ความ ร้อนเป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งที่เราต้องคำนึงถึงในการออกแบบ ในบทความนี้เราจะมาดูกันถึงทฤษฎีที่เกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อน ได้แก่ นำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี รวมถึงงานที่เราสามารถวิเคราะห์ได้จากโปรแกรม SolidWorks
ทำความรู้จักการการวิเคราะห์ความร้อน
เพื่อลดระยะเวลาและเงินทุนสำหรับการพัฒนาชิ้นงานของเรา เราลองมาดูขั้นตอนการพัฒนารูปภาพที่ 1
รูปที่ 1 เปรียบเทียบขั้นตอนการออกแบบเดิมกับขั้นตอนที่มีการวิเคราะห์
เราจะเห็นได้ว่าขั้นตอนเดิมๆ ของเราจะเสียเงินทุนไปกับการสร้างชิ้นงานต้นแบบ และเสียเวลาไปกับการทดสอบชิ้นงานนั้นๆ มากที่สุด แต่เพียงแค่เราเปลี่ยนวิธีการใหม่ โดยเพิ่มขึ้นตอนการวิเคราะห์เข้ามาเพื่อช่วยตรวจสอบชิ้นงานของเราก่อนการ ผลิตจริง จะช่วยให้เราลดเวลาและเงินทุนที่เสียไปได้อย่างมาก
ปัญหาเรื่องความร้อนเป็นปัญหาพื้นฐานของชิ้นงาน อิเล็กทรอนิกส์ การออกแบบพัดลมระบายความร้อนและ Heat sink จะต้องมีขนาดเล็ก แต่สามารถระบายความร้อนได้ดีพอ เพื่อไม่ให้เกิด Over Heat ในวงจรหรือแผ่น PCB เกิดการขยายตัวจนเสียหาย
สิ่งที่เป็นปัญหาท้าทายสำหรับผู้ออกแบบเครื่องจักรคือ การวิเคราะห์อุณหภูมิที่เกิดขึ้น การกระจายความร้อนและการเกิดความเค้นจากความร้อน เนื่องจากเครื่องจักร ได้แก่ เครื่องยนต์ ระบบไฮโดรลิค ปั๊ม เป็นต้น จะต้องใช้ความร้อนในการทำงาน หรือบางครั้งความร้อนก็ยังส่งผลต่อความแม่นยำของเครื่องจักร เช่น การกลึงชิ้นงานจะเกิดความร้อนและมีทำให้ชิ้นงานขยายตัว ส่งผลให้ตำแหน่งการกัดชิ้นงานผิดไปได้\
การตรวจสอบชิ้นงานโดยการวิเคราะห์ความร้อน
วิศวกรส่วนใหญ่จะคุ้นเคยกับการวิเคราะห์ความแข็งแรง ดังนั้นสำหรับเรื่องวิเคราะห์ความร้อนเราเพียงเรียนรู้เพิ่มจากเดิมแค่เล็ก น้อยเท่านั้น เพราะหลักการส่วนใหญ่จะมีความคล้ายคลึงกัน เราลองเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้ระหว่างการวิเคราะห์ความแข็งแรงและการ วิเคราะห์ความร้อนดังที่แสดงในตารางที่1
| Structural Analysis | Thermal Analysis |
| Displacement | Temperature |
| Strain | Temperature Gradient |
| Stress | Heat Flux |
ตารางที่ 1 เปรียบเทียบฟลัพธ์ที่ได้จากการวิเคราะห์ความแข็งแรงและการวิเคราะห์ความร้อน
รูปที่ 2 ผลลัพธ์ที่ได้จากการวิเคราะห์ความร้อน
รูปแบบของการถ่ายเทความร้อน
แบ่งออกเป็น 3 แบบดังนี้
