كيفية تصميم المشتت الحراري المسطح

المشتت الحراري هو مكون يقوم بتوصيل الحرارة من مكون ساخن إلى مساحة سطح أكبر من أجل تبديد الحرارة في البيئة المحيطة، وبالتالي تقليل درجة حرارة المكون. وفقًا لهذا التعريف، يمكن استخدام كل شيء بدءًا من الصفائح المعدنية المستطيلة وحتى زعانف بثق النحاس أو الألومنيوم المعقدة كمشتتات حرارية. يمكن استخدام ألواح الألمنيوم أو النحاس تبدد الحرارة بشكل فعال عندما تكون المساحة كافية و/أو يكون خرج الحرارة المكون منخفضًا. كما هو موضح في الشكل 1، يمكن أن يكون الرادياتير عبارة عن لوحة مسطحة بسيطة أو جدار معدني لعنصر السكن.

الشكل 1. أبعاد المبرد المسطحة

لتقدير حجم المبرد المسطح، من الضروري تحديد مسار تدفق الحرارة إلى البيئة المحيطة ومقدار مقاومة ذلك المسار لتدفق الحرارة. سيتم استخدام دائرة المقاومة الحرارية الموضحة في الشكل 2 لتمثيل مسار تدفق الحرارة. دعونا نفحص كل عنصر من عناصر المقاومة الحرارية:

الشكل 2. دائرة المقاومة الحرارية للمشتت الحراري المسطح

المقاومة الحرارية من التقاطع إلى السكن:

تشير المقاومة الحرارية من العقدة إلى الغلاف (R th-jc ) إلى المقاومة الحرارية من جزء العمل لجهاز أشباه الموصلات إلى السطح الخارجي للحزمة (المبيت) الذي سيتم تركيب المشتت الحراري عليه. تعتبر درجة حرارة السكن درجة حرارة ثابتة في جميع أنحاء السطح الملحق. عادةً ما تكون R th-jc قيمة قياس توفرها الشركة المصنعة للجهاز ويتم الإشارة إليها في ورقة بيانات الجهاز.

مقاومة الاتصال الحراري ومقاومة الواجهة الحرارية:

تشير المقاومة الحرارية التلامسية (R cont ) إلى المقاومة الحرارية بين الهيكل والمشتت الحراري. كما هو موضح في الشكل 3، تكون منطقة التلامس الفعلية أصغر من منطقة التلامس الظاهرة بسبب عيوب في سطح المبيت والرادياتير. تم اقتراح نموذج رياضي يعتمد على ضغط التلامس وخشونة سطح المادة وصلادة المادة لحساب R cont . يمكن أن تكون هذه النماذج معقدة للغاية، وقد يكون من الصعب الحصول على معلومات حول سطح المادة وصلابتها. عادةً، يتم تحديد R cont بناءً على البيانات التجريبية والخبرة السابقة.

الشكل 3. المقاومة الحرارية من جهات الاتصال والواجهات والوصلات إلى الحالة

لتقليل تأثير مادة الواجهة R cont ، استخدمنا مادة تملأ الفجوة بين الهيكل والرادياتير. وتشمل أنواع هذه المواد الشحوم الحرارية الخاصة، ومركبات الحشو، والوسادات الحرارية المتغيرة الطور، والشريط الحراري. تتراوح الموصلية الحرارية لهذه المواد عادة بين 0.5 وات/م ك و 4 وات/م ك. نظرًا لأن الفجوة بين سطحي التزاوج يتم ملؤها بمادة السطح البيني الحراري، فإن المقاومة الحرارية بين الغلاف والمشتت الحراري هي دالة للسمك والتوصيل الحراري ومساحة سطح مادة السطح البيني الحراري، كما هو موضح في الصيغة 1:

t: سمك مادة الواجهة الحرارية

ك: التوصيل الحراري لمواد الواجهة الحرارية

ج: منطقة اتصال واضحة

يرجى ملاحظة أن التوصيل الحراري للعديد من مواد الواجهة الحرارية يختلف باختلاف ضغط التثبيت. عادة ما يقدم المصنعون هذه البيانات في ورقة مواصفات المنتج.

