مبدأ التصميم الحراري لإمدادات الطاقة عالية الطاقة

1. لماذا تحتاج المنتجات الإلكترونية إلى حل حراري

رقاقات المنتجات الإلكترونية متكاملة للغاية ، مع متطلبات وظيفية أكثر فأكثر ومتطلبات حجم أصغر وأصغر. تتطور مكونات اليوم بسرعة نحو التصغير والوظائف العالية والكفاءة العالية. سوف تولد المكونات عالية الأداء الكثير من الحرارة بسرعات عالية ، ويجب إزالة هذه الحرارة على الفور لضمان أن المكونات يمكن أن تعمل في درجات حرارة التشغيل العادية. تعمل بأعلى كفاءة. لذلك ، فإن التكنولوجيا ذات الصلة للتوصيل الحراري تواجه تحديًا مستمرًا مع تطور الصناعة الإلكترونية.

2. أنواع مواد المشتت الحراري:

الذهب ، الفضة ، الحديد ، النحاس ، الألومنيوم ، سبائك الألومنيوم ، صفائح السيليكون ، إلخ.

3. مبدأ تبديد الحرارة

يتضمن شكل تبديد الحرارة للرادياتير بشكل أساسي الإشعاع والحمل الحراري.

انتقال الحرارة بالإشعاع: تنتقل الطاقة الحرارية على شكل إشعاع ، بدون أي وسيط ، يمكن أن تنتقل في حالة فراغ ، مثل الطاقة الحرارية للشمس تنتقل إلى الأرض عبر الكون.

نقل الحرارة بالحمل الحراري: تنتقل الطاقة الحرارية عبر الهواء أو وسائط أخرى ، مثل مشعات الحمل الحراري لتسخين الهواء. يقوم الهواء بتسخين كل شيء في الغرفة ، وتعتمد حركة الهواء بشكل أساسي على حركة الهواء لنشر الطاقة الحرارية.

تشير مشعات الإشعاع بالمعنى التقليدي إلى المشعات التي تمثل حصة نسبية من إجمالي تبديد الحرارة. في الوقت الحاضر ، المشعات الأكثر شيوعًا هي الحديد الزهر ، مشعات العمود الفولاذي ، مشعات النحاس والألمنيوم المركبة. وهكذا ، من بينها ، تمثل الطاقة الحرارية المنقولة عن طريق الإشعاع 30 بالمائة فقط ، و 70 بالمائة الأخرى من الطاقة الحرارية تنتقل بالحمل الحراري. المبرد الحراري عبارة عن مشعاع بدون تبادل حراري للإشعاع (أو صغير جدًا) ، مثل المبرد الحراري ذي الأنبوب النحاسي المقلي. يسخن بشكل مريح وأسرع من المبرد المشع.

ب. تشمل طرق تبديد الحرارة تبديد الحرارة بالإشعاع ، وتبديد الحرارة بالتوصيل ، وتبديد الحرارة بالحمل الحراري ، وتبديد الحرارة بالتبخير.

يتم توزيع الحرارة الناتجة عن مختلف أنسجة وأعضاء الجسم بالتساوي على جميع أجزاء الجسم جنبًا إلى جنب مع الدورة الدموية. عندما يتدفق الدم عبر الأوعية الدموية للجلد ، يتبدد الجلد 90٪ من الحرارة الكلية ، وبالتالي فإن الجلد هو الجزء الرئيسي من الجسم لتبديد الحرارة. كما يوجد جزء صغير من الحرارة التي تتبدد من الجسم عبر الرئتين والكلى والجهاز الهضمي مع التنفس والبول والبراز.

(1) طريقة تبديد الحرارة - الطريقة الفيزيائية بشكل أساسي

1. الإشعاع الإشعاعي يعني أن الجسم يبدد الحرارة بإصدار الأشعة تحت الحمراء. عندما تكون درجة حرارة الجلد أعلى من درجة الحرارة المحيطة ، تتبدد حرارة الجسم بالإشعاع. يرتبط تبديد الحرارة بالإشعاع بعوامل مثل درجة حرارة الجلد ودرجة الحرارة المحيطة ومنطقة الإشعاع الفعالة في الجسم. بشكل عام ، يمثل تبديد الحرارة الإشعاعي 40 بالمائة من إجمالي تبديد الحرارة. بالطبع ، إذا كانت درجة الحرارة المحيطة أعلى من درجة حرارة الجلد ، فإن الجسم سيمتص الحرارة المشعة. يعمل عمال الصلب أمام الأفران ، كما يعمل المزارعون في الحقول تحت أشعة الشمس في الصيف الحار.

