مراجعة موجزة عن تصميم وتصنيع المشتت الحراري

آخر تحديث: 09/01 ؛وقت القراءة: 6 دقائق

تقليل الحرارة

المشتت الحراري هو جهاز ديناميكي حراري يزيل الحرارة من الأنظمة الميكانيكية والكهربائية والإلكترونية.في العديد من الأجهزة والآلات ، من الضروري الحفاظ على نطاق درجة الحرارة ضمن حد معين للحفاظ على وظائف هذا الجهاز أو الجهاز.هنا يأتي دور المشتتات الحرارية.على سبيل المثال ، تحتاج الآلات الضخمة لجهاز الكمبيوتر المحمول في مختلف الصناعات إلى تبديد حرارته.لذا فكر في مدى انتشار استخدامه في عالم التكنولوجيا اليوم.تقوم المشتتات الحرارية بتبديد الحرارة عن طريق نقلها إلى وسط منظم ، مثل الهواء أو السائل ، ثم طرده من الجهاز ووسط النقل.

هذه المقالة سوف تذهب لفترة وجيزة من خلالعمل بالوعة الحرارة وخطوات التصميم وأساليب التصنيع.

عمل المشتت الحراري

يوفر قانون فورييه لنقل الحرارة ، والذي ينص على أن الحرارة تتدفق دائمًا من درجة حرارة عالية إلى متوسط ​​درجة حرارة منخفضة ، الأساس لكيفية عمل المشتت الحراري.بينما تنتج الأجهزة حرارة ، وهي أكثر سخونة من الهواء المحيط أو السائل ، فإنها تنقل هذه الحرارة عن طريق التوصيل أو الحمل الحراري أو الإشعاع أحيانًا إلى جهة اتصال أكثر برودة.

دعنا ننظر إلى مخطط التدفق أدناه للحصول على صورة واضحة لعمل المشتت الحراري ؛

مخطط التدفق لعمل المشتت الحراري

·   المشتتات الحرارية السلبية

تنقل المشتتات الحرارية السلبية بشكل طبيعي الحرارة الممتصة إلى الهواء المحيط بدون حمل حراري قوي ، مثل المروحة أو دوران الماء حولها.عادة ما تكون كبيرة الشكل وتحتوي على مجموعة زعانف معرضة للبيئة الخارجية.

·   المشتت الحراري النشط

يتكون المشتت الحراري النشط من مروحة أو منفاخ إضافي وسوائل معدة لإزالة الحرارة بخلاف الطريقة الطبيعية.يزيد هذا الإعداد الإضافي من عملية تبديد الحرارة بواسطة عملية الحمل القسري.على سبيل المثال ، عندما تعمل المروحة ، فإنها تزيد من سرعة الهواء وتنقل الحرارة بسرعة من المشتت الحراري إلى المحيط المحيط.

حساب المقاومة الحرارية

أثناء تصميم المشتت الحراري ، يتم حساب المقاومة الحرارية الكلية (R_hs) يلعب دورًا حيويًا في فهم الأداء والكفاءة المحتملة ، لذلك دعونا نرى كيف يمكن حسابها ؛

R_ح= (ت_j-T_a/ ف) - (ص_{ال- جي سي}) - ر_I

P = إجمالي الحرارة المشتتة

T_I= أقصى درجة حرارة تقاطع للجهاز عند 0 درجة مئوية.

R_{ال- جي سي}= تقاطع مع حالة المقاومة الحرارية

T_a= درجة حرارة الهواء المحيط عند⁰C.

R_I= مقاومة مادة الواجهة

R_أنا= (t / L x W x K._I)

ر = سمك مادة الواجهة

K_I= التوصيل الحراري لمادة الواجهة

L = طول مصدر الحرارة

W = عرض مصدر الحرارة

تصميم المشتت الحراري

هناك عدة خطوات في التصميم.دعونا نلقي نظرة على كل منهم باختصار.

1.          اختيار المواد

تعتبر الموصلية الحرارية إحدى الخصائص الأساسية لمادة المشتت الحراري لأنها تسمح بالنقل السريع للحرارة من مكون جهاز ساخن إلى الحوض والبيئة.

المادتان الأساسيتان المستخدمتان في صناعة المشتتات الحرارية هما النحاس وسبائك الألومنيوم.هذا لأن لديهم صفات ميكانيكية ممتازة مثل القوة ومقاومة التآكل والمتانة والتوصيل الحراري العالي.ومع ذلك ، على الرغم من أنها باهظة الثمن ، إلا أن الماس (2000 واط / م / كلفن) يمكن أن يكون المادة المثالية لمشتتات الحرارة في الأجهزة الإلكترونية عالية الأداء والدقة.

