01 خلاصة
تتمتع تقنية نقل الحرارة المتغيرة الطور المتمثلة في الأنابيب الحرارية وVC (غرفة البخار) بموصلية حرارية أعلى بكثير من المواد التقليدية وهي تقنية رئيسية لحل الطلب المتزايد على تبديد حرارة المنتج.
في السنوات الأخيرة، أصبحت مشعات الألومنيوم VC واحدة من النقاط الساخنة للبحث في الصناعة. إن البحث والتطبيق للمشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم VC يتماشى مع اتجاه تطوير منتجات الاتصالات عالية الأداء وخفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة في تبديد الحرارة، وهي ذات أهمية كبيرة. لذلك، أجرت مجموعة Shengjiu وZTE Communications أبحاثًا متقدمة على جميع المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم VC.
02 تطور تكنولوجيا المبرد
يعد تبديد الحرارة رابطًا مهمًا لضمان التشغيل الآمن والموثوق على المدى الطويل للأجهزة والمنتجات الإلكترونية. باعتبارها المجال الذي يتم فيه التطبيق الأكثر كثافة للأجهزة المستهلكة للحرارة مثل الرقائق، فقد عزز تطور تكنولوجيا الاتصالات والمعلومات تبديد الحرارة أو التصميم الحراري لتصبح صناعة منهجية. كما يركز البحث والتطوير في مجالات مثل الطاقة والأمن والإلكترونيات الاستهلاكية والسيارات ومصابيح LED بشكل متزايد على أداء تبديد الحرارة للمنتجات، من أجل الحصول على المزيد من المزايا في القدرة التنافسية في السوق.
حاليًا، تتطور منتجات الاتصالات والمعلومات 5G لتحقيق هدف زيادة السعة والأداء الأعلى والحفاظ على الطاقة وانخفاض مستوى الضجيج. تتزايد درجة تكامل الأجهزة، وأصبحت وظائف الشريحة الواحدة أكثر قوة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في استهلاك الطاقة. ومع ذلك، أصبح التصميم أكثر إحكاما، وكثافة التدفق الحراري تتزايد بشكل كبير. تواجه تكنولوجيا التبريد تحديات خطيرة.
تعتمد أنظمة تبديد الحرارة التقليدية بشكل أساسي على مادة أحادية الطور لتوصيل الحرارة من الجهاز إلى سطح المبرد، ومن ثم يتم تبديد الحرارة إلى البيئة عن طريق الهواء من خلال الحمل الحراري الطبيعي (نظام تبديد الحرارة الطبيعي) أو الحمل الحراري القسري (الهواء القسري) نظام التبريد). تعتمد كفاءة التوصيل الحراري على التوصيل الحراري المتأصل للمادة ولكنها محدودة أيضًا.
تستخدم تقنية نقل الحرارة بتغير الطور المتمثلة في الأنابيب الحرارية وVC (غرفة البخار) الوسط ليغلي في المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة (منطقة مصدر الحرارة) ويتكثف في المنطقة ذات درجة الحرارة المنخفضة، بينما يمتص أو يطلق الحرارة الكامنة المقابلة تغير الطور، والتدوير المتناوب، وتحقيق الانتشار السريع أو الهجرة السريعة للحرارة. يعد امتصاص وإطلاق الحرارة الكامنة عملية سريعة وفعالة، وعند استخدام نقل الحرارة على مرحلتين، عادة ما يتم اختيار سوائل العمل ذات الحرارة الكامنة الأعلى، مما يؤدي إلى كفاءة عالية للغاية في نقل الحرارة. يمكن أن تصل الموصلية الحرارية المكافئة إلى 4000 واط/م·ك أو أكثر، وهو ما يتجاوز بكثير المواد المعدنية النقية مثل الذهب والفضة والنحاس والألمنيوم (200-400 واط/م·ك)، ويمكن أن يدعم استهلاكًا أعلى للطاقة وتدفق الحرارة. احتياجات نقل الحرارة ذات الكثافة التي لا تستطيع المشتتات الحرارية التقليدية تلبيتها. وفي الوقت نفسه، يمكن مطابقته مع أشكال مختلفة من مصادر التبريد (الحمل الحراري الطبيعي، تبريد الهواء القسري، التبريد السائل، الإشعاع، وما إلى ذلك)، وأشكال تطبيقه مرنة ومتنوعة.