2. التوصيل والتوصيل بالحمل الحراري هي الطريقة التي يبدد بها الجسم الحرارة عن طريق نقل الطاقة الحركية الجزيئية. عندما يكون جسم الإنسان على اتصال مباشر بأشياء أكثر برودة من الجلد (مثل الملابس والأسرة والكراسي وما إلى ذلك) ، تنتقل الحرارة من الجسم إلى هذه الأشياء. سريريًا ، يستخدم استخدام أغطية الجليد ، وأكياس الثلج ، وطرق أخرى لتبريد المرضى المصابين بارتفاع درجة الحرارة ، هذا المبدأ.

ج ، التبادل الحراري بين المبرد والبيئة

بعد نقل الحرارة إلى الجزء العلوي من المبرد ، من الضروري تبديد الحرارة المنقولة إلى البيئة المحيطة في أسرع وقت ممكن. بالنسبة للرادياتير المبرد بالهواء ، يجب تبادل الحرارة مع الهواء المحيط. في هذا الوقت ، يتم نقل الحرارة بين وسيطين مختلفين ، والصيغة المتبعة هي Q=XAX ΔT ، حيث ΔT هو فرق درجة الحرارة بين الوسيطتين ، أي اختلاف درجة الحرارة بين المبرد والهواء المحيط ؛ وهو اختلاف درجة حرارة السائل. الموصلية الحرارية ، بعد تحديد مادة المشتت الحراري وتكوين الهواء ، تكون قيمة ثابتة ؛ أهمها منطقة التلامس بين المشتت الحراري والهواء. في ظل فرضية أن الظروف الأخرى تظل دون تغيير ، مثل حجم المشتت الحراري ، سيكون هناك بشكل عام ، عن طريق تغيير شكل المبرد ، وزيادة منطقة التلامس مع الهواء وزيادة منطقة التبادل الحراري ، فهو فعال يعني تحسين كفاءة تبديد الحرارة. لتحقيق ذلك ، يتم زيادة مساحة السطح بشكل عام عن طريق تصميم الزعانف المكملة بخشونة السطح أو الخيوط.

بعد انتقال الحرارة إلى الهواء ، سترتفع درجة حرارة الهواء الملامس للمشتت الحراري بسرعة. في هذا الوقت ، يجب أن يزيل الهواء الساخن الحرارة قدر الإمكان مع الهواء البارد المحيط من خلال التبادل الحراري مثل الحمل الحراري. بالنسبة للمشعات المبردة بالهواء ، فإن أهم وسيلة هي زيادة سرعة تدفق الهواء واستخدام مروحة لتحقيق الحمل الحراري القسري. يرتبط هذا بشكل أساسي بتصميم المروحة وسرعة الرياح. تعتمد كفاءة مروحة المبرد (مثل التدفق وضغط الرياح) بشكل أساسي على قطر شفرة المروحة والطول المحوري وسرعة المروحة وشكل شفرة المروحة. يكون تدفق المروحة في الغالب في CFM (النظام الإمبراطوري ، قدم مكعبة / دقيقة) ، و CFM حوالي 0. 028mm3 / min تدفق.

مشعاع ألومنيوم نقي

المبرد المصنوع من الألمنيوم النقي هو المبرد الأكثر شيوعًا في الأيام الأولى. عملية التصنيع بسيطة والتكلفة منخفضة. حتى الآن ، لا يزال المبرد المصنوع من الألمنيوم النقي يحتل جزءًا كبيرًا من السوق. من أجل زيادة مساحة تبديد الحرارة لزعانفها ، فإن طريقة المعالجة الأكثر شيوعًا لمشعات الألمنيوم النقي هي تقنية بثق الألمنيوم ، والمؤشرات الرئيسية لتقييم مشعاع الألمنيوم النقي هي سمك قاعدة المبرد ونسبة Pin-Fin . يشير الدبوس إلى ارتفاع زعانف المشتت الحراري ، ويشير الزعنفة إلى المسافة بين زعنفتين متجاورتين. نسبة Pin-Fin هي ارتفاع الدبوس (باستثناء سمك القاعدة) مقسومًا على الزعنفة. كلما كانت نسبة Pin-Fin أكبر ، زادت مساحة تبديد الحرارة الفعالة للرادياتير ، وكلما كانت تقنية بثق الألومنيوم أكثر تقدمًا.

