إن الإدارة الحرارية المناسبة ضرورية لتعظيم كفاءة الأجهزة الإلكترونية وإطالة عمرها. ومع عمل المكونات باستمرار، فإن توليد الحرارة هو جانب يجب الاهتمام به لتجنب أي عطل أثناء تشغيل الجهاز. تعتبر مشعات الحرارة محورية، وستكون وظيفتها في ظل ارتفاع درجة الحرارة المعتدل سببًا في الحفاظ على الاستقرار التشغيلي. ومع ذلك، لا ينبغي أن يكون اختيارها تعسفيًا نظرًا لأن ليس كل بالوعة الحرارة تخدم المواد المختلفة نفس الغرض. توفر المواد المختلفة مستويات مختلفة من التوصيل الحراري والقدرة على تحمل ظروف معينة. يركز هذا الدليل على مادة المشتت الحراري الأكثر استخدامًا ويساعد المستخدمين في اتخاذ القرار الأكثر ملاءمة بناءً على متطلباتهم. سنلاحظ مزايا وعيوب وتطبيقات هذه المواد المستهدفة، بدءًا من النحاس والألمنيوم إلى جانب مواد أخرى. في الختام، سيفهم القارئ كيفية اختيار مادة المشتت الحراري الأكثر استخدامًا. مادة المشتت الحراري الذي يلبي أهداف الأداء والتصميم المطلوبة.
ما هي المواد الرئيسية المستخدمة في تبديد الحرارة؟
الامونيوم
- نظرًا لفعالية الألومنيوم من حيث التكلفة وخفة وزنه الرائعة إلى جانب موصليته الحرارية الرائعة، فهو أحد أكثر المواد المستخدمة في مشعات التدفئة. وهو يعمل بشكل مثالي في التطبيقات التي تتطلب تبديدًا فعالًا للحرارة مع إضافة القليل من الوزن.
النحاس
- النحاس أكثر توصيلاً للحرارة من الألومنيوم، وهذا هو السبب وراء تفضيله في تطبيقات نقل الحرارة عالية الأداء. ولأن النحاس أكثر توصيلاً للحرارة من الألومنيوم، فإن استخدامه يأتي على حساب وزنه الثقيل وأسعاره المرتفعة.
مزيج من الألومنيوم والنحاس
- تستخدم بعض مشعات الحرارة مزيجًا من الألومنيوم والنحاس لتحقيق التوازن بين الأداء الحراري والوزن والتكلفة. لتحقيق أقصى قدر من نقل الحرارة، غالبًا ما يتم وضع النحاس في القاعدة، بينما تضمن زعانف الألومنيوم بقاء الهيكل خفيف الوزن.
يتم الاختيار من بين هذه المواد اعتمادًا على أداء التطبيق المطلوب والتكاليف وأهداف الوزن.
فهم النحاس وفوائده
نظرًا لأدائه المتميز كموصل للحرارة والكهرباء، يعتبر النحاس أحد أكثر المواد الأساسية المستخدمة في الهندسة والتكنولوجيا. فيما يلي ملخص للمزايا الأساسية للنحاس:
الموصلية الحرارية العالية
- في نطاق درجة الحرارة العادية، يتمتع النحاس بموصلية حرارية تبلغ حوالي 400 وات/متر·كلفن؛ وبسبب موصليته الحرارية العالية، يعد النحاس مفيدًا للغاية لصناعة الإلكترونيات لاستخدامه في مشعات التدفئة وأنظمة التبريد، حيث يكون إزالة الحرارة بكفاءة أمرًا إلزاميًا.
الموصلية الكهربائية الفائقة
- النحاس، الذي يتمتع بقيمة توصيل مذهلة تبلغ 59.6 × 10⁶ S/m، هو أحد أفضل المواد الموصلة المعروفة. هذه الخاصية التي يتمتع بها النحاس لها أهمية قصوى في الأسلاك الكهربائية ونقل الطاقة والحماية الكهرومغناطيسية.
المقاومة للتآكل
- لا يؤثر التآكل على متانة المكونات المصنوعة من النحاس إلا قليلاً أو لا يؤثر عليها على الإطلاق. وهذا الميل الطبيعي للنحاس يجعله مناسبًا تمامًا للمعدات الكهربائية الخارجية وأنظمة السباكة، حيث يعزز من متانة الأجهزة وعمرها الافتراضي، وخاصة في الظروف القاسية للغاية.
ليونة و ليونة
- يتمتع النحاس بالقدرة على الشد والسحب، مما يسمح بتشكيله إلى أسلاك رفيعة أو أشكال هندسية معقدة دون أن ينكسر. وهذه الخصائص مهمة للتطبيقات المتقدمة عمليات التصنيع في الصناعات مثل الإلكترونيات والاتصالات.
عمل مضاد للميكروبات
- كما ذكرنا سابقًا، تتمتع الأسطح النحاسية بخصائص مضادة للميكروبات قوية حيث تعمل على تقليل الميكروبات الضارة بشكل كبير. يتم اعتماد هذه الخاصية بشكل متزايد في المرافق الصحية لمكافحة العدوى من خلال توفير أسطح صحية.
قابلية إعادة التدوير
- النحاس صديق للبيئة لأنه يمكن إعادة تدويره بنسبة 100% دون تدهور خصائصه بفعل الزجاج. ويمكن ملاحظة دوره في التصنيع المستدام حيث يتم إعادة تدوير ما يقرب من 65% من إجمالي النحاس المستخدم اليوم.
مرتفع ذوبان نقطة
- يُعد النحاس مناسبًا للتطبيقات ذات نقطة الانصهار العالية حيث تبلغ نقطة انصهاره حوالي 1,085 درجة مئوية أو 1,984 درجة فهرنهايت. قد تفشل مواد أخرى، على سبيل المثال في الأنظمة الصناعية والمحركات عالية الأداء.
توضح هذه السمات تنوع وكفاءة النحاس في الإلكترونيات والبناء والطاقة والنقل والرعاية الصحية والعديد من القطاعات الأخرى. إن الجمع بين الأداء والموثوقية والاستدامة يجعله مادة مفضلة للتطبيقات الحرجة.
استكشاف الألومنيوم كمواد مبددة للحرارة
يتمتع الألومنيوم بإمكانات مذهلة في تبديد الحرارة، مما يجعله مرشحًا جيدًا لتطبيقات المشتتات الحرارية. تتراوح موصليته الحرارية من 150 إلى 235 واط/(م·ك)، اعتمادًا على السبائك، مما يعزز قدرته على نقل الحرارة، وبالتالي الحفاظ على الأنظمة والمكونات عاملة وباردة. علاوة على ذلك، فإن كثافته المنخفضة التي تبلغ حوالي 2.7 جم/سم³ تجعل المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم خفيفة الوزن، وهو أمر مهم في صناعة الطيران وللأجهزة الإلكترونية المحمولة حيث يكون تقليل الوزن أمرًا بالغ الأهمية.