بالإضافة إلى الأجزاء الإلكترونية ، تنتج بطاريات الليثيوم أيون تبديدًا للحرارة أمرًا ضروريًا.في مثل هذه الحالة ، قد لا يكون النحاس أو الألومنيوم هو المواد المثلى للمشتت الحراري.

الحل الذي تقدمه صناعة السيارات لإدارة الحرارة هو مادة ألياف الكربون فائقة التوصيل.

2.          ترتيب الزعانف وتدفق الهواء

عامل آخر يؤثر على أداء المشتت الحراري هو وسيط المبرد ، والذي يؤثر بشكل كبير على معدل تبديد الحرارة.لذلك ، عند بناء المشتت الحراري ، فإن الشكل والحجم وترتيب الزعانف هي جوانب مهمة يجب مراعاتها.يعد استخدام تقنية التحسين البارامترى هو الخيار الأفضل للعثور على قيم المعلمات المثالية لمطابقة القيود المذكورة وتحقيق أهداف التصميم.

• قم بتحسين المسافة بين الزعانف لتحسين تدفق الهواء وتقليل المقاومة الحرارية.

• نظرًا لأن مساحة السطح الأكبر تزيد من التوصيل ونقل الحرارة بالحمل الحراري ، مما يساعد في تبديد الحرارة ، فكر في زيادة السماكة والارتفاع.

• قم بإنشاء طبقة حد حرارية أصغر ، وتم تصميم اتجاه تدفق الهواء بزاوية مثالية مع المشتت الحراري لزيادة كفاءة الزعانف.

• بعد إعداد تصميم الزعانف باستخدام CAD ، يمكنك محاكاة سيناريو نقل الحرارة لتحسين كفاءته.

3.          مرفق بالوعة الحرارة

تؤثر طريقة توصيل الحوض بعنصر تسخين الجهاز أيضًا على كيفية عمله.اختر أفضل طريقة توصيل تزيد من معدل نقل الحرارة إلى الحد الأقصى من الفواصل ، ومقاطع الزنبرك المسطحة ، والإيبوكسي ، وخيارات الشريط الحراري.

4.          واجهة حرارية

تلعب العيوب وخشونة سطح المشتت الحراري دورًا في زيادة المقاومة الحرارية بسبب انخفاض منطقة التلامس الحراري وضغط الواجهة.للتغلب على هذه المشكلة ، تعد مواد الواجهة الحرارية هي الخيار الأفضل.استخدام البوليمرات السائلة والشمع والألمنيوم والجرافيت والأشرطة على سطح المشتت الحراري وعنصر التسخين للأجهزة يقلل من المقاومة الحرارية.

5.          محاكاة

تعد محاكاة التصميم أمرًا مهمًا لرؤية أداء المشتت الحراري تقريبًا.تعطي المحاكاة الحاسوبية فكرة التحسين وتؤكد التصميم سواء كان مناسبًا للتطبيقات المطلوبة أم لا.

عملية تصنيع المشتت الحراري

بعد محاكاة تصميم أحواض الحرارة حراريًا ، تم تحويلها الآن للإنتاج.دعونا نرى بالتفصيل عملية التصنيع المختلفة ؛

1.          التصنيع باستخدام الحاسب الآلي

المشتت الحراري المصنوع من التصنيع باستخدام الحاسب الآلي

التصنيع باستخدام الحاسب الآليهي أفضل طريقة لتصنيع المشتتات الحرارية للأشكال المعقدة.يعطي هذا النهج الكثير من المرونة للمصممين.يتم استخدام كتلة كاملة من المعدن لإنشاء حوض حيث يتم قطع الزعانف المطلوبة بآلات CNC وثنيها من قاعدة الكتلة.ومع ذلك ، فهي طريقة مستهلكة للوقت وعالية التكلفة.

2.          النتوء

واحدة من أكثر العمليات شيوعًا لإنتاج المشتتات الحرارية هيقذف، والتي تنطوي على ضغط قضبان مادة الدكتايل الساخنة في قالب فولاذي عالي القوة لإنشاء زعانف صفائح.يتم استخدامها لمعظم تطبيقات التبريد التي تتضمن أحواض حرارية من الألومنيوم.بالطبع ، الألومنيوم هو المادة الأكثر استخدامًا لإنتاج المشتتات الحرارية.

بالوعة الحرارة مصنوعة من النتوء 

إنه إجراء غير مكلف ومباشر.يمكن استخدام المشتتات الحرارية في مجموعة متنوعة من بيئات التشغيل.ومع ذلك ، نظرًا للحد الأقصى من تقييد عرض البثق ، لا يمكن استخدامه مع المشتتات الحرارية ذات الزعانف العريضة.

