مقدمة في تقنية المشتتات الحرارية

2022-04-28

أ.م.د. عامر جميل شريف

تعد أنظمة المكونات الإلكترونية التي تنظم معالجة البيانات وتخزينها ونقلها الجزء الرئيسي من مركز البيانات، وكلها تخلق قدرًا كبيرًا من الحرارة، والتي يجب التخلص من هذه الحرارة بمعدل كافٍ لتجنب مشاكل ارتفاع درجات الحرارة الكبيرة وفشل النظام. يتم استخدام أكثر من 30% من تكلفة إزالة الحرارة لمركز البيانات النموذجي في معدات تكنولوجيا المعلومات ومعدات التبريد. وبالتالي ، فإن جزءًا مهمًا من الخادم هو المشتت الحراري الذي يتم تعيينه فوق وحدة المعالجة المركزية ، كما هو موضح في الشكل رقم 1.

يمكن أن يتسبب التأثير الحراري في فشل الآليات في أجهزة المكونات الإلكترونية، بسبب انتقال المعادن، وتشكيل الفراغ، والنمو بين المعادن. في الواقع، أحد العوامل الشائعة التي تتحكم في موثوقية المنتجات الإلكترونية هو الحد الأقصى لدرجة حرارة هذه الأجهزة. لكل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية فوق درجة حرارة التشغيل الحرجة (~ 85 درجة مئوية) للإلكترونيات عالية الطاقة، يتضاعف معدل هذه الإخفاقات تقريبًا. لذلك، فإن الإدارة الحرارية للإلكترونيات لها أهمية حاسمة. عامل مهم آخر هو زيادة تكلفة منتجات الإدارة الحرارية، والتي ارتفعت من حوالي 7.5 مليار دولار في عام 2010 إلى 8 مليارات دولار في عام 2011 ، ومن المتوقع أن تصل إلى 10.9 مليار دولار بحلول عام 2016 ؛ معدل الزيادة السنوي 6.4%. المراوح والمشتتات الحرارية HSs كمكونات أجهزة الإدارة الحرارية تستحوذ على 84% من إجمالي السوق. ومع ذلك، فإن البرامج ومواد الواجهة والركائز مثل منتجات التبريد الرئيسية الأخرى تمثل ما بين 4% و 6% من السوق.

يتم تصنيف المشتتات الحرارية ذات الزعانف إلى نوعين رئيسيين: المشتتات الحرارية ذات الزعانف (PFHSs) والمشتتات الحرارية ذات المسامير أو المشتتات الحرارية المثبتة بمسامير(PHS) ، كما هو موضح في الشكل رقم 2. يتم تصنيع هذه المشتتات الحرارية وإنتاجها من قبل العديد من الشركات، الكبيرة والصغيرة ، مثل Airedale في المملكة المتحدة و Raypak في الولايات المتحدة ، على سبيل المثال لا الحصر. يمكن استخدام مجموعة من مواد الأنابيب الأساسية ذات الموصلية الحرارية العالية ، مثل النحاس والألمنيوم ، لتصنيع المشتتات الحرارية حسب تكلفتها وسهولة تصنيعها. في السنوات الأخيرة، أصبحت التكنولوجيا المتعلقة بالمشتتات الحرارية المصممة لتبريد إلكترونيات واسعة الانتشار ومألوفة، نظرًا لأن تكلفتها الأولية منخفضة، فهي سهلة التركيب وتتمتع بعملية تصنيع موثوقة.

يلعب مورفولوجيا الزعانف وظيفة مهمة في خصائص التصنيع ونقل الحرارة. الأسطوانية، والمستطيلة، والمربعة، والإهليلجية، والمخروطية أو شبه المخروطية. هذه الاشكال هي اكثر الأشكال الهندسية المنتشرة على نطاق واسع لزعانف الدبوس. بالإضافة إلى ذلك، تقدم المسامير وسيلة عملية لتحقيق مساحة كبيرة لنقل الحرارة بدون مساحة سطح أولية زائدة وتعمل كمحفزات للاضطراب ، وبالتالي تعزيز معدلات نقل الحرارة عن طريق تفكيك الطبقة الحدودية الحرارية للعديد من التطبيقات ، مثل أجهزة التبريد الإلكترونية، بما في ذلك العمليات التي تستخدم المبردات الغازية أو السائلة. لذلك ، يبدو أن هذا هو الوقت المناسب لاستخدام هذه التقنية في أحواض الحرارة التقليدية والتطبيقات الصناعية أيضًا.

بشكل عام ، تتكون تخطيطات زعنفة الدبوس من شبكة من المسامير الصلبة المركبة مباشرة على سطح المشتت الحراري. عادةً ما يتم تكوين ترتيب متدرج أو على الخط لصفائف من المسامير مع تدفق مائع العمل بشكل موازٍ أو عمودي على محاور الدبوس.

المرجع:

Amer Jameel Shareef. "Design Optimisation and Analysis of Heat Sinks for Electronics Cooling." PhD diss., University of Leeds, 2016