ما هو المشتت الحراري وأهميته

ما هو المشتت الحراري وأهميته

كل المكونات الكهربائية والإلكترونية في الدائرة يولد قدرًا من الحرارة بينما يتم تنفيذ الدائرة من خلال توفير مصدر الطاقة. عادةً ما تكون أجهزة أشباه الموصلات عالية الطاقة مثل ترانزستورات الطاقة والإلكترونيات البصرية مثل الثنائيات الباعثة للضوء ، يولد الليزر الحرارة بكميات كبيرة وهذه المكونات غير كافية لتبديد الحرارة ، حيث أن قدرتها على التبديد منخفضة بشكل ملحوظ.



نتيجة لذلك ، يؤدي تسخين المكونات إلى فشل مبكر وقد يتسبب في فشل أداء الدائرة أو النظام بالكامل. لذلك ، للتغلب على هذه الجوانب السلبية ، يجب توفير المشتتات الحرارية لغرض التبريد.


ما هو المشتت الحراري؟

تقليل الحرارة

تقليل الحرارة





المشتت الحراري هو مكون إلكتروني أو جهاز من دائرة كهربائية التي تشتت الحرارة من المكونات الأخرى (بشكل رئيسي من ترانزستورات الطاقة) للدائرة في الوسط المحيط وتبريدها لتحسين أدائها وموثوقيتها وتجنب أيضًا الفشل المبكر للمكونات. لغرض التبريد ، فهو يشتمل على مروحة أو جهاز تبريد.

مبدأ بالوعة الحرارة

ينص قانون فورييه للتوصيل الحراري على أنه إذا كان التدرج الحراري موجودًا في الجسم ، فإن الحرارة ستنتقل من منطقة مرتفعة درجة الحرارة للسماح بمنطقة درجة الحرارة ، ويمكن تحقيق ذلك بثلاث طرق مختلفة ، مثل الاتفاقية والإشعاع و التوصيل.



مبدأ بالوعة الحرارة

مبدأ بالوعة الحرارة

عندما يتلامس جسمان بدرجات حرارة مختلفة مع بعضهما البعض ، يحدث التوصيل مما يتسبب في اصطدام الجزيئات سريعة الحركة للكائن عالي الحرارة بالجزيئات البطيئة الحركة للأجسام الأكثر برودة ، وبالتالي نقل الطاقة الحرارية إلى الجسم الأكثر برودة ، وهذا يسمى الموصلية الحرارية.

وبالمثل ، ينقل المشتت الحراري الحرارة أو الطاقة الحرارية من مكون عالي الحرارة إلى وسط منخفض الحرارة مثل الهواء والماء والزيت وما إلى ذلك ، وعادة ما يستخدم الهواء كوسيط منخفض الحرارة ، وإذا تم استخدام الماء كوسيط ، ثم يطلق عليه الصفيحة الباردة.


أنواع بالوعة الحرارة

يتم تصنيف المشتتات الحرارية إلى فئات مختلفة بناءً على معايير مختلفة. دعونا ننظر في الأنواع الرئيسية ، وهي المشتتات الحرارية النشطة والمشتتات الحرارية السلبية.

أنواع بالوعة الحرارة

أنواع بالوعة الحرارة

مغاسل حرارية نشطة

عادة ما تكون من نوع المروحة وتستخدم الطاقة لغرض التبريد ، ويمكن أيضًا تسميتها بالوعة الحرارة أو المراوح. يتم تصنيف المراوح أيضًا على أنها نوع محمل كروي ونوع محمل جلبة. تُفضل مراوح المحرك ذات الكرات لأن فترة عملها أطول وتكون أرخص عندما يتعلق الأمر بالاستخدام طويل المدى. أداء هذه الأنواع من المشتت الحراري ممتاز ، ولكن ليس للتطبيقات طويلة المدى لأنها تتكون من أجزاء متحركة و باهظة الثمن بعض الشيء أيضًا.

مغاسل الحرارة السلبية

هذه لا تحتوي على أي مكونات ميكانيكية وهي مصنوعة من مشعات ذات زعانف من الألومنيوم. تبدد هذه الطاقة الحرارية أو الحرارة باستخدام عملية الحمل الحراري. هذه هي الأكثر موثوقية من المشتتات الحرارية النشطة ، وللتشغيل الفعال للمشتتات الحرارية السلبية ، يوصى بالحفاظ على تدفق الهواء المستمر عبر زعانفها.