من بين مزايا الألومنيوم قابليته الممتازة للتشغيل الآلي والسحب. ويمكن بسهولة تشكيله بالبثق أو الصب أو الختم في أشكال هندسية معقدة تزيد من مساحة السطح وتعزز تبديد الحرارة. على سبيل المثال، تعمل الهياكل ذات الزعانف المبثوقة على مشعات حرارية من الألومنيوم على تعظيم معدل الحمل الحراري وتساعد في تبريد الجهاز. وعلاوة على ذلك، تعمل معالجة السطح المؤكسدة المعززة على تحسين مقاومة التآكل للمادة، مما يساعد على تحسين المتانة في البيئات الأكثر قسوة.
إن فعالية تكلفة هذه المادة هي سبب آخر لشعبية الألومنيوم المتزايدة. إن الحصول على الألومنيوم أرخص بكثير من البدائل مثل النحاس مما يجعل الحصول عليه أسهل. الإنتاج بكثافة الإنتاج بكميات ضخمةتعتبر الموصلية الحرارية للألمنيوم أقل قليلاً من الموصلية الحرارية للنحاس، ولكن حقيقة أنه خفيف الوزن ويمكن تعديله بسهولة تساعد في كثير من الأحيان على التخفيف من هذا العيب في العديد من المواقف.
يُعد الألومنيوم الآن مادة شائعة الاستخدام في أجهزة الإضاءة LED والمعالجات والوحدات عالية الطاقة نظرًا لخصائصه الحرارية والبنيوية الجيدة وتكلفته المنخفضة. إن مزيجه الفريد من حيث التكلفة المنخفضة والأداء العالي والقدرات المتعددة الوظائف يجعله المادة الأكثر تفضيلاً لحلول الإدارة الحرارية في العديد من الصناعات المختلفة.
مقارنة التوصيل الحراري بين المواد
تعتبر الموصلية الحرارية للمواد من الخصائص المهمة للمواد المستخدمة في التطبيقات التي يتم التحكم فيها حرارياً. فهي تقيس قدرة المادة على نقل الحرارة، والتي تقاس بالواط لكل متر كلفن (W/m·K). إن معرفة كيفية توصيل المواد المختلفة للحرارة أمر بالغ الأهمية في اختيار أفضل مادة مناسبة في مجموعة متنوعة من المجالات بما في ذلك الإلكترونيات والبناء والتصنيع.
تعد المعادن من بين المواد ذات الموصلية الحرارية الأعلى، حيث تعد الفضة الأفضل عند حوالي 429 واط/متر·كلفن ويأتي النحاس في المرتبة الثانية عند حوالي 401 واط/متر·كلفن. في حين أن الألومنيوم أقل موصلية عند حوالي 237 واط/متر·كلفن، إلا أنه غالبًا ما يكون مفضلًا لكونه أرخص وأخف وزنًا ومقاومًا للتآكل. تزيد هذه السمات من الطلب على الألومنيوم في تصنيع مشعات التبريد والعلب الإلكترونية حيث تكون الكميات الوفيرة من الأداء الحراري والبنيوي ضرورية.
تتمتع المواد غير المعدنية المصنوعة من السيراميك والبوليمر بموصلية حرارية منخفضة بشكل كبير. فمعظم البوليمرات مثل البوليسترين أو البولي إيثيلين لها موصلية حرارية تتراوح بين 0.1 و0.4 وات/م·ك. ومن ناحية أخرى، تتمتع بعض المواد الخزفية المتقدمة مثل نترات الألومنيوم ونتريد البورون بخصائص حرارية أفضل، حيث تتراوح القيم من 70 إلى 230 وات/م·ك، اعتمادًا على مدى تقدم التركيبة. وهناك حاجة إلى العزل الكهربائي والموصلية الحرارية المعتدلة في تطبيقات معينة، وهذه المواد مفيدة في توفير مثل هذه الوظيفة المدمجة.
هناك فئة أخرى لا تقل أهمية عن المركبات حيث يتم مزج المواد لتحقيق مستوى مناسب من التوصيل إلى جانب سمات أخرى. على سبيل المثال، أصبحت المركبات القائمة على الجرافين بموصليتها الحرارية الرائعة التي تتجاوز 1500 واط/م*ك مجالات بحثية جديرة بالملاحظة في مجال الإلكترونيات والهندسة الكهربائية. الهندسة الحديثة.
من خلال دراسة متأنية للتوصيل الحراري وخصائص المواد الأخرى، يمكن للمهندسين صياغة مواد تعالج مشاكل إدارة حرارية محددة تعظيم الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة.
كيف تؤثر المقاومة الحرارية على كفاءة المشتت الحراري؟
أهمية تبديد الحرارة
إن القدرة على تبديد الحرارة بفعالية هي أحد الشروط الضرورية لكي تعمل الأنظمة الإلكترونية الحديثة بشكل موثوق وفعال. إن الإدارة غير الكافية للحرارة قد تؤدي إلى تدهور المكونات، والأداء غير المستقر، وفي النهاية، انهيار النظام. وللتأكيد على هذه الأهمية، يتم تقديم المعلومات والبيانات التالية:
تجنب الهروب الحراري
- إن الانفلات الحراري يشكل خطراً هائلاً في التطبيقات عالية الطاقة حيث يتجاوز إنتاج الحرارة ما يمكن للمادة تبديده بأمان. تشير الدراسات إلى أن أشباه الموصلات القائمة على السيليكون، بمجرد تعرضها لدرجات حرارة أعلى من 125 درجة مئوية، فإنها تميل إلى المعاناة من أضرار لا رجعة فيها مما يؤدي إلى انهيار النظام.
تمديد في عمر النظام
- يؤثر تبديد الحرارة بشكل مباشر على عمر المكونات الإلكترونية. على سبيل المثال، في مجال موثوقية الهندسة، تشير معادلة أرينيوس إلى أنه مع كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية عن درجات حرارة التشغيل الموصى بها، ينخفض متوسط عمر المكون بنحو 50%.
تحسين استقرار الأداء
- كما أن تقييد الحرارة ضمن حدود التشغيل يمنع الأجهزة المهمة مثل وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات من خفض ساعاتها أو ارتكاب أخطاء أثناء نقل البيانات. وتظهر الدراسات أن الأجهزة التي تعمل في أفضل الظروف الحرارية يمكن أن تعمل بنسبة تصل إلى 30% أفضل من نظيراتها التي تعمل بالقرب من الحدود الحرارية.
لخفض التكاليف وزيادة كفاءة الطاقة
- إن الإدارة الفعّالة للحرارة تقلل من الاستخدام المفرط لوحدات التبريد، والتي تتطلب المزيد من الطاقة. وقد أظهرت الأبحاث التي أجريت على مراكز البيانات أن التنفيذ الفعّال لتقنيات تبديد الحرارة يمكن أن يؤدي إلى خفض الطاقة بنسبة 40%، وبالتالي تقليل النفقات.
