الملخص
تصميم وتطبيق الطاقة العالية مشعات حرارية TEC تلبية متطلبات التحكم في درجة حرارة الأجهزة الطبية الدقيقة. مع التطور السريع للصناعة الطبية ومجال الأجهزة الدقيقة، ازدادت متطلبات حساسية ودقة معدات التحكم في درجة الحرارة بشكل ملحوظ. خاصةً في الحالات التي تتطلب درجة حرارة أقل من درجة حرارة المحيط مع الحفاظ على دقة التحكم ضمن ±1 درجة مئوية (مثل عملية اختبار ورق الاختبار لأجهزة تحليل الأجهزة الطبية)، أصبحت كفاءة تبديد الحرارة للمبردات الكهروحرارية عالية الطاقة (TEC) عاملاً أساسياً يؤثر على تأثير التحكم في درجة الحرارة. لتلبية هذا الطلب، تقترح هذه الورقة تصميمًا لمشتت حراري من النوع المنفصل يتكون من "مشتت حراري للجانب البارد" و"مشتت حراري للجانب الساخن". توضح الورقة أن مشتت حراري الجانب البارد يعتمد عملية بثق القالب لضمان نعومة السطح وتجنب التكثف والتجمد، بينما يستخدم مشتت حراري الجانب الساخن عملية زعانف انزلاقية عالية الكثافة لتعزيز قدرة تبديد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تُحجز الفجوات وتُملأ بالرغوة لحل مشكلة التدفق المتقاطع بين الجانبين البارد والساخن. وباستخدام حالة تطبيقية لمشتت حراري ذي زعانف مُقصوصة بأبعاد 200×150×80 مم، ثبت أن هذا النظام قادر على تلبية متطلبات تبديد الحرارة لأربع مجموعات من وحدات TEC بقدرة 50 واط، مما يوفر دعمًا موثوقًا للتحكم في درجة حرارة الأجهزة الطبية الدقيقة.
1. مقدمة
في أجهزة الاختبار الطبية (مثل أجهزة التحليل الكيميائي الحيوي والمقايسات المناعية)، تتطلب العمليات الرئيسية، مثل تفاعلات ورق الاختبار وحفظ العينات، متطلبات عالية للغاية لاستقرار درجة الحرارة. لا يقتصر الأمر على ضرورة التحكم في درجة الحرارة ضمن نطاق أقل من درجة حرارة المحيط، بل يجب أيضًا الحفاظ على دقة القياس ضمن ±1 درجة مئوية. في ظل هذا الطلب، يُستخدم TEC على نطاق واسع نظرًا لمزاياه في التحكم الدقيق في درجة الحرارة وسرعة الاستجابة. ومع ذلك، يُولّد TEC عالي الطاقة كمية كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل. إذا لم تُبدد الحرارة على الجانب الساخن في الوقت المناسب، أو حدث تكثف وتجمد على الجانب البارد، فسيؤدي ذلك مباشرةً إلى انخفاض دقة التحكم في درجة الحرارة، بل وحتى تلف المكونات الأساسية للجهاز.
غالبًا ما تعتمد تصاميم مشتتات الحرارة TEC التقليدية على بنية وعملية واحدة، مما يُصعّب تلبية المتطلبات المزدوجة المتمثلة في "منع التكثف على الجانب البارد" و"تبديد الحرارة بكفاءة عالية على الجانب الساخن" في آنٍ واحد. لذلك، واستنادًا إلى نقاط ضعف التحكم في درجة حرارة الأجهزة الطبية الدقيقة، تُصمّم هذه الورقة البحثية مشتت حرارة TEC عالي الطاقة من النوع المنفصل. من خلال اختيار العملية، والتحسين الهيكلي، والتحقق من الحالات، تُقدّم الورقة أفكارًا تصميمية ومراجع عملية لتطبيقات مماثلة.
