تصميم واختبار منهجي حول اللوحة الحرارية عالية التجانس

ومع التكرار السريع والأداء السريع لتكنولوجيا الرقائق والمكونات الإلكترونية، زادت قوة المكونات المهمة بشكل ملحوظ. بشكل عام، فإن مصدر أجهزة الطاقة التي تتمتع بقدرة كبيرة على تبديد الحرارة، مثل ترانزستور التردد اللاسلكي ورقاقة MMIC، لديه مساحة تبديد حرارة أصغر بكثير من منطقة تبديد الحرارة لركيزة تبديد الحرارة. يُظهر التحكم في درجة الحرارة هذا خصائص كثافة التدفق الحراري العالية. وفيما يتعلق بهذه المسألة، فإن أساليب التحكم في درجة الحرارة التقليدية تشكل تحديا للتطبيق.

جوهر مشكلة الكثافة الحرارية العالية هو أن الحرارة تستمر في التولد في منطقة صغيرة. معدل تصريف الحرارة لطرق التحكم في درجة الحرارة التقليدية في المساحات الصغيرة أقل بكثير من معدل تسخين مصدر الحرارة. أدى تراكم الحرارة في مناطق صغيرة إلى ارتفاع حاد في درجة حرارة الغرفة في وقت قصير. التقنية المتوسطة هي نوع من تقنية تشتيت السعرات الحرارية تم تطويرها بناءً على تطوير غرفة البخار. يمكنه نشر تدفق الحرارة عالي الكثافة بسرعة وتقليل الكثافة الحرارية المحلية بشكل فعال. يظهر الشكل 1 الهيكل ومبدأ العمل للوحة الحرارية المتوسطة . ويتضمن تصميمها بشكل أساسي الأصداف الهيكلية، ونظام الشعرية، ووسط العمل.

يركز البحث على اللوحة الحرارية المتوسطة بشكل أساسي على مقياس درجة الحرارة المتوسطة لضغط الهواء المشبع المنخفض، مثل الماء والأسيتون والإيثانول. نظرًا لمحدودية نطاق درجة حرارة العمل، وكفاءة النقل الحراري المتوسطة، والتوافق مع الغلاف والمتوسط، وحساسية الغاز غير المكثف، فإن هذه اللوحات الحرارية المتوسطة تمثل تحديًا في التطبيق في مجال التحكم في درجة الحرارة بكثافة التدفق الحراري العالية.

تستخدم هذه المقالة مزيجًا من الألومنيوم يعتمد على مبدأ التجويف الفراغي لتطوير نوع من الألواح المقاومة للحرارة التي يمكن تطبيقها على بيئة الفضاء، والتي توفر حلاً موثوقًا وفعالًا للتحكم في درجة الحرارة السلبية لمشكلة التحكم في درجة الحرارة ذات كثافة تدفق الحرارة العالية.

بحث وتطوير مدة الجهد العالي للضغط العالي

تستخدم المتوسطة التقليدية اللوحة الحرارية وسطًا هوائيًا منخفض التشبع. تدعم حافة التجويف عمومًا التجويف الداخلي بعدد صغير من أعمدة الدعم. الحجم الإجمالي لمتوسط ​​اللوحة الحرارية التقليدية (لا يزيد عمومًا عن 100 مم × 100 مم) ومسار التدفق المتوسط ​​الداخلي قصير. وهو في المقام الأول قلب شعر ملبد باعتباره قلب سائل الشفط. بالمقارنة مع الوسائط ذات الضغط المنخفض، فإن الضغط المشبع للأمونيا أعلى بكثير. عند 60 درجة مئوية، يكون ضغط تشبع الأمونيا أكثر من 130 مرة ضغط تشبع الماء. ولذلك فإن تصميم متوسط ​​درجة الحرارة للخطة يجب أن يتمتع بضغط جيد. وبالنظر إلى تطبيق النموذج، فإن متوسط ​​درجة الحرارة التي تم تطويرها في هذه المقالة هو 200 مم × 200 مم.