المقاومة الحرارية للانتشار:

مقاومة الانتشار الحراري (R sp ) هي نتيجة لتدفق الحرارة من خلال التوصيل بين منطقة تلامس القشرة على سطح اللوحة ومساحة سطح التبريد الأكبر للوحة. لي وآخرون. [1] أنشأ معادلة مغلقة لـ R sp . توفر هذه المعادلات تقديرات تقريبية جدًا للحلول الدقيقة، ولكن لن يتم مناقشتها هنا بسبب تعقيد الحسابات المطلوبة.

الخطوة الأولى في استخدام معادلة لي هي تحويل أبعاد السطحين المستطيلين المتفاعلين إلى أنصاف أقطار مكافئة باستخدام المعادلتين 2 و3.

R sp باستخدام الصيغة التالية: يمكن بعد ذلك حساب

هنا:

h eff : معامل الحمل الحراري الفعال للوحة

انظر المعادلة 18 لحساب h eff.

k p : التوصيل الحراري للوحة

المقاومة الحرارية الحمل:

المقاومة الحرارية للحمل الحراري هي الدرجة التي يتم بها إزالة الحرارة من سطح اللوحة عن طريق حركة الهواء. بالنسبة للوحة العمودية المسخنة ذات الحمل الحراري الطبيعي، فإن رقم نسلت بدون أبعاد (Nu) [2] مشتق من المعادلة 11. رقم نسلت هو متغير بدون أبعاد يستخدم في حسابات الحمل الحراري.

هنا:

يتم حساب متوسط ​​معامل الحمل الحراري بالمعادلة 14. المقاومة الحرارية للحمل الحراري R conv هي دالة لمساحة سطح اللوحة A p ومتوسط ​​معامل الحمل الحراري، المحسوب بالمعادلة 15. لاحظ أن مساحة سطح اللوحة لا تشمل المساحة الناتجة عن سمك اللوحة، لأن هذا أصغر بكثير من مساحة السطح الأمامي والخلفي.

هنا:

k الهواء : تم تقييم التوصيل الحراري للهواء عند متوسط ​​T

المقاومة الحرارية للإشعاع:

المقاومة الحرارية بسبب الإشعاع تعطى بالمعادلة 16.

هنا:

من المفترض أن تشع اللوحة الحرارة إلى السطح الأكبر المحيط بها، لذلك يمكن النظر إلى البيئة المحيطة على أنها مشعاع مثالي أو جسم أسود. في بعض الحالات، قد تختلف درجة حرارة السطح المحيط عن درجة حرارة الهواء المحيط. في هذه الحالة، يجب استبدال T amb في الصيغة 15 بدرجة حرارة السطح المحيط.

معامل الحمل الحراري الفعال h eff ، والذي يستخدم لحساب مقاومة الانتشار الحراري، مشتق من المعادلة 18.

لا يمكن حل قيم R rad و R conv و R sp مباشرة لأنها دالة لدرجة حرارة سطح اللوحة T s. بافتراض أن كل الحرارة المتولدة من مصدر الحرارة تتبدد بواسطة المبرد المسطح، فإن معادلة توازن الطاقة هي المعادلة 19.

هنا:

س: الحرارة الناتجة عن مصدر الحرارة

يمكن حساب T s باستخدام الحلول الرقمية في معظم برامج الرياضيات أو وظيفة 'Target Search' في Excel.

عندما تكون جميع المقاومات الحرارية معروفة، يمكن تبسيط الدائرة الحرارية الموضحة في الشكل 2 إلى مقاومة حرارية واحدة من الوصلة إلى البيئة المحيطة R j-a باستخدام المعادلة 20.

وأخيرا، يمكن العثور على درجة حرارة الوصلة أو مصدر الحرارة باستخدام المعادلة 21.

لبالوعات الحرارة المتنوعة، تتمتع Winshare Thermal Energy بقدرات تخصيص احترافية وأسواق تطبيقات متنوعة، ويمكنها تخصيص منتجات التبريد لأنظمة مختلفة للعملاء. في غضون ذلك، سنأخذ العديد من العوامل في الاعتبار عند تصميم الرادياتير ونستمر في تحسين تصميم الرادياتير وتحسينه. إذا كانت لديك أي أسئلة أخرى حول المشتتات الحرارية أو كنت بحاجة إلى حل تبريد مناسب لشركتك، فلا تتردد في ترك تعليق أو الاتصال بـ Winshare عبر البريد الإلكتروني.