وتسلط هذه العوامل الضوء على الحاجة إلى تطوير أجهزة متطورة لتبديد الحرارة لاستخدامات محددة للغاية. ويمكن الجمع بين استخدام مواد ذات موصلية حرارية عالية وتصميم شكل مناسب وتطبيق نظام تبريد جديد حتى يتمكن المهندسون من جعل هذه الأنظمة فعالة وموثوقة واقتصادية.
العوامل المؤثرة على الأداء الحراري
إن أداء النظام، في هذه الحالة النظام الذي يتعامل مع المكونات الحرارية، هو وظيفة لخصائص المواد المختارة، والتصميم، والظروف الخارجية ذات الصلة. ومن الجوانب المهمة ما يلي:
الموصلية الحرارية للمواد
- تؤثر قدرة المواد المكونة لمجموعة على توصيل الحرارة على كفاءة نقل الحرارة داخل تلك المجموعة. على سبيل المثال، يتمتع النحاس والألومنيوم، وهما معدنان، بموصلية حرارية عالية جدًا تبلغ حوالي 400 واط/م·ك و205 واط/م·ك على التوالي. وبسبب هذا، يتم استخدامهما على نطاق واسع كمبادلات حرارية وموزعات حرارية. على النقيض من ذلك، تتمتع المواد غير المعدنية مثل البوليمرات عادةً بموصلية حرارية منخفضة جدًا، وغالبًا ما تكون أقل من 1 واط/م·ك، على الرغم من أنه من الممكن تحسين مثل هذه الخصائص من خلال المعالجة المركبة.
مساحة السطح والهندسة
- إن التفاعل بين الوسط، مثل الهواء أو السائل، كسائل عامل ومنطقة مصدر الحرارة، يزداد بشكل كبير مع زيادة مساحة السطح إلى الحد الأقصى، مما يؤدي إلى تبديد حراري أفضل. تشكل ترتيبات الزعانف ومبددات الحرارة وبعض الأشكال الأكثر ملاءمة تفاعلات متزايدة. تُظهر بعض الأبحاث والتطبيقات العملية أن تحسين مساحة السطح من خلال بعض أساليب التصميم الجديدة في الأنظمة الإلكترونية المدمجة يمكن أن يزيد من معدلات نقل الحرارة بنسبة تصل إلى 30-50%.
تنظيم درجة الحرارة والظروف البيئية
- يتأثر أداء نظام التبريد بشكل مباشر بعوامل خارجية مثل درجة الحرارة وتدفق الهواء وحتى الظروف المحيطة. تؤثر درجات الحرارة المحيطة المرتفعة على مناطق معينة من خلال جعل الفارق في درجة الحرارة الذي يعد أمرًا بالغ الأهمية للتبادل الحراري أصغر. يمكن أن يساعد استخدام أنظمة التبريد القسري مثل المراوح أو أنظمة التبريد السائل في التخفيف من هذه التأثيرات والحفاظ على الأداء بغض النظر عن الظروف المناخية.
جهات الاتصال المقاومة ومواد الواجهة
- يتم تمكين نقل الحرارة من خلال تقليل مقاومة التلامس بواسطة مواد الواجهة مثل الوسادات أو المعاجين الحرارية، المعروفة باسم TIMs. على سبيل المثال، تتمتع المعاجين الحرارية القائمة على السيليكون بموصلية حرارية تتراوح من 3 إلى 8 وات/متر·ك، وعند استخدامها، يمكنها خفض درجات حرارة النظام بما يصل إلى 10 درجات مئوية أثناء ظروف التحميل.
تقنيات التبريد في الوضع النشط
- نظرًا لارتفاع معدل تدفق الحرارة في الإلكترونيات الحديثة، أصبحت الأنظمة التي تستخدم التبريد السائل والأجهزة الحرارية الكهربائية شائعة الاستخدام، نظرًا لقدرتها على التعامل مع معدل تدفق حرارة مرتفع. على سبيل المثال، تعد أنظمة التبريد السائل أكثر كفاءة من أنظمة التبريد بالهواء التقليدية بنسبة 20% إلى 30%، مما يجعل الأنظمة السائلة مثالية للحوسبة عالية الأداء وأنشطة وحدة معالجة الرسومات المكثفة.
يساعد هذا المهندسين على بناء أنظمة ذات إدارة حرارية أفضل ومخاطر تشغيلية أقل وكفاءة طاقة محسنة. يتم التعامل مع التحول نحو الأنظمة المدمجة والمعقدة بشكل متزايد من خلال التقنيات الناشئة والمواد المتقدمة التي تعمل على تحسين الأداء الحراري للأنظمة.
حساب المقاومة الحرارية للأداء الأمثل
المقاومة الحرارية هي إحدى خصائص المادة أو التكوين الذي يحدد قدرتها على إعاقة انتقال الحرارة. وهي واحدة من أهم الكيانات في الإدارة الحرارية. ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:
Rθ = ΔT / Q
- رθ هي المقاومة الحرارية (°C/W)؛
- Δ ت هو الفرق في درجة الحرارة عبر المادة أو الواجهة (درجة مئوية)؛
- Q هو معدل انتقال الحرارة (W).
استهدف أفضل أداء من خلال تقدير المقاومة الحرارية لجميع المكونات في النظام والتحقق مما إذا كانت ضمن الحدود الحرارية المفروضة. ضع في الاعتبار موصلية المادة وسمكها وجودة التلامس عند الواجهة. تؤدي زيادة قيمة المقاومة الحرارية إلى تقليل قدرة النظام على تبديد الحرارة، وبالتالي زيادة درجة حرارة مكونات النظام، مما يحسن استقرار النظام وكفاءته.
ما هي أنواع المبددات الحرارية المختلفة؟
نظرة عامة على حلول التبريد النشط
تستخدم أنظمة التبريد النشطة وسائل ميكانيكية مثل المضخات أو المراوح لإزالة الحرارة من النظام. هذه الأنظمة مفيدة لتحقيق أفضل أداء من تطبيق حيث تكون الحرارة الناتجة أكبر بكثير مما تتعامل معه تقنيات التبريد السلبي. فيما يلي بعض الأمثلة لهذه الأنظمة إلى جانب بعض الأوصاف:
1. التبريد بالهواء القسري:
في هذه الأنظمة، فإن استخدام المراوح هو ما يتيح حركة الهواء فوق أسطح التبريد المغطاة مع تحسين تبديد الحرارة في نفس الوقت. تشمل التطبيقات الحديثة لهذه التقنية أيضًا استخدام مراوح فائقة الهدوء ومتغيرة السرعة. تعمل هذه المراوح على زيادة كفاءة التبريد مع تقليل الضوضاء واستخدام الطاقة في نفس الوقت. على سبيل المثال، قامت بعض شفرات المروحة الحديثة بتحسين كفاءة بعض النماذج بنسبة 30% بسبب إدخال محامل ديناميكية السوائل.