الشكل 1: مبدأ انتقال الحرارة بتغير الطور
في الوقت الحاضر، تطورت مكونات تبديد الحرارة على مرحلتين من أقدم الأنابيب الحرارية المقترحة والمستخدمة على نطاق واسع إلى أشكال مختلفة مثل ألواح امتصاص VC، والمشتتات الحرارية 3DVC، وشفاطات الحرارة الحرارية، وشفاطات الحرارة الحلقية LTS، وأنابيب الحرارة الحلقية LHP، وما إلى ذلك. توسعت مواد القشرة أيضًا من المواد النحاسية التقليدية إلى الألومنيوم والتيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ وما إلى ذلك، لتلبية متطلبات سيناريوهات التطبيق المختلفة.
الشكل 2: مورفولوجية مكونات مختلفة لتبديد الحرارة على مرحلتين
03 تطوير تقنية مشعاع الألمنيوم VC
تعد لوحة النقع VC حاليًا أكثر منتجات نقل الحرارة المتغيرة الطور نضجًا من حيث التكنولوجيا إلى جانب الأنابيب الحرارية، وتستخدم على نطاق واسع في صناعات الاتصالات والإلكترونيات. إن VC النموذجي هو شكل مسطح مغلق، يتكون من غلاف، وبنية شعرية، وبنية داعمة، وسائل تشغيل. يتم تحقيق التوصيل الحراري الفعال من خلال التبخر والتكثيف والنقل الشعري لسائل العمل، مما يؤدي إلى نشر الحرارة من المنطقة المركزة إلى المستوى الهيكلي بأكمله. بفضل مزايا الخصائص الشعرية ذات المساحة الكبيرة والانتشار الحراري ثنائي الأبعاد أو حتى ثلاثي الأبعاد، يتمتع VC بقدرة تحمل أعلى لكثافة تدفق الحرارة. خاصة بالنسبة للأجهزة الإلكترونية ذات كثافة تدفق الحرارة التي تتجاوز 50 وات / سم 2، فإن تأثير درجة الحرارة الموحدة أفضل بكثير من المعدن النقي أو ركائز تبريد الأنابيب الحرارية المدمجة، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير من كفاءة المشتتات الحرارية.
الشكل 3: المبدأ الهيكلي للوحة نقع VC
عادةً ما يتم تصنيع غلاف VC من مواد معدنية، بما في ذلك النحاس والتيتانيوم والألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ وما إلى ذلك. نظرًا للتوصيل الحراري الجيد والمعالجة الميكانيكية وخصائص اللحام للمواد النحاسية، فإن عملية التشكيل بسيطة نسبيًا والدقة عالية . حاليًا، يتم تصنيع الغالبية العظمى من VC عن طريق ختم صفائح النحاس الرقيقة. في المجالات العسكرية أو الفضائية، من أجل تحقيق الوزن الخفيف، عادةً ما يتم استخدام الألومنيوم كمادة غلاف لـ VC. في السنوات الأخيرة، من أجل تلبية طلب السوق لخفض التكلفة وتخفيض الوزن، تم تنفيذ استكشاف مشعات الألومنيوم VC تدريجيًا في مجال تبديد الحرارة المدني. يركز البحث بشكل أساسي على تصميم هيكل الشفط الأساسي وتكنولوجيا اللحام وسوائل العمل الداخلية.
(1) بحث عن هيكل امتصاص السائل من الألومنيوم VC
يعتمد VC بشكل أساسي على البنية الأساسية للشفط الداخلي لتوفير الطاقة لتدفق المكثفات، مما سيؤثر على التدفق الحراري الحرج والأداء الحراري لـ VC. في الوقت الحاضر، تنقسم الهياكل الأساسية الشائعة الممتصة للسائل للألمنيوم VC في الصناعة إلى فئتين: نوع الأخدود الصغير ونوع الفتحات المتعددة.
①نوع الأخدود الصغير
يتم تصنيع قلب شفط السائل ذو الأخدود الصغير عن طريق تشكيل الأخاديد الصغيرة على الجدار الداخلي لـ VC، ويستخدم شد واجهة الأخدود لإرجاع وسط العمل السائل وتحقيق وظيفة قلب الشفط السائل. مع تطور تقنية تحضير قلب الشفط للأخدود الصغير، قام العلماء بإعداد أشكال مختلفة من الأخاديد الدقيقة، وتظهر هياكل الأخدود الصغيرة الشائعة في الشكل 4.