استنادًا إلى منصة طاولة العمل، تستخدم هذه المقالة تقنية تحليل العناصر المحدودة لمحاكاة نماذج الهياكل والمعلمات المختلفة. يستخدم التحليل نموذجًا منفصلاً للشبكة غير الهيكلية يتمتع بقدرة جيدة على التكيف. هيكل الدعم متعدد النقاط بشكل عام، ويتم التحكم في الحد الأقصى للحجم المتغير بعد الضغط في حدود 0.1 مم. تقوم المحاكاة بتحليل تأثيرات أشكال وأحجام أعمدة الدعم المختلفة وتوزيع أعمدة الدعم وإضعاف الممرات الفاصلة. يهدف التصميم إلى تلبية عدد أعمدة الدعم، وحجم الدعامة الداعمة، والوزن الإجمالي والسمك مع تلبية مؤشرات مثل القوة الهيكلية، والقدرة على الانتشار الحراري، والتشوه. توصلت نتائج التحليل إلى أن الإجهاد الأقصى لعمود الدعم الدائري انخفض بشكل ملحوظ مقارنة بالعمود الداعم المربع. حجم إطار الأربعة أسابيع له تأثير أكبر على الحد الأقصى من الضغط والانفعال، ويجب أن يكون سمك الإطار حوالي 1.5 مرة قطر عمود الدعم. يمكن أن تزيد الفتحة من الضغط المحلي، ويجب تعديل سمك الركيزة وفقًا لشكل الفتحة وحجمها وكثافتها.

في حين أن هيكل المتوسط اللوحة الحرارية ​​يلبي متطلبات الأداء الميكانيكي، فإنه يحتاج أيضًا إلى تلبية متطلبات الأداء الحراري. تحلل هذه المقالة متوسط ​​توزيع درجة حرارة اللوحة الحرارية والمقاومة الحرارية بناءً على منصة FLOEFD والصيغة التجريبية، كما هو موضح في الشكل 2. وفقًا للتحليل، فإن المقاومة الحرارية (R0) للمكون، والمقاومة الحرارية (R1) بين العنصر ومتوسط ​​اللوحة الحرارية ، ومقاومة الحرارة الحرارية للقذيفة (R2)، ودرجة الحرارة الداخلية للوحة الحرارية المتوسطة ومقاومة الحرارة (R3) هي عناصر حرارية ذاتية التسخين تنتشر إلى المقاومة الحرارية الأولية في عملية اللوحة الحرارية المتوسطة . R0 و R1 هما المقاومة الحرارية الأساسية لدرجة حرارة المكونات المرتفعة. R2 و R3 هما المقاومة الحرارية المباشرة التي تؤثر على متوسط ​​درجة حرارة اللوحة الحرارية المتوسطة.

2. اختبار أداء المتوسطة الضغط العالي اللوحة الحرارية

يتكون نظام اختبار أداء اللوحة الحرارية المتوسطة بشكل أساسي من خزان مياه بدرجة حرارة ثابتة، وأنبوب حراري من الأمونيا الألومنيوم، وأقراص تسخين بدرجة حرارة عالية، وإمدادات طاقة عالية الطاقة، ومجمعات البيانات، وما إلى ذلك. يبلغ حجم اللوحة الحرارية المتوسطة 200 مم × 200 مم، وقدرة مقاومة الضغط أفضل من 5.6 مللي باسكال. انتشر التدفق الحراري عالي الكثافة الناتج عن صفائح التسخين ذات درجة الحرارة العالية عبر اللوحة الحرارية العامة التي تم تطويرها بواسطة الكثافة التقليدية. ثم يتم نقلها من الأمونيا التقليدية لأنبوب الألمنيوم الحراري إلى لوح التبريد. تعكس هذه العملية استخدام طرق التحكم السلبي في درجة الحرارة لحل مشكلة التحكم الحراري عالي الكثافة. لتجنب حرق وتدمير عناصر التسخين، تحاكي أفلام التسخين ذات درجة الحرارة العالية عناصر التسخين عالية الطاقة، وتسخن مساحة محاكاة اللوحة الباردة. تعمل مادة واجهة الحشو بين أقراص التسخين ذات درجة الحرارة العالية والألواح الحرارية المتوسطة وأنابيب تسخين الأمونيا المصنوعة من الألومنيوم والأطباق الباردة على تقليل المقاومة الحرارية للتلامس. مواصفات أمونيا الألومنيوم عبارة عن أنابيب حرارية مستطيلة 37.4 × 19.1 ثنائية الفتحة. تصل القدرة النظرية القصوى لنقل الحرارة إلى 1100 واط.