3.          يصب

بالوعة الحرارة مصنوعة من الصب

في اليصببالوعة الحرارة ،الألومنيوموالنحاس والزنك هي المواد الشائعة.في هذه العملية ، يتم أولاً صهر سبائك المواد المختارة وحقنها في قالب المشتت الحراري مع بعض الضغط.بعد أن يتم تجميد المادة السائلة المحقونة في القالب ، يتم إطلاقها ، ويتم إجراء الحد الأدنى من المعالجة لإزالة أي عيوب سطحية.من الأفضل الحصول على أشكال معقدة بدرجة عالية من الدقة.

4.          تزوير الباردة

بالوعة الحرارة مصنوعة من تزوير بارد

إنها طريقة تصنيع أخرى عالية الدقة لأحواض الحرارة المناسبة للألمنيوم وسبائكه.على الرغم من أنه ينطبق أيضًا على النحاس والبرونز.تستخدم الطرق الباردة ضغطًا شديدًا وتشوه شكل المعدن في درجة حرارة الغرفة لإنشاء دبابيس دائرية وبيضاوية الشكل للمشتت الحراري.بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه لإنتاج زعانف ذات كثافة عالية ، مما يعزز نقل الحرارة في ظروف تدفق الهواء عالي السرعة.

5.          طباعة ثلاثية الأبعاد

ثلاثية الأبعاد مطبوعة بالوعة الحرارة

نتج تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد كطريقة لإنتاج المشتتات الحرارية عن التقدم التكنولوجي.تعد تقنيات دمج طبقة المسحوق وترسيب الطاقة الموجهة من أكثر الطريقتين شيوعًا في طباعة أحواض الحرارة.

6.          ختم

بالوعة الحرارة مصنوعة من ختم بارد 

الختمتستخدم الطريقة حيث يكون من الضروري إنشاء أنابيب حرارية داخل الزعانف.ثم يتم إنتاج الزعانف بالضغط على الأشرطة المعدنية.في الحالات التي يتم فيها استخدام تقنية الختم عالي السرعة ، تكون فعالة بشكل خاص في التصنيع بالجملة.ومع ذلك ، فإن السعر مرتفع.

خاتمة

تعتبر المشتتات الحرارية ضرورية في الأجهزة الميكانيكية والكهربائية والإلكترونية.في هذه المقالة ، قمت بإلقاء نظرة عامة على عملية التصميم التفصيلية والتصنيع الذي يركز على الأجهزة الإلكترونية.يؤثر تصميم المشتتات الحرارية بشكل كبير على معدل تبديد الحرارة ، لذا فإن كل خطوة تصميم مهمة يجب اتباعها لتحسين الأداء.علاوة على ذلك ، تساعد المحاكاة الحرارية بعد التصميم على فهم سيناريو العمل العملي وتحسين التصميم.

هنا في ProleanHub ، لدينا مصممين يتمتعون بأكثر من عقد من الخبرة ووحدات تصنيع متقدمة.نحن نقدم خدمات تصميم وتصنيع بالوعة الحرارة من الدرجة الأولى.بالإضافة إلى ذلك ، يقوم مهندسونا الميكانيكيون بمحاكاة التصميم لتحسين الوظائف والأداء.أخيرًا ، يراقب قسم مراقبة الجودة لدينا كل خطوة من خطوات التصنيع ، لذلك لا يتعين عليك التنازل عن جودة الخدمة لدينا ، إذا كنت بحاجة إلى تصنيع المشتت الحراري ، فقطاتصل بنا.

التعليمات

كيف يمكنني تحسين كفاءة المشتتات الحرارية؟

يمكن زيادة الكفاءة بعدة طرق ، بما في ذلك تقليل مقاومة الحرارة ، وتحسين حجم الزعانف وشكلها وترتيبها ، وتحسين واجهة الزعنفة.

ما هي أفضل مادة للمشتتات الحرارية؟

أفضل المواد للمشتتات الحرارية هي النحاس وسبائك الألومنيوم.مرة أخرى ، على الرغم من ذلك ، يعتمد معدل نقل الحرارة على تصميم المشتت الحراري.

كيف يعمل المشتت الحراري؟

تصنع أحواض الحرارة من مواد عالية التوصيل الحراري مثل النحاس والألمنيوم بزعانف.يتم توصيله بالمكونات الساخنة ويمتص الحرارة.ثم تتبدد الحرارة الممتصة في البيئة المحيطة من خلال التوصيل أو الحمل الحراري أو الإشعاع.

ما هي خطوات تصميم المشتتات الحرارية؟

فيما يلي الخطوات ؛

1. اختيار المواد
2. تحديد شكل وحجم وترتيب الزعانف
3. تثبيت المرفق (المشتت الحراري ومكون الجهاز)
4. الربط الحراري للزعانف
5. المحاكاة الحرارية لتصميم CAD

ما هي طرق التصنيع الشائعة للمشتت الحراري؟

يعد التصنيع باستخدام الحاسب الآلي ، والصب ، والتزوير ، والختم ، والطباعة ثلاثية الأبعاد من الأساليب الشائعة.