الشكل 4: هياكل Microgroove المشتركة
تشن وآخرون. أجريت دراسة على الألومنيوم VC ذو الأخدود الشعاعي ومقارنته مع مسحوق الألومنيوم الملبد الألومنيوم VC. تشير نتائج الاختبار إلى أن أداء المقاومة الحرارية لمسحوق الألومنيوم الملبد VC أكثر استقرارًا من أداء الألومنيوم VC ذو الأخدود الشعاعي.
الشكل 5: المبرد VC المصنوع من الألومنيوم ذو الأخدود الشعاعي
من أجل حل مشكلة نقل الحرارة المحدود الناجم عن الحد الشعري الصغير لقلب الشفط ذو الأخدود الصغير، تم تطوير العديد من الهياكل الجديدة على أساس الأخاديد الدقيقة الشائعة. لي وآخرون. قسموا القرص إلى سلسلة من المناطق المتطابقة على شكل مروحة وطوروا بنية أخدود دقيقة ذات فروع تعتمد على بنية عروق الأوراق. بالمقارنة مع الأخاديد الدقيقة التقليدية، يتمتع هذا الهيكل بتوحيد أفضل لدرجة الحرارة بشكل عام في VC.
الشكل 6: هيكل الأخدود الصغير على شكل الوريد
تسنغ وآخرون. معالجة الأخاديد ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية على ألواح الألومنيوم باستخدام عملية بثق الحراثة. في نفس الوقت، من خلال القطع ثنائي الاتجاه في كلا الاتجاهين الأفقي والرأسي، يتم تشكيل هيكل تجويف المصفوفة على أساس الأخدود، مما يزيد من تعزيز القوة الشعرية لقلب الشفط.
الشكل 7: سطح VC من الألومنيوم ذو الأخدود المقطوع بالمحراث
②نوع مسامي
يتميز قلب شفط المسحوق الملبد بمزايا الوزن الخفيف، وقوة الشعرية الكبيرة، ومساحة السطح المحددة الكبيرة، ومقاومة الحرارة ومقاومة التآكل، ويستخدم على نطاق واسع في النحاس VC. ومع ذلك، فإن تطبيق هذه التقنية على مسحوق الألومنيوم أمر صعب نسبيًا: مواد الألومنيوم عرضة لتشكيل أفلام أكسيد على السطح بسبب خصائصها النشطة، ونقطة انصهار الألومينا مرتفعة جدًا (حوالي 2000 درجة مئوية)، مما يجعل من الصعب اللبيدة. لذلك، تم إجراء أبحاث مكثفة في الأوساط الأكاديمية والصناعية حول معالجة هياكل الألمنيوم المسامية.
تشانغ وآخرون. تحقيق تلبيد مسحوق الألومنيوم من خلال تلبيد معزز في الطور السائل. أضف 4.5% بالوزن من مسحوق النحاس إلى مسحوق الألومنيوم واللبيد لمدة 60 دقيقة تحت حماية 99.99% أرجون عند 600 درجة مئوية. يشكل مسحوق النحاس عنق تلبيد بين مسحوق الألومنيوم، وبالتالي يشكل قلبًا مساميًا يمتص السائل.
الشكل 8: المجهر الإلكتروني لعنق تلبيد مسحوق الألومنيوم (نسبة كتلة مسحوق النحاس 3.5% بالوزن)
اميلي م وآخرون. تصنيع هياكل الألمنيوم المسامية باستخدام تقنية الذوبان بالليزر الانتقائي (SLM). تتم المعالجة تحت ضغط الأرجون الطبيعي بمقدار 14 ملي بار، ويتم الحفاظ على محتوى الأكسجين في غرفة المعالجة بين 0.1% و0.2%. يتم إجراء التلبيد بالليزر طبقة بعد طبقة على ركيزة من الألومنيوم، ويظهر المنتج الملبد النهائي في الشكل 9.
الشكل 9: عينة من هيكل الألمنيوم المسامي بتقنية SLM
تشانغ وآخرون. طورت هيكلًا شعريًا ملبدًا بألياف الألومنيوم. بالمقارنة مع مسحوق الألومنيوم، فإن ألياف الألومنيوم تشكل عددًا كبيرًا من النتوءات عند الحواف عند التدفق خارج الأداة، مما يمكن أن يحسن مساحة السطح المحددة وقوة الترابط أثناء عملية التلبيد.