2. التبريد السائل
لتبريد المعالجات عالية الأداء وبطاقات الرسوميات القوية والمعدات الكهربائية وأجهزة الكمبيوتر، هناك حاجة إلى تقنيات تبريد سائل فعالة. الماء، أو محلول الماء والجليكول، هو سائل تبريد يمر عبر أنابيب تحتوي على سوائل أخرى شبه إنفينتيك. يتم تداول السائل فوق الأجزاء المنتجة للحرارة، مثل وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسوميات. يمتص السائل المتداول الحرارة ويتم تبريده بمساعدة مبرد. تعد الأنظمة المبردة بالسائل أكثر كفاءة حرارياً من الأنظمة المبردة بالهواء لأن سائل التبريد الخاص بها يتمتع بموصلية حرارية أفضل، والتي تزيد بمقدار مرتين إلى خمس مرات. على سبيل المثال، تحتوي حلول AIO المتطورة على أنظمة تبريد سائل يمكنها تبديد مستويات التسخين التي تتجاوز 200 وات، وهو أمر مثالي للمكونات التي تم رفع تردد تشغيلها.
3. التبريد الحراري الكهربائي (وحدات بيلتييه)
تستخدم تقنية التبريد الحراري الكهربائي وحدة بلتيير لنقل الحرارة من أحد جانبي الجهاز إلى الجانب الآخر. وحدات بلتيير عبارة عن أجهزة صغيرة يمكن وضعها في وسط منطقة تبريد مستهدفة، مما يجعلها مفيدة للغاية في التطبيقات المتخصصة مثل الأجهزة الطبية والليزر. ولكن بالتوازي مع ذلك، فإن كفاءة الطاقة الخاصة بها ليست جيدة مثل الطرق الأخرى، حيث يتراوح متوسط أرقام معامل الأداء بين 0.4 إلى 1.
4. حلول التبريد الهجينة
إن أكثر الأنظمة كفاءة هي تلك التي تدمج تقنيات تبريد مختلفة. ومن بين التكوينات الأكثر شيوعًا التبريد السائل إلى جانب المراوح لتسهيل دوران الهواء حول المبردات. ويمكن تحقيق التوازن بين التحكم في درجة الحرارة وموثوقية النظام من خلال إدارة الأحمال الحرارية التي تزيد عن 300 وات لبيئات الحوسبة عالية الأداء.
تعد حلول التبريد النشط ضرورية للإلكترونيات الحديثة والأنظمة الصناعية بسبب مرونتها وموثوقيتها، وخاصة للأجهزة التي تحتاج إلى إدارة حرارية مكثفة.
فوائد أنظمة التبريد السلبي
توفر أنظمة التبريد السلبي العديد من الفوائد الرئيسية، وخاصة في جوانب استهلاك الطاقة والصيانة. ويمكن توضيح مزاياها فيما يلي:
كفاءة إستهلاك الطاقة
- لا يستهلك التبريد السلبي أي طاقة أثناء التشغيل بسبب الاعتماد على الطرق الطبيعية لتبديد الحرارة من خلال التوصيل والحمل الحراري والإشعاع؛ وبالتالي، يستبعد النظام تمامًا استخدام أجزاء مثل المراوح أو الضواغط. يمكن أن تتجاوز المدخرات الإجمالية 100% عند مقارنتها بحلول التبريد النشطة وخفض تكاليف التشغيل بشكل هائل.
انخفاض الضوضاء العملية
- نظرًا لعدم وجود أجزاء متحركة في أنظمة التبريد السلبي، فلا يوجد أي ضوضاء تشغيلية على الإطلاق. وهذا يسمح باستخدام مثل هذه الأنظمة في المجالات التي تتطلب أقصى درجات الهدوء، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر الأجهزة الطبية، أو الإلكترونيات المنزلية، أو الآلات الصناعية الحساسة.
الموثوقية العالية
- تقل احتمالية تعرض الأنظمة التي لا تحتوي على أجزاء ميكانيكية للتلف أو التلف بمرور الوقت. ونظرًا لكون الأنظمة سلبية، فلا توجد متطلبات لإجراء فحوصات الصيانة الدورية، مما يؤدي إلى تحقيق متوسط وقت بين الأعطال يتجاوز 100,000 ساعة في بعض الحالات.
الجدوى الاقتصادية
- لا تتطلب الأنظمة السلبية أي مكونات ميكانيكية، مما قد يؤدي إلى انخفاض تكاليف التركيب الأولية لبعض التطبيقات. علاوة على ذلك، فإن الحاجة إلى الصيانة لهذه الأنظمة تمكن من تحقيق وفورات كبيرة في تكاليف دورة الحياة.
المحافظة على البيئة
- تعتبر طريقة التبريد السلبي صديقة للبيئة حيث أنها لا تتطلب أي تكلفة تشغيلية أو مبردات، والتي قد تساهم في انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري.
تصميم مدمج
- يمكن إنشاء أنظمة التبريد السلبية، بما في ذلك المبددات الحرارية والموزعات الحرارية، لتشغل حجمًا صغيرًا من المساحة المناسبة للأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة إنترنت الأشياء.
إمكانية التوسع للأجهزة منخفضة الطاقة
- وكقاعدة عامة، تعمل هذه الأنظمة بشكل أفضل مع الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة لأن تبريدها النشط أكثر تعقيدًا وأقل فعالية للأحمال الحرارية. ويمكن مواجهة السيناريوهات التي تقل فيها الأحمال الحرارية عن 100 وات بفعالية باستخدام حلول سلبية في معظم المواقف.
تمديد عمر المكونات
- يؤدي تقليل الحمل الميكانيكي على المكونات من خلال التبريد السلبي إلى إمكانية الحفاظ على درجات حرارة تشغيل المكونات مستقرة، وبالتالي زيادة موثوقية النظام بشكل عام وتقليل فرص حدوث عطل.
وتوفر هذه العوامل مجتمعة حلول تبريد سلبية متميزة، خاصة عندما تكون كفاءة الطاقة والموثوقية هي الأولوية.
متى تستخدم أنابيب وزعانف التدفئة؟
في الظروف التي يكون فيها نقل الحرارة وتبديدها بشكل فعال أمرًا ضروريًا في البيئات ذات المساحة المحدودة، يوصى باستخدام أنابيب الحرارة والزعانف. هذه الحلول هي الأنسب للتطبيقات التي تتطلب طرق التبريد السلبي، مثل الإلكترونيات المدمجة، أو الخوادم عالية الكثافة، أو أي جهاز يعمل في بيئات ذات تدفق هواء منخفض. تحتوي أنابيب الحرارة على قدرات تبريد فعالة للغاية لإزالة طاقة الحرارة المستهدفة من النقاط الساخنة، وتعمل الزعانف على تحسين تبادل الحرارة بشكل أكبر. يضمن الجمع بين هذين الأمرين الأداء المطلوب وطول العمر دون الحاجة إلى الاعتماد على طرق التبريد النشطة.