2. المبادئ الأساسية والمخطط لتصميم المشتت الحراري عالي القدرة TEC
2.1 مبادئ التصميم الأساسية
١. مبدأ منع التكثف والتجمد: يكون المشتت الحراري للجانب البارد على اتصال مباشر بالطرف البارد للوحة التحكم الإلكترونية (TEC) ومنطقة التحكم في درجة الحرارة. إذا كان السطح غير مستوٍ، فمن المرجح أن يتكثف بخار الماء في الهواء على شكل قطرات ماء على الجانب البارد، بل ويتجمد في بيئة منخفضة الحرارة، مما يؤثر على كفاءة التوصيل الحراري وسلامة الجهاز. لذلك، يجب أن يضمن الجانب البارد نعومة سطحية عالية جدًا.
٢. مبدأ تبديد الحرارة عالي الكفاءة: عند تشغيل TEC، يُولّد الطرف الساخن كمية كبيرة من الحرارة تعادل سعة التبريد (بما في ذلك الحرارة المُحوّلة من طاقة الإدخال). إذا لم تُبدد حرارة الطرف الساخن في الوقت المناسب، سينخفض فرق درجة الحرارة بين الطرفين البارد والساخن لـ TEC، وستنخفض كفاءة التبريد بشكل حاد. لذلك، يجب أن يعتمد الطرف الساخن هيكلًا وعمليةً يتميزان بكفاءة عالية في تبديد الحرارة.
٣. مبدأ عزل البارد والساخن: في حال تلامس الجانبين البارد والساخن مباشرةً أو وجود تداخل في تدفق الهواء، سيتسبب ذلك في تداخل متبادل بين تبادل الحرارة والبرودة، مما يُضعف استقرار التحكم في درجة الحرارة. لذلك، يتطلب الأمر تصميمًا هيكليًا يمنع تداخل تدفق الحرارة ودوران الهواء بين الجانبين البارد والساخن.
2.2 مخطط تصميم المشتت الحراري من النوع المنفصل
استنادًا إلى المبادئ المذكورة أعلاه، يقترح هذا البحث تصميمًا لمشتت حراري من النوع المنقسم، يقسم الهيكل الإجمالي إلى قسمين: "مشتت حراري على الجانب البارد" و"مشتت حراري على الجانب الساخن"، والذي يعتمد على عمليات وتصميمات هيكلية متباينة على التوالي:
2.2.1 المشتت الحراري للجانب البارد: عملية بثق الملف الشخصي تضمن نعومة السطح
يعمل مُشتت الحرارة على الجانب البارد مباشرةً على الطرف البارد من TEC، ووظيفته الأساسية هي منع التكثف والتجمد. لذلك، يُعالَج الجانب البارد باستخدام ملف التعريف e.مشتت حراري للبثق هذه العملية قادرة على تحقيق خشونة سطح منخفضة للغاية (Ra ≤ 0.8μm) من خلال عملية البثق والطحن الدقيق، مما يؤدي إلى تشكيل سطح أملس ومسطح.
يُقلل السطح الأملس من نقاط التصاق بخار الماء، وحتى في البيئات منخفضة الحرارة، يُقلل من احتمالية تكثف قطرات الماء. في حالة ارتفاع نسبة الرطوبة المحيطة، يُسهّل السطح الأملس أيضًا الانزلاق الطبيعي لقطرات الماء، مما يمنع تراكمها وتكوين الجليد على المدى الطويل، مما يضمن كفاءة التوصيل الحراري بين الطرف البارد لـ TEC والمشتت الحراري، ويحافظ على دقة التحكم في درجة الحرارة.
2.2.2 المشتت الحراري الجانبي الساخن: عملية الزعانف المزلقة تعزز قدرة تبديد الحرارة
يحتاج المشتت الحراري ذو الجانب الساخن إلى تبديد سريع لكمية كبيرة من الحرارة المتولدة في الطرف الساخن من TEC، ويتمثل هدفه الأساسي في تعظيم مساحة تبديد الحرارة وكفاءة التبادل الحراري. لذلك، يُعالَج الجانب الساخن باستخدام عملية الزعانف عالية الكثافة المُسَحوبة. تُشكِّل هذه العملية زعانف كثيفة مباشرة على لوحة قاعدة المشتت الحراري من خلال القطع الميكانيكي. وبالمقارنة مع مقاطع الألمنيوم المبثوقة التقليدية، يُمكن تحقيق تباعد أصغر بين الزعانف وارتفاع أعلى لها، مما يزيد بشكل كبير من مساحة تبديد الحرارة.