مبرد نحاسي نقي

تبلغ الموصلية الحرارية للنحاس 1.69 ضعفًا للألمنيوم ، لذلك في ظل فرضية الظروف الأخرى ، يمكن للمشتتات الحرارية المصنوعة من النحاس النقي أن تأخذ الحرارة بعيدًا عن مصدر الحرارة بشكل أسرع. ومع ذلك ، فإن نسيج النحاس يمثل مشكلة. العديد من "أحواض الحرارة النحاسية النقية" المُعلن عنها ليست في الحقيقة نحاسًا بنسبة 100 بالمائة. في قائمة النحاس ، يُطلق على تلك التي تحتوي على أكثر من 99 في المائة من النحاس النحاس الخالي من الأحماض ، والدرجة التالية من النحاس هي دان النحاس مع محتوى نحاسي أقل من 85 في المائة. تحتوي معظم أحواض الحرارة النحاسية النقية الموجودة في السوق حاليًا على محتوى نحاسي بين الاثنين. لا يصل محتوى النحاس في بعض مشعات النحاس النقي الرديئة حتى إلى 85 بالمائة. على الرغم من أن التكلفة منخفضة للغاية ، إلا أن الموصلية الحرارية لها تقل بشكل كبير ، مما يؤثر على تبديد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي النحاس أيضًا على أوجه قصور واضحة ، مثل التكلفة العالية ، والمعالجة الصعبة ، والكثير من كتلة المشتت الحراري ، مما يعيق تطبيق أحواض الحرارة المصنوعة من النحاس بالكامل. صلابة النحاس الأحمر ليست جيدة مثل سبائك الألومنيوم AL6063 ، وأداء بعض المعالجات الميكانيكية (مثل الحز) ليس بجودة تلك الخاصة بالألمنيوم ؛ نقطة انصهار النحاس أعلى بكثير من تلك الخاصة بالألمنيوم ، وهو ما لا يؤدي إلى تشكيل البثق (ExtrusiON) وما إلى ذلك.

على الرغم من أن مواد المشتت الحراري الأكثر شيوعًا هي النحاس وسبائك الألومنيوم ، إلا أن سبائك الألومنيوم سهلة المعالجة ومنخفضة التكلفة ، وهي أكثر المواد استخدامًا. تجعل الموصلية الحرارية العالية للنحاس قدرته على امتصاص الحرارة اللحظية أفضل من سبائك الألومنيوم. تكون السرعة أبطأ من سرعة سبائك الألومنيوم. لذلك ، بغض النظر عن النحاس النقي أو الألومنيوم النقي أو المبرد المصنوع من سبائك الألومنيوم ، فهناك عيب فادح: لأنه يتم استخدام مادة واحدة فقط ، على الرغم من أن قدرة تبديد الحرارة الأساسية يمكن أن تلبي احتياجات تبديد الحرارة المعتدل ، إلا أنها لا تستطيع موازنة التوصيل الحراري بشكل جيد . متطلبان من السعة والسعة الحرارية غارقة إلى حد ما في المناسبات ذات متطلبات تبديد الحرارة العالية.

تقنية ربط النحاس والألمنيوم

بعد النظر في أوجه القصور ذات الصلة في النحاس والألمنيوم ، غالبًا ما تستخدم بعض المشعات المتطورة في السوق عمليات تصنيع توليفة من النحاس والألمنيوم. عادةً ما تستخدم أحواض الحرارة هذه قواعد معدنية نحاسية ، بينما زعانف المشتت الحراري مصنوعة من سبائك الألومنيوم. بالطبع ، بالإضافة إلى القاعدة النحاسية ، هناك أيضًا طرق مثل استخدام الأعمدة النحاسية للمشتت الحراري ، وهو نفس المبدأ أيضًا. مع الموصلية الحرارية العالية ، يمكن أن يمتص السطح السفلي النحاسي الحرارة الصادرة عن وحدة المعالجة المركزية بسرعة ؛ يمكن تصنيع زعانف الألمنيوم في الشكل الأكثر ملاءمة لتبديد الحرارة عن طريق العمليات المعقدة ، وتوفير مساحة تخزين حرارة كبيرة وإطلاقها بسرعة. تم العثور على توازن في جميع الجوانب.