اختيار المبدد الحراري لتطبيقك
معايير اختيار المبدد الحراري المناسب
عند محاولة تحديد الإدارة الحرارية الأكثر كفاءة لأعمال الدرجات، من الضروري إجراء تقييم شامل لأداء المشتت الحراري. للقيام بذلك، يجب مراعاة العناصر التالية:
الموصلية الحرارية والمواد
- يؤثر مكون المشتت الحراري بشكل مباشر على المواد التي سيتم استخدامها للأداء الحراري. عادةً ما يتم استخدام الألومنيوم والنحاس. بالنسبة لمعظم الأغراض العامة، يتم استخدام الألومنيوم بسبب بنيته خفيفة الوزن وتكلفته؛ ومع ذلك، فإن النحاس أكثر ملاءمة للتطبيقات الحرارية المتخصصة بسبب وزنه وتكلفته العالية. على الرغم من أن النحاس باهظ الثمن، فإن موصليته البالغة 400 واط/متر كلفن تتجاوز بكثير موصلية الألومنيوم البالغة 205 واط/متر كلفن.
عامل الشكل والتصميم
- يجب أن تتوافق المكونات الحرارية المركبة مع الحدود المادية لنظامك. يمكن لبعض التطبيقات ذات القيود المكانية الضيقة استخدام مشعات حرارية مضغوطة عالية الأداء ذات زعانف مائلة أو مطوية. يعتمد إنشاء تدفق هواء وتبادل حراري متزايد على كثافة الزعانف وترتيبها الأمثل.
المقاومة الحرارية
- يتم تحديد كفاءة التبادل الحراري بين المكونات من خلال مقدار المقاومة التي يتمتع بها المشتت الحراري: فكلما كانت المقاومة أقل، كلما كانت أكثر كفاءة. يتم التعبير عن المقاومة الحرارية بوحدة °C/W. من أجل تعظيم أداء الإلكترونيات عالية الطاقة، من الأفضل استخدام مشتت حراري ذو مقاومة منخفضة.
ظروف التشغيل البيئية
- يجب مراقبة تدفق الهواء ودرجة الحرارة المحيطة ومستوى الرطوبة داخل النظام بحثًا عن أي تغييرات ثابتة أو ديناميكية. في البيئات القاسية، قد تكون هناك حاجة إلى طلاء إضافي للحماية لمقاومة التآكل، بالإضافة إلى الأكسدة لإطالة عمر أحواض الحرارة.
آليات التعلق
- يمكن تثبيت مشعات الحرارة بالبراغي أو المشابك ويمكن أيضًا ربطها بمادة لاصقة حرارية. تعتمد آليات التثبيت على المستوى المطلوب من الاستقرار الميكانيكي ومادة الواجهة الحرارية (TIM) المستخدمة. إذا تم ربط مصدر الحرارة جيدًا بمشتت الحرارة، فسيتم تقليل المقاومة الحرارية إلى أدنى حد.
كثافة الطاقة والحمل الحراري
- إن تقييم الحمل الحراري الإجمالي للمكونات الإلكترونية المتولدة، إلى جانب معايير أخرى مثل كثافة الطاقة، أمر مطلوب. عندما تكون للأجهزة قدرة عالية على إنتاج الحرارة، فقد تكون هناك حاجة إلى تنفيذ تقنيات تبريد إضافية، مثل المراوح، جنبًا إلى جنب مع مشعات الحرارة من أجل تنظيم درجة حرارة الجهاز.
الجدوى الاقتصادية
- من الأهمية بمكان تحقيق التوازن الاستراتيجي بين التكلفة والأداء في الميزات، وخاصة في المنتجات التي يتم إنتاجها بكميات كبيرة أو بكميات كبيرة. غالبًا ما تكون حلول الأداء القياسية كافية لتلبية المتطلبات اللازمة للتطبيقات ذات الطلب المنخفض. تقدم مشعات الحرارة المصممة خصيصًا، على عكس خيارات الأداء القياسي المنخفضة، أداءً أفضل ولكن بتكلفة إضافية.
تمكن هذه الاعتبارات المهندسين والمصممين من اختيار المبدد الحراري للظروف التشغيلية والحرارية المحددة دون المساس بالموثوقية والكفاءة في العديد من التطبيقات.
أهمية مساحة السطح في التصميم
تلعب مساحة السطح دورًا مهمًا في الأداء الحراري للمشتت الحراري. تعتمد قدرة المشتت الحراري على تبديد الحرارة على قدرته على نقل الطاقة الحرارية بعيدًا عن المصدر وإلى البيئة المحيطة. تسمح مساحة السطح الأكبر بتدفق أكبر للهواء، مما يعزز عمليات الحمل الحراري والتبريد. يصبح هذا النموذج مفيدًا بشكل خاص في المواقف الحرجة حيث تكون الإدارة الحرارية ذات أهمية قصوى داخل النظام.
تظهر الأبحاث أن إضافة الأخاديد والزعانف وغيرها من الهياكل الممتدة لزيادة مساحة سطح المشتت الحراري يمكن أن يحسن من تبديد الحرارة بنحو 30 - 50%. ويعتمد هذا بشكل كبير على ظروف التشغيل وكذلك خصائص المواد. على سبيل المثال، تؤدي إضافة زعانف معبأة بكثافة إلى زيادة مساحة السطح مع زيادة ملامسة السطح الأساسي والمشتت الحراري، كل ذلك دون زيادة أبعاد المشتت الحراري بشكل كبير. ومع ذلك، فإن خيارات التصميم التي تركز على مناطق التلامس القصوى لا تأخذ في الاعتبار ديناميكيات تدفق الهواء وانخفاض الضغط المحتمل. إذا لم تتم إدارتها، يمكن أن تؤدي كثافة الزعانف الزائدة إلى ضعف فعالية التبريد.
بالإضافة إلى ذلك، فإن تطوير عمليات التصنيع مثل الطباعة 3D وتسمح عملية البثق بتصنيع أشكال هندسية معقدة لمبددات الحرارة التي تم تحسينها من حيث مساحة السطح والقوة والمتانة. ويبحث مهندسون آخرون في مواد أخرى مثل الجرافيت وبعض السيراميك الحديث الأخرى، والتي تتمتع بموصلية حرارية عالية ويمكن تصميمها بوزن خفيف وتنوع كبير. وقد زادت مساحات سطح مبددات الحرارة اليوم، مما يسمح لها بالتعامل مع المتطلبات الحرارية للأجهزة الإلكترونية الأكثر تقدمًا.
تأثير تدفق الهواء على أداء المشتت الحراري
فيما يتعلق بتصميم أجهزة الحوسبة، فإن تدفق الهواء هو جانب آخر يحتاج إلى فحص شامل لأنه يؤثر بشكل كبير على وظائف المشتت الحراري. يتم إزالة الحرارة الناتجة عن أحد المكونات الإلكترونية من خلال تدفق الهواء المناسب، والذي بدوره يحافظ على التوازن الحراري للجهاز. من ناحية أخرى، يؤدي تدفق الهواء الضعيف إلى زيادة درجة حرارة التشغيل، مما يؤثر بدوره على كفاءة نظام التبريد، مما يجعله غير كافٍ، مما يؤدي في النهاية إلى فشل الجهاز.
