکتا.
• حرارتی نکاس کوئی ایسا آلہ نہیں ہے جس میں "اسفنج کی طرح حرارت جذب کرنے اور اسے باہر نچوڑ دینے کی جادوئی صلاحیت" ہو۔

قدرتی نقل حرارت کے لیے حرارت کے نکاس پر ہوا کے آزادانہ گذرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ اگر فن کو عمودی طور پر منسلک نہیں کیا گیا ہے یا اگر فن ایک دوسرے کے بہت قریب ہیں کہ ان کے درمیان کافی ہوا کا گذر نہ ہو سکے، تو حرارتی نکاس کی کارکردگی کم ہو جائے گی۔