الشكل 10: عملية معالجة ألياف الألومنيوم والمنتجات النهائية الملبدة
باختصار، نظرًا للطبيعة النشطة لمادة الألومنيوم وميلها إلى تكوين أفلام أكسيد، فإن النهج الأول لمعالجة النوى الشعرية عالية الجودة هو تجنب عمليات التلبد واستخدام الوسائل الميكانيكية لمعالجة الشعيرات الدموية؛ أما الطريقة الثانية فهي تقليل صعوبة التلبيد عن طريق حماية الغلاف الجوي وزيادة نقطة تكوين عنق التلبيد (بإضافة معادن أخرى أو زيادة نقاط الاتصال). ومع ذلك، بشكل عام، تعتبر طرق المعالجة هذه صعبة وغير فعالة ومكلفة للتنفيذ في الصناعة.
واستجابة لهذا، قامت شركة Ningbo Shengjiu Technology Co., Ltd. بتطوير نوع جديد من قلب شفط السائل المعتمد على الألومنيوم. يتكون قلب الشفط السائل من صفائح ألومنيوم رفيعة للغاية مشقوقة يتم ثنيها وضغطها عدة مرات. بعد المعالجة، يتم تثبيته على الركيزة عن طريق اللحام بالنحاس. بالمقارنة مع الطرق الأخرى، فإن قلب الشفط المعتمد على الألومنيوم يتميز بالمعالجة البسيطة، التكلفة المنخفضة، وآفاق التطبيق الجيدة.
(2) بحث حول عملية لحام الألمنيوم VC
في الوقت الحاضر، عادةً ما تتم معالجة الألومنيوم VC باستخدام تقنية اللحام لإكمال مجموعة ألواح الغطاء العلوية والسفلية. ومع ذلك، فإن تكنولوجيا اللحام بالنحاس لها عيوب مثل انخفاض قوة اللحام، وسهولة انسداد الشعيرات الدموية، وسهولة التآكل. ولذلك، فقد بدأ أيضًا البحث في عملية توصيل ألواح الغطاء العلوية والسفلية المصنوعة من الألومنيوم VC في الصناعة.
قام تشين شو وآخرون بدراسة عملية ربط الانتشار لألواح الألمنيوم ذات درجة الحرارة الموحدة. تم وضع العينات في فرن لحام نشر فراغي بدرجة فراغ لا تقل عن 5 × 10-3Pa، وتم استكشاف معلمات العملية المثلى عن طريق تحميل درجات حرارة وضغوط وأوقات لحام مختلفة. أظهرت الأبحاث أن معلمات المعالجة البالغة 550 درجة مئوية، و3 ميجاباسكال، وساعتين من العزل يمكنها تحسين جودة اللحام لألواح الألمنيوم ذات درجة الحرارة الموحدة.
الشكل 11: رسم تخطيطي لمجموعة لحام الألومنيوم VC والصورة المادية قبل اللحام وبعده
ومع ذلك، فإن عملية لحام نشر الألمنيوم تتطلب درجة فراغ كبيرة جدًا من فرن الفراغ، وأفران لحام نشر الفراغ التقليدية لا يمكنها تلبية المتطلبات، مما يقيد التطبيق على نطاق واسع لهذه العملية على مشعات الألومنيوم VC. لا يزال تحسين عملية اللحام لألواح الغطاء العلوية والسفلية من الألومنيوم VC يتطلب جهودًا مشتركة داخل الصناعة.
(3) بحث عن وسط العمل الداخلي للألمنيوم VC
يتطلب اختيار سائل العمل للوحة درجة حرارة موحدة النظر في عوامل مثل التوافق مع المواد الأساسية الماصة والركيزة، والاستقرار الحراري، وقابلية البلل، والحرارة الكامنة العالية، والتوصيل الحراري العالي، والتوتر السطحي العالي. هناك طريقة سريعة لقياس أداء سوائل العمل وهي مقارنة رقم الجدارة الخاص بها. هناك تعريفات مختلفة لعوامل الجودة، ولكن الشكل الأساسي هو دمج المعلمات الفيزيائية الحرارية المختلفة في معلمة مؤشر واحدة. تعريف بسيط نسبيا هو:
بعد الحساب والمقارنة، لا تختلف عوامل جودة سوائل العمل العضوية التي تلبي متطلبات نطاق درجة الحرارة وحماية البيئة بشكل كبير. في الوقت الحالي، يتم النظر إلى حد كبير في اختيار سوائل العمل للمشعات ثنائية الطور القائمة على الألومنيوم من منظور ضغط البخار المشبع لسائل العمل. على عكس VC النحاسي التقليدي، فإن VC الألومنيوم مملوء بسوائل عمل عضوية ذات نقاط غليان أقل وله ضغط إيجابي بالداخل. عندما يكون الرادياتير قيد التشغيل، تزيد درجة الحرارة ويزداد الضغط الداخلي، مما يشكل تحديًا أكبر لقدرة تحمل الضغط للألمنيوم VC. في الوقت الحاضر، المبردات شائعة الاستخدام للألمنيوم VC هي R134A (مبرد عالي الضغط) وR1233Zd (مبرد منخفض الضغط).