كما ذكرنا سابقًا، تتطلب مشعات الحرارة تدفق هواء كافٍ في النظام، والذي يمكن أن يكون إما تهوية طبيعية أو تدفق هواء قسري، عادةً باستخدام مروحة أو كجزء من نظام تبريد أكثر تعقيدًا. للتبريد المناسب، يجب أن يكون تدفق الهواء فوق مشعات الحرارة موحدًا لأن أي شيء آخر، مثل الاضطرابات أو العوائق، يخلق عدم كفاءة. من خلال تقليل التداخل، يتم تمكين المهندسين من تعزيز قدرات إزالة الحرارة لمشعات الحرارة، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين تصميم إدارة الحرارة للنظام.
كيف تعمل تصاميم المشتتات الحرارية على تحسين التبريد؟
الابتكارات في تصميمات المشتتات الحرارية
تحسين هندسة الزعانف
- لقد أتاحت تقنيات النمذجة الحاسوبية الجديدة إمكانية إنشاء تصميمات جديدة للزعانف تعمل على زيادة مساحة السطح وتقليل مقاومة تدفق الهواء في نفس الوقت. تعد تكوينات الزعانف المتدرجة أو المتموجة أمثلة على زيادة تبديد الحرارة والاضطرابات ومعدلات نقل الحرارة. تشير الأبحاث إلى أن هندسة الزعانف الدقيقة تتفوق على تصميمات الزعانف المستقيمة التقليدية بنسبة تصل إلى 20% عندما يتعلق الأمر بكفاءة المشتت الحراري الإجمالية.
مواد عالية الأداء
- أدى دمج مواد مثل النحاس ومركبات الجرافيت وسبائك الألومنيوم إلى تحسين قيمة التوصيل الحراري لمبددات الحرارة بشكل كبير. تختلف هذه المواد في التوصيل الحراري، حيث يبلغ النحاس بشكل مثير للإعجاب 400 واط/م·ك، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات عالية الأداء حيث يكون نقل الحرارة مهمًا. في حين أن قيمة الألومنيوم البالغة 205 واط/م·ك أقل بكثير من النحاس، إلا أنه لا يزال مفضلًا بسبب وزنه الخفيف وسعره المنخفض.
المشتتات الحرارية المطبوعة ثلاثية الأبعاد
- لقد فتحت التصنيع الإضافي فصلاً جديدًا لتصميم مشعات التبريد بسبب القدرة على إنشاء أشكال هندسية معقدة، وهو أمر غير ممكن باستخدام طرق التصنيع التقليدية. يمكن دمج الهياكل المخصصة، مثل القنوات الداخلية أو أنماط الشبكة، في مشعات التبريد المطبوعة ثلاثية الأبعاد لتحسين الأداء الحراري. وجدت دراسة في الهندسة الحرارية أن التصميمات المطبوعة ثلاثية الأبعاد تتفوق على البدائل المصنعة تقليديًا من خلال تقليل المقاومة الحرارية بنحو 3 بالمائة.
دمج غرفة البخار
- تتضمن مشعات الحرارة بشكل متزايد غرف بخار كوسيلة لتوزيع الحرارة بالتساوي في جميع أنحاء منطقة التبريد. غرفة البخار عبارة عن صندوق مسطح مغلق يحتوي على كبسولة من السائل يمكنها نقل الحرارة بكفاءة من خلال التبخر والتكثيف. تشير البيانات إلى أنه بالنسبة لتطبيقات الإلكترونيات الصعبة، فإن مشعات الحرارة التي تتكامل مع غرفة البخار قادرة على تحسين التوصيل الحراري بنسبة تزيد عن 25%.
صفائف زعانف الدبوس والقنوات الدقيقة
- تعتبر مشتتات الحرارة الدقيقة ذات الزعانف الدبوسية مثالية لتحقيق تبديد حراري عالي في المناطق الضيقة. هذه الأنواع من التصميمات فعالة لتطبيقات الإلكترونيات القوية ومراكز البيانات التي بها مساحة محدودة. وقد أظهرت بعض الاختبارات أن مشتتات الحرارة القائمة على القنوات الدقيقة تفوقت حرارياً على تصميم الزعانف التقليدي بنسبة تزيد عن 40%.
دمج التبريد النشط
- يمكن تحسين الإدارة الحرارية الشاملة للجهاز بشكل كبير من خلال الجمع بين الطرق التقليدية تصاميم بالوعة الحرارة مع طرق التبريد النشطة مثل التبريد السائل أو المبردات الحرارية الكهربائية (TECs). على سبيل المثال، لوحظ أن الحلول الهجينة التي تدعم المبردات الحرارية الكهربائية تعمل على خفض درجات حرارة تشغيل الأجهزة في الأنظمة الإلكترونية عالية الطاقة بمقدار 15-20 درجة مئوية.
مع تقدم التكنولوجيا، أصبحت التصميمات الحديثة لمبددات الحرارة أكثر تطورًا في التغلب على التحديات الحرارية الناتجة عن زيادة كثافة الطاقة وتصغير حجم الأجهزة داخل النظام الإلكتروني. وتتجه كل خطوة في الابتكار نحو صياغة حلول تبريد أكثر موثوقية لتطبيقات متنوعة.
تعزيز الكفاءة من خلال التصميم
لقد أصبح دور المواد ذات الصلة وهندسة المشتت الحراري المحسن أكثر بروزًا مع زيادة التعقيد المتعلق بالإدارة الحرارية التي يتم العمل عليها. أحد الأساليب في التصميم هو وضع الكسور في هندسة زعانف المشتت الحراري، مما يزيد من مساحة السطح بالإضافة إلى تدفق الهواء. أظهرت التجارب القائمة على الحوسبة أنه اعتمادًا على بعض ظروف التشغيل، يمكن للتصاميم الكسورية للمشتتات الحرارية أن توفر كفاءة تبريد تصل إلى 25٪ أكثر مما توفره التصميمات القياسية.
في تحسين آخر، يعد تبديد الحرارة باستخدام مواد تغيير الطور (PCMs) تعديلًا كسوريًا آخر. يمكن لمواد تغيير الطور امتصاص وتبديد الطاقة بطريقة منظمة أثناء التحولات الطورية، على سبيل المثال، عندما يسخن السائل ويتحول إلى غاز. أظهرت الأعمال الأخيرة أنه مع الأحمال الحرارية العالية، يمكن أن يوفر تضمين مواد تغيير الطور في أحواض حرارية من الألومنيوم ما يصل إلى ثلاثين دقيقة من التأخير في التشبع الحراري، وهو اقتراح جذاب للأجهزة ذات الاستهلاك المتقطع للطاقة.