بالوعة الحرارة الألومنيوم

تصنع المشتتات الحرارية بشكل عام من المعادن ، والألمنيوم هو المعدن الأكثر استخدامًا في المشتت الحراري ، ونحن ندرك حقيقة أن الموصلية الحرارية لكل معدن مختلفة ، والتوصيل الحراري للمعدن يتناسب مع انتقال الحرارة في المشتت الحراري . وبالتالي ، إذا زادت الموصلية الحرارية للمعدن ، فإن
ستزداد أيضًا قدرة نقل الحرارة للمشتت الحراري.

بالوعة الحرارة الألومنيوم

بالوعة الحرارة الألومنيوم

الموصلية الحرارية للألمنيوم 235 واط / م كلفن هي أرخص معدن وخفيف الوزن. تسمى أحواض الحرارة المصنوعة من الألومنيوم أيضًا بأحواض حرارة مقذوفة حيث يمكن تصنيعها باستخدام البثق.

مغاسل حرارية مختومة

هذه مصنوعة من معادن مختومة لتشكيل شكل معين. ينشئ هذا الختم المشتتات الحرارية كلما تم نقل المعدن من خلال آلة الختم. هذه أرخص مقارنة بأحواض الحرارة المبثوقة.
تستخدم هذه التطبيقات منخفضة الطاقة وبالتالي فهي منخفضة الأداء.

تصنيع مغاسل الحرارة

يتم تصنيعها من خلال عملية المعالجة الآلية كثيرًا ما يستخدم المنشار الجماعي لإزالة كتلة من المواد لعمل زعانف بينية مع تباعد دقيق. هذه غالية الثمن لأن الكثير من المعادن قد تذهب هدرًا في عملية التصنيع.

أحواض الحرارة المستعبدة الزعانف

يتم استخدامها بشكل متكرر للتطبيقات الكبيرة جسديًا التي تتطلب أداءً معقولاً مثل اللحام الكهربائي و تطبيقات الطوب DC-DC . يتم تصنيعها عن طريق ربط الزعانف الفردية للمعدن بقاعدة المشتت الحراري. يمكن القيام بذلك بطريقتين هما الايبوكسي الحراري وهو اقتصادي والآخر عن طريق اللحام بالنحاس وهو مكلف.

مغاسل حرارية ذات زعانف مطوية

تتميز المشتتات الحرارية ذات الزعانف المطوية بمساحة سطح كبيرة ، وتمتلك مادة مطوية بالوعة الحرارة ، وبالتالي فهي تتميز بأداء عالٍ للغاية وكثافة تدفق حراري عالية جدًا. في هذه الأحواض ، يتم توجيه الهواء للتدفق مباشرة إلى أحواض الحرارة من خلال نوع من القنوات. هذا يجعل كل شيء باهظ الثمن حيث يتم تضمين تكلفة التصنيع والأنابيب في التكلفة الإجمالية للحوض.

مغاسل الحرارة Skived

تُستخدم عملية الكشط لتصنيع هذه الأحواض ، والتي تتضمن صنع كتل دقيقة جدًا من المعادن بشكل عام من النحاس. ومن ثم ، يطلق عليها اسم المشتتات الحرارية. هذه أحواض حرارة متوسطة إلى عالية الأداء.

مغاسل حرارية مزورة

تُستخدم المعادن مثل النحاس والألمنيوم لتشكيل أحواض حرارة باستخدام قوى الضغط. هذه العملية تسمى عملية تزوير. ومن ثم ، فقد تم تسميتها بأحواض حرارة مزورة.

أحواض الحرارة ذات الزعانف المفردة

هذه خفيفة الوزن ويمكن تثبيتها في الأماكن الضيقة. كما أنها تمتلك قدرة أداء منخفضة إلى عالية ، ويمكن استخدامها للعديد من التطبيقات. لكن العيب الرئيسي هو أنها باهظة الثمن بعض الشيء.

مغاسل الحرارة Swaged

Swaging هي عملية تزوير باردة ولكن في بعض الأحيان يمكن إجراؤها حتى كعملية تشغيل ساخنة يتم فيها تغيير أبعاد العنصر إلى قالب. هذه غير مكلفة ومتوسطة الأداء ومحدودة في إدارة تدفق الهواء.