على عكس VC النحاسي الناضج، لا يزال VC الألومنيوم في مراحله الأولى في المجال المدني ويتطلب المزيد من الاستكشاف في الصناعة.
04 ملخص وتوقعات
أصبحت المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم VC واحدة من النقاط الساخنة للبحث في صناعة التبريد نظرًا لمزاياها المتمثلة في التكلفة المنخفضة والوزن المنخفض وكفاءة نقل الحرارة العالية. في الوقت الحاضر، لا تزال هناك العديد من الصعوبات والتحديات في الألومنيوم VC:
①إن معالجة نوى امتصاص السائل عالية الجودة القائمة على الألومنيوم أمر صعب نسبيًا، ومن الضروري مواصلة استكشاف المزيد من طرق معالجة الهياكل الشعرية القائمة على الألومنيوم منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة؛
②تحتوي عملية اللحام الشائعة الاستخدام لمشعات الألومنيوم VC حاليًا على عيوب مثل قوة اللحام المنخفضة، والانسداد السهل للشعيرات الدموية، والتآكل. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لدراسة تطبيق تكنولوجيا اللحام بالانتشار في مشعات الألومنيوم VC؛
③يتميز مائع العمل العضوي المستخدم بشكل شائع في مشعات الألومنيوم VC باختلاف كبير في التوتر السطحي وحرارة التبخر الكامنة مقارنة بالمياه، وهناك حاجة إلى مزيد من الاستكشاف لسوائل العمل ذات عوامل الجودة الأعلى؛
④الضغط الداخلي للألمنيوم VC إيجابي، وهو يختلف عن ضغط الأنابيب الحرارية النحاسية وVC (الضغط السلبي). لا تنطبق معايير اختبار الموثوقية للمشتتات الحرارية الخاصة التقليدية على الألومنيوم VC، ويوجد حاليًا نقص في معايير اختبار الموثوقية ذات الصلة في الصناعة. من الضروري التعاون مع أطراف متعددة لإكمال عناصر اختبار الموثوقية للمشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم VC؛
كنجم صاعد في مجال المشعاعات، استثمرت شركة Ningbo Shengjiu Technology Co., Ltd. بكثافة في تصميم وتطوير مشعات ثنائية الطور تعتمد على الألومنيوم لفترة طويلة، وهي ملتزمة بتزويد العملاء بجودة عالية وتكلفة أكبر -خيارات العلامة التجارية الوطنية الفعالة. في المستقبل، ستتعاون شركة Ningbo Shengjiu Technology Co., Ltd. بشكل وثيق أيضًا مع فريق التصميم الحراري التابع لشركة ZTE لإجراء استكشاف متعمق للبحث الفني والتطبيق العملي للمشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم VC، مما يجعلها ميزة حادة في تكنولوجيا تبديد الحرارة و المساهمة بقوة أكبر في تطوير اتصالات الجيل الخامس.
05 الخاتمة
يعتبر المشتت الحراري المصنوع من الألومنيوم VC أحد نقاط البحث الساخنة في الصناعة، حيث يتماشى بحثه وتطبيقه مع اتجاه تطوير منتجات الاتصالات في تبديد الحرارة، وله أهمية مهمة للغاية. في مواجهة الصعوبات والتحديات الحالية التي تواجه الألومنيوم VC، ستواصل Shengjiu الاستكشاف في مجال المشتتات الحرارية، وتعزيز البحث الفني وتطبيق المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم VC، والمساهمة بقوتها الخاصة في تطوير صناعة الاتصالات.