كما أن دمج المواد المتباينة الخواص يؤدي إلى بعض هذه الفوائد. فهذه المواد مثل بعض أشكال الجرافيت أو المركبات الكربونية تتمتع بقيم عالية من التوصيل الحراري في بعض الاتجاهات المختارة، مما يجعل نقل الطاقة من المكونات الأكثر حساسية أكثر كفاءة. على سبيل المثال، يؤدي استخدام صفائح الجرافيت التحللية في مشعات الحرارة إلى قيم توصيل حراري تزيد عن 1500 وات/متر·ك، وهو ما يزيد كثيراً عن مشعات الحرارة التقليدية المصنوعة من الألومنيوم أو النحاس.
علاوة على ذلك، توضح هذه التطورات الحديثة الابتكار المستمر المطلوب لتحقيق متطلبات التنظيم الحراري لتقنيات الأجيال القادمة. كما حققت تصميمات المشتتات الحرارية المحسنة أداءً حراريًا أفضل، فضلاً عن المساهمة في تحقيق الأهداف البيئية والاستدامة لأنها تسمح بعمليات موفرة للطاقة وتقلل من متطلبات التبريد في الأنظمة الأوسع نطاقًا.
فهم آليات انتقال الحرارة
يمكن تصنيف وسائل نقل الحرارة إلى ثلاث فئات: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع.
- التوصيل هي العملية التي يتم فيها تلامس مادتين بشكل مباشر مع بعضهما البعض، ويتم تسخين إحداهما. تتدفق الطاقة من منطقة ذات درجة حرارة أعلى إلى درجات حرارة أقل. تعد المواد الصلبة (عادةً المعادن) أفضل موصلات للحرارة بسبب جزيئاتها المكدسة للغاية، والتي تهتز عند تسخينها.
- في حالة الحمل الحراريتحدث حركة الجزيئات داخل السوائل (السوائل أو الغازات). تميل السوائل الأقل كثافة والأكثر دفئًا إلى شغل مساحة في الأعلى بينما تغرق السوائل الأكثر كثافة وبرودة/تتحرك إلى الأسفل. يسمح دوران الدورة بتسخين السوائل.
- الإشعاع يشير إلى نقل الطاقة الحرارية من خلال الموجات الكهرومغناطيسية دون وجود وسط مادي. وهذا هو السبب وراء قدرة الشمس على نقل الطاقة إلى الأرض.
يشرح العلم المتكامل هذا الأمر بالفيزياء. إن إدارة التبريد بالتدفئة لها تطبيقات في المدارس الابتدائية، والحياة الواقعية، فضلاً عن تطبيقات الفيزياء المتقدمة. ولكل منها قواعدها الخاصة التي يجب اتباعها فيما يتعلق بصياغة المشكلات المتعلقة بالبيئة ونوع المواد المستخدمة.
الأسئلة الشائعة (FAQs)
س: ما هو المبدد الحراري، ولماذا هو مهم؟
ج: المبدد الحراري هو مكون إلكتروني سلبي الغرض منه امتصاص الحرارة من الجهاز وتبديدها. وهو مهم لأنه يسمح للجهاز ومكوناته بالعمل بشكل مثالي دون ارتفاع درجة الحرارة، ويزيد من كفاءة الأنظمة الإلكترونية المختلفة المستخدمة في مجموعة واسعة من الأجهزة والآلات.
س: ما هي المواد التي يتم تصنيعها عادة في المبددات الحرارية؟
ج: تُستخدم المواد الموصلة للحرارة عادةً في تصنيع مشعات التدفئة. وأكثر المواد شيوعًا المستخدمة في المنازل هي الألومنيوم (الأكثر شيوعًا هو 6063) والنحاس. النحاس موصل للحرارة أكثر بمرتين من الألومنيوم، مما يجعل من الممكن لهذه المواد نقل الحرارة بعيدًا عن المكونات بكفاءة.
س: هل تعتبر مشعات الحرارة النحاسية الخيار الأفضل لجميع التطبيقات؟
أ: على الرغم من أن النحاس يتمتع بموصلية حرارية كبيرة، إلا أنه ليس أفضل مادة لـ كل تطبيقتعتمد الملاءمة العامة على عوامل مثل الوزن والتكلفة والتطبيق المحدد. على الرغم من أن الألومنيوم مفضل لأنه أخف وزناً وأرخص، إلا أن موصليته الحرارية أقل من موصلية النحاس.
س: فيما يتعلق بمبددات الحرارة السلبية والنشطة، ما هي الاختلافات؟
ج: لا يحتوي المبدد الحراري السلبي على أجزاء متصلة، بينما يحتوي المبدد الحراري النشط على مروحة. يبدد المبدد الحراري السلبي الحرارة من خلال الحمل الحراري، بينما يستخدم المبدد الحراري النشط مروحة للتبريد بالحمل الحراري. يمكن للمبدد الحراري النشط تبديد كميات أكبر من الحرارة، لكنه يتطلب طاقة وقد يكون صاخبًا. ويعتمد الأمر على احتياجات التبريد الخاصة بالنظام.
س: ما هو تأثير اختيار المواد على أداء المشتت الحراري؟
ج: تؤثر المادة بشكل كبير على أداء المشتت الحراري. فالمادة ذات الموصلية الحرارية الجيدة مثل النحاس تبدد الحرارة بشكل أفضل، ولكن هناك اعتبارات أخرى مثل الوزن والسعر وسهولة التصنيع لها أهمية أيضًا. وأفضل مادة للمشتت الحراري هي تلك التي تأخذ في الاعتبار كل هذه الجوانب في هذا التطبيق.
س: كيف يمكنك تعريف المقاومة الحرارية، ولماذا تعتبر معيارًا أساسيًا للمبددات الحرارية؟
ج: هو مقياس مدى فعالية المادة في مقاومة الحرارة من التدفق من خلالها. وفيما يتعلق بالمبددات الحرارية، فإن الرقم الأقل هو الأفضل لأنه يعني أنه يمكن نقل المزيد من الحرارة. وهذا الرقم مهم للغاية في كفاءة كيفية تبديد المبدد الحراري للحرارة من أحد المكونات، وبالتالي فإن أداء التبريد يعتمد عليه.
س: كيف يمكن أن تكون المحاكاة الحرارية مفيدة لاختيار المشتت الحراري المناسب؟
ج: قبل إنشاء النماذج الأولية المادية، يمكن للمحاكاة الحرارية تقييم الأداء المتوقع لمختلف تصميمات ومواد المشتت الحراري. كما تسمح للمهندسين بتصميم مكونات المشتت الحراري وتحسينها لتطبيقات التبريد المحددة، مع مراعاة تدفق الهواء وخصائص المواد وموضع المشتت الحراري ومصدر الحرارة. وهذا يحسن بشكل كبير من كفاءة تصميم حل التبريد النهائي ويوفر نتائج أفضل.
