تحسين تصميم المشتت الحراري للحمل القسري

يعد التصميم الأمثل للمشتتات الحرارية، خاصة للأجهزة ذات الأحمال الحرارية العالية مثل MOSFETs وIGBTs، أمرًا بالغ الأهمية للتشغيل الفعال لهذه الأجهزة ولتجنب فشل المكونات المبكر.وهذا يتطلب مجموعة من المراوح والمشتتات الحرارية لتوفير التبريد المناسب للأجهزة عالية الطاقة التي تبدد كميات كبيرة من الحرارة.

وينكسوان الحرارية تتمتع شركة Energy بقدرات تخصيص احترافية وأسواق تطبيقات متنوعة، ويمكنها ذلك يعدل أو يكيف منتجات التبريد لأنظمة مختلفة للعملاء.

كما هو موضح في الشكل 1، غالبًا ما يتم استخدام غطاء أو قناة لتوجيه تدفق هواء المروحة إلى الرادياتير لمنع تدفق الهواء حول الرادياتير، وبالتالي تقليل قدرة التبريد الفعالة للمروحة و تقليل الحرارة مزيج.

الشكل 1: تصميم المبدد الحراري والمروحة بدون تجاوز

يمكن حساب التباعد الأمثل للمشتت الحراري والمقاومة الحرارية الناتجة لمجموعة المروحة/المبرد الموضحة في الشكل 1 مباشرة باستخدام بعض الصيغ لتقدير حجم المشتت الحراري المطلوب بسرعة.

ومع ذلك، ليس من الممكن تحسين التباعد بين زعانف المشتت الحراري بافتراض معدل تدفق ثابت أو معدل تدفق حجمي.يتم تحديد سرعة تدفق الهواء بين الزعانف من خلال تباعد الزعانف وعددها، باستخدام المعادلة 1. تنص هذه الصيغة على أن تدفق حجم الهواء الذي يقترب من المبرد هو نفس تدفق حجم الهواء الذي يمر عبر المبرد لأنه لا يوجد تدفق جانبي حول المبرد المشعاع.

الشكل 2: أبعاد زعانف تبريد الهواء

V_f: سرعة الهواء بين الزعانف

V: تدفق الحجم إلى المبرد

H_f= Hb: ارتفاع الزعنفة

S: المسافة بين الزعانف

N_f: عدد الزعانف

كلما كانت المسافة بين الزعانف أصغر s، كلما زادت سرعة الهواء V_f بين الزعانف.كلما زاد معدل تدفق الهواء، كان تأثير التبريد للمشتت الحراري أفضل.إذا كنت ترغب في تحسين حجم المشتت الحراري، فيجب أن يكون التباعد بين الزعانف قيمة صغيرة، لأن معدل تدفق الهواء سيزداد مع انخفاض تباعد الزعانف، وسيزداد تأثير التبريد أيضًا.في التطبيقات العملية، يتم توفير تدفق الهواء عن طريق المراوح أو المنافيخ.معدل التدفق ليس ثابتًا ومحدودًا بزيادة انخفاض ضغط المشتت الحراري مع تباعد المشتت الحراري s يتناقص.

1. افتراضات تصميم المشتت الحراري

لتبسيط التحليل وتجنب الأخطاء الحسابية الكبيرة، سنضع الافتراضات التالية:

أ.مساحة السطح الناتجة عن سمك الزعنفة t وسمك القاعدة b أقل بكثير من إجمالي مساحة سطح المشتت الحراري.

ب.مصدر الحرارة هو نفس طول وعرض المشتت الحراري ويقع في منتصف قاعدة المشتت الحراري.

ج.مصدر الحرارة وقاعدة المشتت الحراري على اتصال كامل بالمروحة أو المنفاخ.

د.يمر كل تدفق الهواء عبر المبرد.

ه.بالمقارنة مع الحمل الحراري، فإن انتقال الحرارة الإشعاعي صغير ويمكن تجاهله.

F.يكون تدفق الهواء عبر المبرد صفحيًا وثابتًا.سمك المشتت الحراري صغير مقارنة بالتباعد s بين المشتتات الحرارية.

بافتراض أن تدفق الهواء الصفحي عبر الرادياتير يعمل مع معظم مجموعات الرادياتير/المروحة التجارية.في الإلكترونيات، يعتبر ضجيج المروحة أحد الاعتبارات الرئيسية، لذلك يتم تقليل سرعة المروحة عمدًا لتجنب حدوث ضوضاء كبيرة عند الانتقال من التدفق الصفحي إلى التدفق المضطرب.

2. حساب تدفق المروحة

الخطوة الأولى في تصميم المشتت الحراري هي تحديد نقطة التشغيل لمجموعة المروحة والمشتت الحراري.عند استخدام مروحة أو منفاخ مع الرادياتير، فإن أداء المروحة سيعتمد على تصميم الرادياتير.

كما هو موضح في الشكل 3، تتمتع كل مروحة بمنحنى ضغط/تدفق فريد، حيث يتناسب معدل التدفق عكسيًا مع انخفاض الضغط عبر المروحة.تحتوي المشعات أيضًا على منحنى ضغط/تدفق يتناسب مع انخفاض الضغط عبر الرادياتير، كما هو موضح في الشكل 3. التدفق عبر مجموعة المروحة/الرادياتير هو تقاطع منحنيات ضغط/تدفق المروحة والرادياتير.