يتم وضع المصدر الحراري في زاوية اللوحة الحرارية المتوسطة أثناء الاختبار. من الناحية النظرية، هناك الموقف الأكثر سلبية لمتوسط ​​قدرة نقل الحرارة يجب أن يتمتع المصدر الحراري بمتوسط ​​درجة حرارة أفضل عندما يكون في مناطق أخرى. يظهر الشكل 3 توزيع نقطة القياس على سطح قطعة الاختبار. للوحة الحرارية . يتم ترتيب الجوانب العلوية والسفلية لأجزاء اختبار تستخدم عملية الاختبار طريقة التحسين التدريجي لقدرة التسخين لاختبار أداء الانتشار الحراري لمتوسط ​​أجزاء الاختبار تحت كثافات حرارية مختلفة. قوة التسخين وفرق درجة حرارة السطح بين الكثافات الحرارية المختلفة واللوحة اللوحة الحرارية المتوسطة مع نقاط قياس درجة الحرارة. الحرارية السطحية موضحة في الجدول أدناه.

مع زيادة قوة التسخين والكثافة الحرارية، تزداد درجة حرارة السطح ودرجة حرارة المصدر الحراري وفرق درجة حرارة السطح لمتوسط ​​اللوحة الحرارية . عندما تكون الكثافة الحرارية 34.3 وات/سم2، تكون طاقة التسخين 107.7 وات، والحد الأقصى لفرق درجة الحرارة بين أجزاء الاختبار الحراري هو 0.25 درجة مئوية فقط. عندما تتجاوز كثافة التدفق الحراري 34.3 وات/سم2 إلى الحد الأقصى للكثافة الحرارية التي يوفرها المصدر الحراري للاختبار لهذا الاختبار، يمكن للوحة الحرارية المتوسطة الحفاظ على متوسط ​​درجة حرارة مناسبة ككل. لا يتجاوز فرق درجة الحرارة 1 درجة مئوية، مما يظهر تأثيرًا ثابتًا لانتشار الحرارة. نظرًا لقدرتها على قدرة تسخين مصدر التسخين، فإن قدرة الانتشار الحراري الشديدة التي تم تطويرها بواسطة اختبار لوحة متوسط ​​درجة الحرارة غير قادرة على القياس. وفيما يتعلق بالكثافة الحرارية الشديدة للمعدات والمكونات الحيوية لنماذج الأقمار الصناعية، ينبغي أن يكون نطاق الكثافة الحرارية لهذا الاختبار قادرًا على تغطية نطاق الكثافة الحرارية لمعظم نماذج الأقمار الصناعية وميزاتها. تبلغ كثافة التدفق الحراري القصوى المسموح بها للأنابيب الحرارية التقليدية المصنوعة من الألومنيوم والأمونيا حوالي 3 وات/سم2، لذا فإن تطوير متوسط ​​تحمل اللوحة الحرارية لتأثير اللوحة الحرارية المتوسطة يزيد بأكثر من 20 مرة عن كثافة التدفق الحراري المسموح بها للأنبوب الحراري التقليدي.