س: ما هي المساهمة التي تقدمها مواد الواجهة الحرارية مثل الشحوم والوسادات الحرارية؟
ج: يمكن تصنيف الواجهة التفصيلية التي تتألف من الشحم الحراري والوسادات ضمن مواد الواجهة الحرارية. تشغل هذه المواد الحرارية الفراغات الهوائية الموجودة داخل الواجهة والتي تحتاج إلى التوصيل الحراري. تساعد مواد الواجهة من هذا النوع في نقل الحرارة عن طريق تقليل مقاومة الواجهة. يعد تطبيقها أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الكفاءة المقدرة لمبددات الحرارة.
س: بأي طريقة تؤثر عمليات التصنيع، مثل التقطيع، على أداء المشتت الحراري؟
ج: يتأثر أداء المشتت الحراري بالتأكيد بعمليات تصنيع معينة. على سبيل المثال، يسهل التقطيع تصنيع زعانف دقيقة للغاية. وهذا يزيد من مساحة السطح التي تبدد الحرارة. وتغير خطوات أخرى مثل البثق أو الصب بالقالب بنية المادة وخصائصها الحرارية. ويجب أن يأخذ اختيار الإجراء في الاعتبار الأداء المتوقع والتكلفة في نفس الوقت.
س: هل تعتبر مشعات الحرارة كافية لإلغاء الحاجة إلى التبريد النشط في الأنظمة عالية الأداء؟
ج: على الرغم من أن مشعات الحرارة الفعّالة تعمل على تعزيز كفاءة تبريد وحدة المعالجة المركزية ورفع درجة الحرارة، إلا أنها لا تزال غير قادرة على إزالة متطلبات التبريد النشط بمقبض واحد لجميع الأنظمة عالية الأداء. في الحالات التي توجد فيها إمكانية عالية لتوليد الحرارة، عادةً ما يكون مزيج من مشعات الحرارة السلبية وطرق التبريد النشطة (أي مراوح التبريد) أكثر كفاءة لتنظيم درجة الحرارة.
مصادر مرجعية
1. دراسة حسابية لمشتت الحرارة المتكامل ومواد تغيير الطور كنظام تبريد سلبي للأجهزة الكهروضوئية الشمسية
- المؤلف: نزار نوفل وحيو عطاالله، ب. حليمي
- نشرت: 2024
- النتائج الرئيسية:
- يقوم هذا البحث بتحليل أداء لوحة شمسية كهروضوئية (PV) مبردة باستخدام مزيج من المبدد الحراري ومواد تغيير الطور (PCM).
- تدرس أداء المشتت الحراري ذو التوجهات المختلفة (مستقيم، دائري، متعرج) من خلال طريقة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD).
- أدى الجمع بين المشتت الحراري وPCM إلى إنتاج درجة حرارة متوسطة للخلية تبلغ 47.94 درجة مئوية، وهو أقل من استخدام المشتت الحراري وحده عند 51.25 درجة مئوية.
- المنهجية:
- تم إجراء عمليات محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية لتحديد الأداء الحراري لتصميمات مختلفة لمبددات الحرارة باستخدام PCM.
- تنويه: (عطالله وحليمي، 2024، ص 1 – 6)
2. التحليل التجريبي والعددي المشترك لخصائص التوصيل الحراري لمشتت الحرارة ذو الزعانف الدبوسية المخروطية الشكل مع PCM
- المؤلف: شرزيل هدى تحسين وآخرون.
- نشرت: 2024
- النتائج الرئيسية:
- تبحث هذه الدراسة في أداء التبريد في تركيبة مواد تغيير الطور (PCM) مع زعانف الدبوس المخروطية الشكل المبردة.
- تظهر النتائج أن التجويفات والثقوب الموجودة على الزعانف المخروطية تزيد من كفاءة نقل الحرارة بنسبة 4.6% مقارنة بالزعانف الدائرية القياسية.
- وأظهرت التجربة أن تطبيق PCM أدى إلى تحسين أداء التبريد بنسبة تتراوح بين 5% إلى 8% مقارنة بالتبريد الهوائي.
- المنهجية:
- تم إجراء تقييم انتقال الحرارة على تكوينات الزعانف المختلفة باستخدام مزيج من التحليل العددي ثلاثي الأبعاد والتحليل التجريبي.
- تنويه: (تحسين وآخرون، 2024)
3. العنوان: دراسة تجريبية للأداء الحراري لمبدد حراري مملوء بهيكل ألمنيوم مسامي/مادة مركبة من البارافين متغيرة الطور
- كاتب: شوفينج هوانج وآخرون.
- نشرت: 2024
- النتائج الرئيسية:
- يقترح هذا العمل مادة جديدة لتغيير الطور المركب، AS-PCM، والتي تحتوي على هيكل من الألومنيوم المسامي والبارافين لتحسين التوصيل الحراري.
- وتظهر النتائج أن التوصيل الحراري لـ AS-PCM يتفوق على التوصيل الحراري للبارافين النقي، مما يحسن أداء التحكم في درجة الحرارة.
- المنهجية:
- المطورة حديثا مادة مركبة تم اختباره تجريبيا على تحليل الأداء الحراري في ظل ظروف حدودية مختلفة.
- تنويه: (هوانج وآخرون، 2024)
4. دراسة تجريبية للأداء الحراري لمبدد حراري من الرغوة المعدنية ذات الزعانف مع مادة متغيرة الطور
- المؤلف: يونغ بينج هوانغ وآخرون.
- نشرت: 2020
- النتائج الرئيسية:
- قامت هذه الدراسة بتقييم الأداء الحراري لمبددات الحرارة الرغوية المعدنية ذات الزعانف مع مواد تغيير الطور المتكاملة.
- توصلت الدراسة إلى أن دمج الرغوة المعدنية أدى إلى تحسين التوصيل الحراري، مما أدى إلى تحسين أداء نقل الحرارة.
- المنهجية:
- تم إجراء تحليل الاستجابة الديناميكية لتقييم درجة حرارة المشتت الحراري والاستجابة الديناميكية الحرارية بالمقارنة مع المشتتات الحرارية ذات الزعانف التقليدية.
- تنويه: (هوانغ وآخرون، 2020، ص 579-591)
5. الأداء الحراري لمشتت الحرارة القائم على مادة تغيير الطور لتبريد الخلايا الكهروضوئية الشمسية
- المؤلف: لم يتم تحديد
- نشرت: 2019
- النتائج الرئيسية:
- تناولت هذه الدراسة استخدام مواد تغيير الطور لتبريد الخلايا الشمسية الكهروضوئية، مع التركيز على تقنيات التبريد السلبي.
- تم اختيار شمع البارافين لاستخدامه بسبب الحرارة الكامنة العالية لانصهاره مما يجعله مادة PCM مرغوبة.
- المنهجية:
- تم إجراء إعدادات تجريبية مختلفة لدراسة الأداء الحراري لمبدد الحرارة القائم على البارافين في ظل ظروف مختلفة.
- تنويه: ("الأداء الحراري لمشتت الحرارة القائم على مادة تغيير الطور لتبريد الخلايا الكهروضوئية الشمسية"، 2019)
6. الألومنيوم
8. معدن