تتبدد الحرارة من قلب وحدة المعالجة المركزية إلى سطح المشتت الحراري ، وهي عملية توصيل حراري. بالنسبة لقاعدة المشتت الحراري ، نظرًا لأنها على اتصال مباشر بمنطقة صغيرة ذات مصدر حرارة مرتفع ، فمن الضروري أن تتمكن القاعدة من نقل الحرارة بعيدًا بسرعة. إن استخدام المواد ذات الموصلية الحرارية العالية للمشتت الحراري مفيد جدًا لتحسين التوصيل الحراري. يمكن أن نرى من جدول المقارنة لنظام التوصيل الحراري ، على سبيل المثال ، الموصلية الحرارية للألمنيوم تبلغ 237 واط / مللي كلفن ، والتوصيل الحراري للنحاس هو 401 واط / مللي كلفن. بمقارنة مشعات من نفس الحجم ، يكون وزن النحاس 3 أضعاف وزن الألمنيوم ، بينما تكون الحرارة النوعية للألمنيوم 3 أضعاف. إنه 2.3 مرة فقط من النحاس ، لذلك تحت نفس الحجم ، يمكن للرادياتير النحاسي أن يحتفظ بالحرارة أكثر من المبرد المصنوع من الألمنيوم وأن يسخن بشكل أبطأ. بنفس سماكة قاعدة المشتت الحراري ، لا يستطيع النحاس إزالة درجة حرارة مصادر الحرارة بسرعة مثل قالب وحدة المعالجة المركزية فحسب ، ولكن أيضًا ارتفاع درجة الحرارة الخاص به يكون أبطأ من ارتفاع أحواض الحرارة المصنوعة من الألومنيوم. لذلك ، يعتبر النحاس أكثر ملاءمة لصنع السطح السفلي للمشتت الحراري.

ومع ذلك ، فإن الجمع بين هذين المعدنين صعب نسبيًا ، كما أن التقارب بين النحاس والألمنيوم ضعيف. المقاومة الحرارية). في التصميم والتصنيع الفعليين ، يحاول المصنعون دائمًا تقليل المقاومة الحرارية للواجهة قدر الإمكان وتجنب نقاط الضعف ، والتي غالبًا ما تعكس قدرات التصميم وعمليات التصنيع الخاصة بالشركة المصنعة.

4. الوسط الحراري - هلام السيليكا الموصّل حرارياً.

أ. ما هي المقاومة الحرارية؟

تشير "المقاومة الحرارية" (المقاومة الحرارية) إلى معامل شامل يعكس القدرة على منع انتقال الحرارة. مفهوم المقاومة الحرارية مشابه جدًا لمفهوم المقاومة ، والوحدة متشابهة أيضًا - درجة / W ، أي فرق درجة الحرارة بين طرفي مسار التوصيل الحراري عندما تكون طاقة نقل الحرارة المستمرة للكائن 1W .

ب. المقاومة الحرارية للهواء هي الأكبر في الطبيعة وقيمتها قريبة من 0. 03W / mK؛

ج. املأ الفجوة بين جسم التسخين والمشتت الحراري المعدني لتقليل الهواء ، بحيث يُظهر جسم التسخين والمشتت الحراري تبديدًا مباشرًا للحرارة بالحمل الحراري.

د. يمكن لصفائح السيليكون الموصلة حراريًا أيضًا تبديد الحرارة بشكل غير مباشر ، أي أنها تتعرض للخارج ، لذلك تسمى بالوعة الحرارة.

Sinda Thermal هي شركة رائدة في تصنيع المشتتات الحرارية ، فنحن نملك فريقًا من الخبراء الحراريين والعديد من المرافق والمعدات الدقيقة ، ويمكننا الاستغناء عن أفضل الأسعار التنافسية والمشتتات الحرارية عالية الجودة. يرجى الاتصال بنا بحرية إذا كان لديك أي متطلبات حرارية.