أثناء عملية الاختبار، مرت الحرارة الحرارية عالية الكثافة الناتجة عن صفائح التسخين ذات درجة الحرارة العالية عبر المتوسطة اللوحة الحرارية والأنبوب الحراري للأمونيا الألومنيوم إلى اللوحة الباردة، مما أدى إلى تحقيق مشكلة استخدام طرق التحكم السلبي في درجة الحرارة لحل مشكلة التحكم في درجة الحرارة ذات الكثافة الحرارية العالية.

تم إجراء اختبار الاستجابة الحرارية على المتوسط اللوح الحراري ​​لاختبار استجابة مصدر الحرارة وحالة الفتح لكل نقطة قياس من اللوح الحراري المتوسط . يتم إجراء الاختبار في نظام الاختبار، ويكون ترتيب مصدر الحرارة ونقطة القياس هو نفس اختبار الكثافة الحرارية. يمكن لعملية الاختبار محاكاة مصدر الحرارة عن طريق تشغيله، وتشغيل مصدر الطاقة، وضبط طاقة مصدر الحرارة بشكل مستمر. نطاق كثافة التدفق الحراري هو (0.5 ～ 45) وات / سم2.

إن درجة حرارة سطح المتوسطة اللوحة الحرارية ودرجة حرارة سطح لوح التسخين قد تزامنت تقريبًا تأثيرات الاستجابة الحرارية مع قوة مصدر الحرارة. استجابة درجة حرارة المصدر الحراري للثرموستات على درجة حرارة سطح الترموستات لا تزيد عن 8 س. يتمتع الوسط الداخلي للوحة بسرعة فائقة في نقل الحرارة، لذلك يظهر وظيفة نشر حراري عالية الكفاءة.

أثناء عملية الاستجابة للحرارة، يتم الاحتفاظ بفرق درجة حرارة السطح بين متوسط ​​اللوحة الحرارية في حدود 1 درجة مئوية طوال فترة الاختبار. يمكن ملاحظة أن اللوحة الحرارية الوسيطة المطورة لا تزال تتمتع بمتوسط ​​درجة حرارة مناسب في عملية تغيير الظروف أو نقل الحرارة العابر.

3. الأداء المقارن

أقوم بتلخيص آلات العينات الهندسية والمنتجات المماثلة في الداخل والخارج من حيث جودة العمل ومواد الغلاف وإمكانية تطبيق المساحة ومتوسط ​​درجة الحرارة. تعد آلة عينة هندسة المتوسطة المطورة الألواح الحرارية أفضل بكثير من المنتجات المماثلة في الداخل والخارج فيما يتعلق بالتطبيق المكاني، وكثافة تدفق الحرارة المقاومة، ومتوسط ​​درجة الحرارة، وحجم التوصيل الحراري، ونطاق استخدام درجة الحرارة.

4. تلخيص

1) تتمتع أجزاء التطوير التي تم تطويرها من خلال تطوير اللوحة الحرارية المتوسطة بأداء قوي في نشر الحرارة. عندما تكون الكثافة الحرارية 34.3 وات/سم2 وقوة التسخين 107.7 وات، يكون متوسط ​​فرق درجة الحرارة بين أجزاء اختبار لوحة درجة الحرارة 0.25 درجة مئوية فقط.

2) أن يكون الفرق في درجات الحرارة أقل من 0.7 درجة مئوية عندما ترتفع الكثافة الحرارية إلى 57.7 وات/سم2.

3) خصائص أجزاء الاختبار لديها استجابات متزامنة تقريبًا لتغير طاقة مصدر الحرارة، مما يشير إلى أن أجزاء الاختبار لديها تفاعل حراري ممتاز.

4) تطوير مقاومة الضغط هو هدف طرق التحكم السلبي في درجة الحرارة لحل مشكلة الكثافة الحرارية العالية.