في الوقت نفسه، تضمن عملية إزالة الزعانف تشكيل الزعانف ولوحة القاعدة هيكلًا متكاملًا، مما يتجنب المقاومة الحرارية الناتجة عن اللحام أو التجميع، ويعزز كفاءة التوصيل الحراري. في تصميم هذه الورقة، يمكن التحكم في تباعد الزعانف في مشتت الحرارة الجانبي الساخن في حدود 2 مم، ويمكن أن يصل أقصى ارتفاع للزعنفة إلى 120 مم، والذي يمكن تعديله بمرونة وفقًا لقوة TEC لتلبية متطلبات تبديد الحرارة عالية الطاقة.
2.2.3 تصميم العزل البارد والساخن: حجز الفجوات وملء الرغوة
لتجنب تداخل التدفق بين درجة حرارة الجانب البارد المنخفضة ودرجة حرارة الجانب الساخن المرتفعة، تُحفظ فجوة ثابتة تتراوح بين 10 و15 مم بين مشتتي الحرارة في الجانبين البارد والساخن، وتُملأ هذه الفجوة بمادة رغوية ذات مقاومة عالية للحرارة وموصلية حرارية منخفضة. يحقق هذا التصميم ثلاثة تأثيرات:
•العزل المادي: يمنع الاتصال المباشر بين الجانبين البارد والساخن، مما يتجنب تدفق الحرارة المتبادل.
•حجب الهواء: ملء الفجوة يمكن أن يمنع التبادل الحراري بين الهواء البارد والساخن، مما يقلل من تداخل الحرارة.
•حماية المخزن المؤقت: تتمتع مادة الرغوة بمرونة معينة، مما يمكنها تخفيف الاهتزازات الطفيفة أثناء تشغيل TEC وحماية استقرار الاتصال بين المشتت الحراري ووحدة TEC.
3. التحقق من حالة الطلب
3.1 خلفية القضية
يتطلب جهاز تحليل كيميائي حيوي تابع لشركة تصنيع معدات طبية تجهيزه بأربع مجموعات من وحدات TEC، كل منها بقوة اسمية 50 واط، مما يتطلب تبديد حرارة إجمالية قدرها 200 واط. أثناء تشغيل الجهاز، يجب ضبط درجة حرارة منطقة تفاعل ورقة الاختبار عند 15 درجة مئوية (أقل من درجة الحرارة المحيطة بمقدار 10 إلى 15 درجة مئوية) بدقة تحكم في درجة الحرارة تبلغ ±1 درجة مئوية. بناءً على مخطط التصميم الوارد في هذه الورقة، تم تصميم مشتت حراري جانبي ساخن لهذا الجهاز.
3.2 معلمات وعمليات المشتت الحراري
١. مشتت حراري جانبي ساخن: معالج بتقنية الزعانف المقصوصة، بأبعاد ٢٠٠ مم (طول) × ١٥٠ مم (عرض) × ٨٠ مم (ارتفاع). ارتفاع الزعانف ٨٠ مم، والمسافة بينها ٢ مم، وسمك لوحة القاعدة ١٠ مم. المادة المستخدمة هي سبيكة ألومنيوم ٦٠٦٣ (موصلية حرارية: ٢٠١ واط/متر·كلفن)، وسطحها معالج بالأنودة لتحسين مقاومتها للتآكل.
٢. مشتت حراري للجانب البارد: مُعالَج باستخدام عملية بثق الصفائح، بأبعاد مطابقة للوحة القاعدة للجانب الساخن (٢٠٠ مم × ١٥٠ مم) وسمك ١٥ مم. خشونة السطح Ra = ٠٫٦ ميكرومتر لضمان عدم وجود أي نقاط غير مستوية واضحة.
3. عزل البارد والساخن: يتم حجز فجوة 12 مم بين الجانب البارد والجانب الساخن، وهي مملوءة بمادة رغوية مقاومة لدرجات الحرارة العالية (التوصيل الحراري ≤ 0.03 واط / (م·ك)).
3.3 التحقق من تأثير تبديد الحرارة
في ظل ظروف الاختبار لدرجة حرارة محيطة تبلغ 25 درجة مئوية ورطوبة نسبية تبلغ 60%، وبعد تشغيل 4 مجموعات من وحدات TEC بقوة 50 وات بكامل الحمل لمدة ساعتين، تم إجراء المراقبة باستخدام أجهزة قياس الحرارة وأجهزة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء:
• تم الحفاظ على درجة حرارة الطرف الساخن لـ TEC بشكل ثابت عند 55 درجة مئوية إلى 58 درجة مئوية، وهي أقل من درجة حرارة التشغيل القصوى المقدرة لـ TEC (80 درجة مئوية)، مما يلبي متطلبات التشغيل الآمن.
• تم الحفاظ على درجة حرارة سطح المشتت الحراري الجانبي البارد بشكل ثابت عند 14.8 درجة مئوية ~ 15.2 درجة مئوية، مع دقة التحكم في درجة الحرارة ± 0.2 درجة مئوية، ولم يحدث أي تكاثف أو جليد على السطح.
• من خلال تبريد الهواء القسري (سرعة الهواء: 2 متر/ثانية) لمشتت الحرارة الجانبي الساخن، تم التحكم في الفرق في درجة الحرارة بين أقصى درجة حرارة للسطح ودرجة الحرارة المحيطة في حدود 35 درجة مئوية، وكفاءة تبديد الحرارة تلبي توقعات التصميم.
4. الاستنتاجات والآفاق
بهدف تلبية المتطلبات المزدوجة المتمثلة في "منع التكثيف" و"تبديد الحرارة بكفاءة عالية" لمشتتات الحرارة TEC في الأجهزة الطبية الدقيقة، تقترح هذه الورقة تصميمًا من النوع المنفصل. من خلال عملية بثق القالب للجانب البارد، وعملية الزعانف المقطوعة للجانب الساخن، وهيكل العزل البارد-الساخن، تم حل نقاط الضعف في تصميم مشتتات الحرارة التقليدية بفعالية. أظهرت دراسة الحالة أن مشتت الحرارة ذو الزعانف المقطوعة بأبعاد 200×150×80 مم يمكنه دعم متطلبات تبديد الحرارة لأربع مجموعات من وحدات TEC بقدرة 50 واط بثبات، مع دقة تحكم في درجة الحرارة تبلغ ±0.2 درجة مئوية، مما يلبي المتطلبات الصارمة لأجهزة التحليل الطبية.
من أجل تحسين تبديد الحرارة بكفاءة للسطح الساخن، يمكننا أيضًا اعتماد أنبوب الحرارة مخطط. باستخدام تأثير نقل الحرارة الفعال لأنبوب الحرارة، يمكن نقل كمية كبيرة من الحرارة فورًا إلى الزعنفة، ومن ثم يمكن استخدام الحمل الحراري القسري لنقل الحرارة إلى الهواء، مما يقلل درجة حرارة TEC.
في المستقبل، يُمكن إجراء تحسينات إضافية في اختيار مواد مشتتات الحرارة (مثل استخدام سبائك النحاس ذات الموصلية الحرارية العالية) والتصميم الهيكلي (مثل دمج تقنية تبديد الحرارة بالقنوات الدقيقة). بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استكشاف أنماط هجينة لتبديد الحرارة السلبي والنشط للتكيف مع وحدات TEC عالية الطاقة وسيناريوهات التحكم في درجات الحرارة الأكثر تطرفًا، مما يوفر حلول تبديد حرارة أكثر كفاءة لتحسين أداء الأجهزة الطبية الدقيقة.