1. การนำความร้อน เป็นรูปแบบการถ่ายเทความร้อนที่มีตัวกลางอยู่กับที่ สำหรับงานของเราก็คือตัวโมเดล CAD ที่เราวาดขึ้นมา จะเป็นตัวกลางในการนำความร้อน การนำความร้อนจะถ่ายเทความร้อนจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงไปต่ำและมีสมการแสดง ดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 ทิศทางการนำความร้อนและสมการการคำนวณ
สำหรับค่า K คือ ค่าสัมประสิทธิการนำความร้อน ซึ่งเป็นคุณสมบัติของวัสดุแต่ละชนิดดังที่แสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 ค่าสัมประสิทธิการนำความร้อนของวัสดุแต่ละชนิด
2. การพาความร้อน เป็นการถ่ายเทความร้อนที่ตัวกลางเป็นตัวพาความร้อนไปสู่อีกที่หนึ่ง เช่น อากาศพาความร้อนออกจากชิ้นงาน เป็นต้น การพาความร้อนจะแบ่งออกได้อีก 2 ลักษณะคือ
- การพาความร้อนแบบธรรมชาติ (Free Convection) ซึ่งเกิดของไหลที่อุณหภูมิสูงจะมีความหนาแน่นต่ำ ทำให้ของไหลนั้นๆ ลอยตัวขึ้น ส่วนของไหลที่อุณหภูมิต่ำกว่า จะวนเข้ามาแทนที่จนเกิดการพาความร้อน
รูปที่ 5 การพาความร้อนแบบธรรมชาติ
ค่า h คือสัมประสิทธิการพาความร้อน โดยการพาความร้อนแบบธรรมชาติจะมีค่า h ขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงเท่านั้น (แรงโน้มถ่วงทำให้ของไหลเกิดการลอยตัวได้)
- การพาความร้อนแบบบังคับ (Force Convection) เป็นการที่เราใส่แรงบังคับอื่นๆ (นอกเหนือจากแรงโน้มถ่วง) ทำให้เกิดการพาความร้อนขึ้น เช่น เปิดพัดลมทำให้ชิ้นงานเย็นเร็วกว่าตั้งทิ้งไว้ เป็นต้น
รูปที่ 6 การพาความร้อนแบบบังคับ
3. การแผ่รังสี เป็นการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ต้องใช้ตัวกลาง เช่น ดวงอาทิตย์แผ่รังสีความร้อนมายังโลก เป็นต้น สำหรับการวิเคราะห์ความร้อน เช่น Heat sink จะมีทั้งการนำความร้อนและการพาความร้อน แต่เราจะไม่วิเคราะห์การแผ่รังสีเนื่องจากมีค่าน้อยมาก เราจะวิเคราะห์การแผ่รังสีกรณีที่ความร้อนสูง เช่น ความร้อนจากหลอดไฟ เป็นต้น
รูปที่ 7 ตัวอย่างงานที่มีการวิเคราะห์การแผ่รังสี
SolidWorks ช่วยเราแก้ปัญหาอะไรได้บ้าง
ปัญหาที่เกิดขึ้นเนื่องจากความร้อน เราสามารถใช้โมดูล Thermal และ Static ที่อยู่ในโปรแกรม SolidWorks เพื่อวิเคราะห์ปัญหาเรื่องความร้อนและความแข็งแรงได้ โดยจะขอยกตัวอย่างการแก้ปัญหาต่างๆ ดังนี้
1. ขนาดของครีบระบายความร้อน
ไมโครชิฟได้รับพลังงานไฟฟ้าและเกิดความร้อนขึ้น ผิวด้านหนึ่งของไมโครชิฟติดกับแผ่น PBC ทำให้มีการระบายความร้อนได้น้อย เราจำเป็นต้องออกแบบ Heat sink เพื่อระบายความร้อนออกโดยต้องไม่ให้ความร้อนที่ไมโครชิฟเกิน 400 K
เราสามารถเปลี่ยนโมเดลที่มีครีบสูง 20, 40, 60 mm และวิเคราะห์อุณหภูมิที่เกิดขึ้นได้ผลลัพธ์ 461, 419, 400 K ตามลำดับ ซึ่งทำให้เราสรุปได้ว่าโมเดลที่ผ่านเกณฑ์คือ โมเดลครีบสูง 60 mm โดยไม่ต้องสร้างชิ้นงานต้นแบบมาทดสอบทุกตัว