الشكل 3: ضغط المروحة والرادياتير مقابل منحنيات التدفق

يتم توفير منحنيات المروحة بشكل عام من قبل الشركة المصنعة للمروحة وعادة ما تكون غير خطية للغاية.في كثير من الحالات، بيانات أداء المروحة الوحيدة التي توفرها هي الحد الأقصى للتدفق والحد الأقصى لانخفاض الضغط.لتبسيط حسابات التدفق واستيعاب المواقف التي يتم فيها توفير الحد الأقصى للتدفق والحد الأقصى من انخفاض الضغط فقط، يمكن التعبير عن تقريب خطي بسيط لمنحنى المروحة في المعادلة 2. في معظم الحالات، يوفر هذا التقريب الخطي لمنحنى المروحة تقديرًا معقولًا لـ منحنى أداء المروحة

ΔP_الأعلى:أقصى انخفاض في ضغط المروحة

V_الأعلى:أقصى تدفق لحجم المروحة

في حالة تعدد المراوح المستخدمة جنبًا إلى جنب (بالتوازي)، الحد الأقصى لمعدل التدفق V_الأعلى المروحة هو الحد الأقصى لمعدل التدفق لمروحة واحدة مضروبًا في عدد المراوح.

يظهر انخفاض الجهد عبر المشتت الحراري في المعادلة 3:

كثافة الهواء ρ يتم حسابه من درجة حرارة الهواء المحيط.

القطر الهيدروليكي D_h يمكن تقريب القناة بين الزعانف 2 ثانية.المتغيرات K_c و K_e هي معاملات فقدان الضغط بسبب انكماش وتوسع تدفق الهواء الداخل والخارج من المبرد، على التوالي.إن صيغ معاملات فقدان الضغط هذه هي دالة للمنطقة الأمامية σ=ق/(ق + ر) وتستند إلى الرسم البياني الوارد في المرجع 1.

يعتمد معامل الاحتكاك الظاهري fapp على النموذج الذي تم تطويره في المرجع [2]:

، هو رقم رينولدز، حيث ν هي اللزوجة الحركية.

ال يأخذ المصطلح في المعادلة 6 في الاعتبار معامل الاحتكاك الناتج عن التدفق المتطور بالكامل بين زعانف الرادياتير.يحدث التدفق المتطور بالكامل في قنوات طويلة جدًا، أو في التدفقات البطيئة حيث يظل ملف تعريف سرعة التدفق ثابتًا.

لتحديد نقطة تشغيل المروحة/الرادياتير (أي تقاطع منحنيات الضغط/التدفق للمروحة والرادياتير)، تتم تسوية المعادلة 2 والمعادلة 3 والمتغير غير المعروف يتم تحديد.

3. تحسين تباعد الزعانف

حساب المسافة بين الزعانف S_{يختار، يقرر} التي توفر الحد الأقصى لانتقال الحرارة باستخدام المعادلة 9، حيث μ و α هي اللزوجة والانتشار الحراري للهواء، على التوالي.تم اقتراح هذه الصيغة بواسطة Bejan et al.في المرجع.3.

التباعد الأمثل للزعنفة S_{يختار، يقرر} هي وظيفة انخفاض ضغط المروحة ΔP_معجب وانخفاض ضغط المشتت الحراري ΔP_hs.يحدد ضغط النظام بأكمله صورة معدل التدفق عبر الرادياتير، ومعدل التدفق هذا هو الذي يؤثر على معدل نقل الحرارة في الرادياتير.

استبدل المعادلة 9 بمسافة الزعانف s في المعادلة 8 وتحديد صورة تدفق النظام عن طريق حل المعادلة الناتجة.

من فضلك نلاحظ أنه على الرغم من حل المعادلة 8 ΔP_معجب و ΔP_hs متساوية، المعادلة فقط 2 Δف_معجب ينبغي استخدامها عند حل التدفق في المعادلة 9. ΔP_hs في المعادلة 3 يعتمد على تباعد الزعانف s، وذلك باستخدام ΔP_hs في المعادلة 9 لحل معدل التدفق أمر مستعصي على الحل رياضيا.

4.حساب المقاومة الحرارية للمشتت الحراري

من حل المعادلة 8، نعرف صورة التدفق وسرعة التدفق V_f من خلال المشتت الحراري، ويمكننا تحديد معدل انتقال الحرارة والمقاومة الحرارية للمشتت الحراري.

احسب متوسط ​​معامل انتقال الحرارة hf للمشتت الحراري باستخدام المعادلات 10 و11 و12 و13 و14 في المرجع 4.

أين k هي الموصلية الحرارية للهواء.

P_r هو رقم Prandtl للهواء، ويمكن استخدام قيمة 0.71 على مدى درجة حرارة التشغيل النموذجية للمشتتات الحرارية المستخدمة في التبريد الإلكتروني.

وبالتالي فإن المقاومة الحرارية الإجمالية R_hs من المشتت الحراري هو:

مساحة السطح المبللة للرادياتير، A_hs، هي المنطقة الملامسة للهواء المتدفق عبر الرادياتير.

الحد الأول في المعادلة 15 هو المقاومة الحرارية للمشتت الحراري، والمصطلح الذي يلي علامة الزائد هو المقاومة الحرارية عند قاعدة المشتت الحراري.

لتنوعها تقليل الحرارةs، تتمتع شركة Wenxuan Thermal Energy بقدرات تخصيص احترافية وأسواق تطبيقات متنوعة، ويمكنها ذلك يعدل أو يكيف منتجات التبريد لأنظمة مختلفة للعملاء. في هذه الأثناء، ونحن سوف يأخذ عوامل كثيرة داخل الحساب عند تصميم الرادياتير ومواصلة تحسين وتحسين تصميم الرادياتير.إذا كان لديك أي أسئلة أخرى حول بالوعة الحرارة أو كنت بحاجة إلى حل تبريد مناسب لعملك، فلا تتردد في ترك تعليق أو الاتصال بـ Wenxuan عبر البريد الإلكتروني.