أهمية المشتتات الحرارية في الدوائر الإلكترونية

  • المشتت الحراري هو مبادل حراري سلبي ، وهو مصمم ليكون له مساحة سطح كبيرة ملامسة للوسط (التبريد) المحيط مثل الهواء. تتطلب المكونات أو الأجزاء الإلكترونية أو الأجهزة التي لا تكفي لتهدئة درجة حرارتها أحواض حرارية للتبريد. الحرارة الناتجة عن كل عنصر أو مكون الدائرة الإلكترونية يجب تبديدها لتحسين موثوقيتها ومنع حدوث عطل سابق لأوانه للمكون.
  • يحافظ على الاستقرار الحراري في حدود كل الكهرباء و المكون الإلكتروني لأي دائرة أو الأجزاء الإلكترونية من أي نظام. يعتمد أداء المشتت الحراري على عوامل مثل اختيار المادة وتصميم البروز ومعالجة السطح وسرعة الهواء.
  • يتم أيضًا تبريد وحدات المعالجة المركزية ومعالجات الرسومات للكمبيوتر باستخدام المشتتات الحرارية. تُعرف المشتتات الحرارية أيضًا باسم موزعات الحرارة ، والتي تُستخدم كثيرًا كأغطية على ذاكرة الكمبيوتر لتبديد الحرارة.
  • إذا لم يتم توفير المشتتات الحرارية للدوائر الإلكترونية ، فستكون هناك فرصة لفشل المكونات مثل الترانزستورات ومنظمات الجهد والدوائر المتكاملة ومصابيح LED وترانزستورات الطاقة. حتى حين لحام دائرة إلكترونية ، يوصى باستخدام المشتت الحراري لتجنب ارتفاع درجة حرارة العناصر.
  • لا توفر المشتتات الحرارية تبديد الحرارة فحسب ، بل تستخدم أيضًا لإدارة الطاقة الحرارية التي تتم عن طريق تبديد الحرارة عندما تكون الحرارة أكثر. في حالة درجات الحرارة المنخفضة ، تهدف المشتتات الحرارية إلى توفير الحرارة عن طريق إطلاق الطاقة الحرارية للتشغيل السليم للدائرة.

اختيار بالوعة الحرارة

لاختيار المشتت الحراري ، نحتاج إلى مراعاة الحسابات الرياضية التالية:

انصح

س: معدل تبديد الحرارة بالواط

T_j: درجة حرارة التوصيل القصوى للجهاز في 0 درجة مئوية

T_c: درجة حرارة علبة الجهاز في 0 درجة مئوية

T_a: درجة حرارة الهواء المحيط عند 0 درجة مئوية

T_s: أقصى درجة حرارة للمشتت الحراري تقع في أقصى درجات حرارة الجهاز في 0 درجة مئوية

يمكن إعطاء المقاومة الحرارية بواسطة

R = ∆T / Q

يتم إعطاء المقاومة الكهربائية بواسطة

R_e = ∆V / I

يتم إعطاء المقاومة الحرارية بين الوصلة وحالة الجهاز بواسطة

R_jc = (∆T_jc) / Q

يتم إعطاء حالة مقاومة الغرق بواسطة

R_cs = (∆T_cs) / س

تغرق في المقاومة المحيطة

R_sa = (∆T_sa) / س

وبالتالي ، يتم إعطاء تقاطع مع المقاومة المحيطة بواسطة

R_ja = R_jc + R_cs + R_sa = (T_j-T_a) / Q

الآن ، المقاومة الحرارية المطلوبة للمشتت الحراري هي

R_sa = (T_j-T_a) / Q-R_jc-R_cs

في المعادلة أعلاه ، يتم إصلاح قيم T_j و Q و R_jc من قبل الشركة المصنعة ويتم تحديد قيم T_a و R_cs بواسطة المستخدم.

وبالتالي ، يجب أن تكون المقاومة الحرارية للمشتت الحراري للتطبيق أقل من أو تساوي R_sa المحسوب أعلاه.

أثناء اختيار المشتت الحراري ، يجب أخذ العديد من المعلمات في الاعتبار مثل الميزانية الحرارية المسموح بها للمشتتات الحرارية ، وظروف تدفق الهواء (التدفق الطبيعي ، والتدفق المنخفض المختلط ، والحمل القسري عالي التدفق).

يمكن تحديد حجم المشتت الحراري بقسمة المقاومة الحرارية الحجمية على المقاومة الحرارية المطلوبة. نطاق المقاومة الحرارية الحجمية كما يلي في الجدول الموضح أدناه.

نطاق المقاومة الحرارية الحجمية
يوضح الرسم البياني أدناه التباين في حجم المشتت الحراري للألمنيوم والمقاومة الحرارية كمثال على اختيار المشتت الحراري على أساس المقاومة الحرارية.

المساحة مقابل المقاومة الحرارية للمشتت الحراري

المساحة مقابل المقاومة الحرارية للمشتت الحراري

تتناول هذه المقالة باختصار بالوعة الحرارة وأنواع مختلفة من المشتتات الحرارية وأهمية المشتت الحراري في الدوائر الإلكترونية. للمزيد منمعلومات بخصوص المشتتات الحرارية ، يرجى إرسال استفساراتك عن طريقالتعليق أدناه.

اعتمادات الصورة: