نظراً لتزايد قدرة الأجهزة الإلكترونية، بات استخدام مشتتات الحرارة المبردة بالهواء أكثر صعوبة في تلبية متطلباتها. وبسبب استخدام الهواء كوسيط تبريد، أصبح من الصعب تصميم مشتتات حرارة قادرة على تبديد أكثر من 100 واط/سم² على مستوى الجهاز. وقد أصبحت الألواح المبردة بالسوائل بديلاً معترفاً به لمشتتات الحرارة المبردة بالهواء، وذلك بفضل أدائها الأفضل وحجمها الأصغر. وفي مجال تقنية التبريد بالسوائل، تُعد الألواح المبردة بالسوائل ذات القنوات الدقيقة من أكثر تقنيات التبريد الواعدة على مستوى الجهاز.
شركة تصنيع ألواح التبريد السائلة — Kenfatech
استناداً إلى أكثر من 10 سنوات من الخبرة في الإنتاج، تتبنى شركة KENFA TECH العديد من عمليات الإنتاج المتقدمة لإنتاج ألواح التبريد السائل، وخاصة القنوات الدقيقة لألواح التبريد السائل المحسنة، والتي يمكنها أن تأخذ 790 واط/سم2 من الحرارة.
تكمن روعة ألواح التبريد السائل الدقيقة في قدرتها على تحقيق معاملات نقل حرارة عالية وخلق مساحة سطح كبيرة. وتُحدد قدرة تبديد الحرارة في مشتتات الحرارة المبردة بالسائل من خلال التوصيل الحراري في المواد الصلبة والحمل الحراري في السوائل.
صيغة 1
عادةً، عند استخدام مواد عالية التوصيل لتصنيع مشتتات الحرارة، يكون الحمل الحراري هو العامل الرئيسي في تقليل المقاومة الحرارية. في حالة التدفق الصفحي المكتمل في قناة مربعة ذات درجة حرارة جدار ثابتة أو تدفق حراري جداري ثابت، يكون رقم نوسلت Nu ثابتًا. يمكن حساب معامل انتقال الحرارة h بالمعادلة التالية.
بينهم، k هي الموصلية الحرارية للسائل، و Dh هو القطر الهيدروليكي للقناة. تشير المعادلة أعلاه إلى أن معامل انتقال الحرارة يتناسب عكسيًا مع القطر الهيدروليكي للقناة. بتقليل حجم القناة، يمكن الحصول على معامل انتقال حرارة أكبر.
معامل الاحتكاك للتدفق الصفحي المتطور بالكامل في قناة مربعة هو أيضًا ثابت.
صيغة 2
تُحسب قيمة انخفاض الضغط δP عبر القناة وفقًا للصيغة التالية، حيث f هو معامل الاحتكاك، و u هي سرعة التدفق، و L هو طول القناة. يتضح أن انخفاض الضغط يتناسب عكسيًا مع القطر الهيدروليكي للقناة. لذا، عند ثبات معدل التدفق، كلما صغر قطر القناة، زاد انخفاض الضغط.
بدمج الصيغتين السابقتين، يظهر تناقض بين تحسين الأداء الحراري والهيدروليكي لمشعات القنوات الدقيقة. لتقليل المقاومة الحرارية، يجب تقليل حجم القناة. ومع ذلك، مع تناقص حجمها، يزداد انخفاض الضغط عبرها. هذا يعني الحاجة إلى طاقة أكبر لدفع التدفق، مما يزيد من الحاجة إلى أداء المضخة الخارجية.
هناك العديد من الطرق لتحسين أداء القنوات الدقيقة. بعضها يهدف إلى زيادة معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري، وبعضها يُركز على تقليل انخفاض الضغط، بينما يُركز بعضها الآخر على هذين الهدفين. يمكن تلخيص الطرق العامة لتحسين الأداء كما يلي:
قنوات ذات نسبة عرض إلى ارتفاع أكبر
استخدام قنوات أعمق سيزيد من انتقال الحرارة بالحمل الحراري ويقلل من انخفاض الضغط في سخانات القنوات الدقيقة. قارن بين هندستين مختلفتين للقنوات في الشكل 1.
بالنسبة لترتيب أخدود مربع، يكون القطر الهيدروليكي 2a، ومحيط الحدود 24h، ومساحة المقطع العرضي الكلية للأخدود 12a². أما بالنسبة لترتيب قناة مستطيلة بنسبة عرض إلى ارتفاع 6، فيكون القطر الهيدروليكي للقناة:
يبلغ محيطها الإجمالي 56a، ومساحة مقطعها العرضي 24 مترًا مربعًا. تتميز القنوات المستطيلة بأقطار هيدروليكية أصغر ومحيطات ومساحات مقطعية أكبر، مما يعني أنها قادرة على تحقيق مقاومة حرارية وانخفاض في الجهد أقل. يشبه مبدأ عملها مشتتًا حراريًا مبردًا بالهواء بزعانف طويلة. ومع ذلك، توجد قيود على ارتفاع الزعانف في هياكل القنوات الدقيقة. هذا القيد مُقيّد بتقنية التصنيع والتوصيل الداخلي للمواد الصلبة. من ناحية أخرى، يصعب تشكيل قنوات ذات نسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة وسمك جدار موحد على المستوى المجهري.
من ناحية أخرى، بسبب معامل نقل الحرارة الحملي العالي، تنخفض كفاءة زعانف القنوات الدقيقة بسرعة مع زيادة ارتفاع القناة. وهذا يعني أنه عندما يتجاوز ارتفاع القناة حدًا معينًا، فإن المقاومة الحرارية الكلية لن تتغير، وستصبح المقاومة الحرارية داخل المادة الصلبة كبيرة. لذلك، توجد نسبة عرض إلى ارتفاع محسنة، ويجب على المهندسين الحراريين إيجاد الحل الأمثل بين الأداء والتكلفة.
تعزيز الزعانف
هناك العديد من الطرق لتحسين أداء الزعانف، مثل تصميمات الزعانف الأربعة الموضحة في الشكل 2.
يوضح الشكل (أ) تصميمًا تقليديًا للزعانف المستقيمة. يوضح الشكل (ب) تصميمًا بزعانف متحللة، مما يُحسّن اختلاط التدفق ويُقلل من انخفاض الضغط. يوضح الشكل (ج) تصميمًا بأجنحة متداخلة. يُمكن لهذا التصميم اختراق الطبقة الحدودية وتحقيق معامل انتقال حرارة أكبر على زعنفة واحدة. يوضح الشكل 2 (د) تصميمًا معقدًا للزعانف على شكل ماسة.
تحسين التدفق
يُعد تغيير هيكل مشتتات الحرارة الدقيقة لتحسين التدفق طريقةً أخرى لتحسين أداء مشتت الحرارة. يوضح الشكل 3 مثالاً على تحسين التدفق. يحتوي مشتت الحرارة الدقيق هذا على مدخلين ومخرجين. ينفصل التدفق في المنتصف. يتشابه الأداء الحراري لهذا الهيكل مع تصميم الزعانف المستقيمة الموضح في الشكل 2 (أ). مع انخفاض طول التدفق إلى النصف، ينخفض أيضًا انخفاض الضغط إلى النصف مقارنةً بالشكل 2 (أ).
بنية القنوات الدقيقة متعددة الطبقات
يمكن أن يحقق استخدام هيكل متعدد الطبقات ذي قنوات دقيقة أداءً حراريًا وهيدروليكيًا جيدًا. يوضح الشكل 4 مثالين على مشتتات حرارية متعددة الطبقات ذات قنوات دقيقة. يُقلل الهيكل متعدد الطبقات القطر الهيدروليكي للقناة، مما يؤدي إلى ارتفاع معامل انتقال الحرارة وزيادة المساحة المبللة بين المواد الصلبة والسائلة. هذا يُساعد على تقليل المقاومة الحرارية الكلية، كما أنه يزيد من مساحة المقطع العرضي للقناة، مما يُقلل من انخفاض الضغط.
يمكن لهذا الهيكل متعدد الطبقات أيضًا التغلب على قيود ارتفاع القناة الناتجة عن تكنولوجيا التصنيع وجعل المشتت الحراري أكثر سمكًا.
ومع ذلك، فإن هذا يعني أيضًا أن إنشاء هياكل متعددة الطبقات ذات قنوات دقيقة من شأنه أن يزيد التكاليف وصعوبات التصنيع.
لذلك، عند تحسين القنوات الدقيقة للصفائح المبردة بالسائل، يجب علينا أن نأخذ في الاعتبار اختيار التكلفة وتكنولوجيا المعالجة، وذلك لجعل تصميم الصفيحة المبردة بالسائل فعالاً من حيث التكلفة.