รูปที่ 8 ผลลัพธ์การวิเคราะห์โมเดลที่มีขนาดครีบระบายความร้อนต่างกัน
2. ออกแบบการวางคอยล์ร้อน
บางครั้งเราต้องการออกแบบให้ต้นทุนต่ำ โดยวางคอยล์ร้อนเป็นรูปตัว M ดังรูปที่ 9 แต่ก็จะเกิดปัญหาเรื่องการกระจายตัวของความร้อนไม่ทั่วถึง
รูปที่ 9 การกระจายความร้อนของคอยล์รูปตัว M
เราสามารถเปลี่ยนรูปแบบการวางคอยล์ร้อนและวิเคราะห์หา ผลลัพธ์ใหม่ได้ทันทีดังรูปที่ 10 โดยเปลี่ยนจากคอย์รูปตัว M เป็นแบบก้นหอย จะทำให้ความร้อนกระจายตัวได้ดีกว่า
รูปที่ 10 การกระจายความร้อนของคอยล์รูแบบก้นหอย
3. หาจุดที่เกิดความเค้นจากความร้อน
ความเค้นเกิดจากชิ้นงานขยายตัวได้อย่างไม่อิสระ (มีบางอย่างมาขวางการขยายตัว เช่น ชิ้นงานถูกยึดอยู่กับพื้น เป็นต้น) ในการวิเคราะห์เราจะหาอุณหภูมิที่เกิดขึ้นบนชิ้นงานก่อน จากนั้นส่งผลลัพธ์อุณหภูมิที่ได้ไปวิเคราะห์การขยายตัวในการวิเคราะห์แบบ Static ดังในรูปที่ 11 ซึ่งมีการยึดขอบของโคมไฟไว้ ทำให้บริเวณดังกล่าวขยายตัวไม่ได้ จึงเกิดคามเค้นขึ้นที่บริเวณจุดยึด
รูปที่ 11 รูปบนสุดแสดงการยึดชิ้นงาน รูปตรงกลางแสดงผลลัพธ์การวิเคราะห์ความร้อน
และรูปล่างสุดแสดงผลลัพธ์ความเค้นที่เกิดบนชิ้นงาน
4. ป้องกัน Overheat ด้วย Thermostat
ถ้าอุณหภูมิที่เกิดขึ้นบนแผงวงจรมีค่าอยู่ระหว่าง 70 – 120 OC การป้องกัน Overheat เราจะมีตัวควบคุมโดยการตัดพลังงาน เมื่ออุณหภูมิเกิน 120 OC และกลับมาให้พลังงานอีกครั้ง เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 70 OC (นึกถึงเตารีดเวลาที่ร้อนเกินก็จะตัดไฟ พอความร้อนน้อยลงไฟก็จะติดขึ้นมาอีกครั้ง)
การวิเคราะห์งานลักษณะนี้จะเป็นการวิเคราะห์โดยขึ้นอยู่ กับเวลา หรือที่เราเรียกกันว่าการวิเคราะห์แบบ Transient และฟังชั่นที่มาควบคุมการปิดเปิดพลังงานคือ Thermostat
รูปที่ 12 ความร้อนที่เกิดบนชิ้นงานเกิน 120 OC เนื่องจากความเฉื่อยของพลังงาน
5. วิเคราะห์การบิดตัวจากความร้อน
ชิ้นงานที่มีแบริ่งสวมอยู่ภายใน การดูว่าแบริ่งจะหลุดออกมาหรือไม่เป็นสิ่งที่ทำนายได้ยาก เนื่องจากแรงที่ทำให้แบริ่งหลุดออกมาได้ เกิดจากแรงกระทำภายนอกและการขยายตัวจากความร้อนของชิ้นงานเอง ซึ่งเราสามารถหาคำตอบได้โดยใช้การวิเคราะห์ความร้อนควบคู่กับการวิเคราะห์ แบบ Static โดยอันดับแรกให้เราวิเคราะห์ความร้อนที่เกิดขึ้นบนชิ้นงานก่อน จากนั้นจึงวิเคราะห์แรงจากภายนอก การขยายตัวจากความร้อนด้วยการวิเคราะห์แบบ Static
รูปที่ 13 รวมผลลัพธ์จากการวิเคราะห์ความร้อนและแรงกระทำจากภายนอก แล้ววิเคราะห์การบิดตัวของชิ้นงาน
