السلف في مجال التبريد المتناهي الصغر لطرائق الطاقة الكثيفة

مقدمة: التحدي الحراري المتصاعد في محركات الطاقة العالية الدفاع

كما أن الضغط الذي لا يكل من أجل زيادة الأداء والتقليل إلى أدنى حد في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية قد دفع الإدارة الحرارية إلى حدودها، كما أن وحدات الطاقة الحديثة - في المركبات الكهربائية، ومراكز البيانات، ولافقارات الطاقة المتجددة، وأجهزة التبديل الجوي - التي تعمل الآن كثافة طاقة غير مسبوقة، والتي كثيرا ما تتجاوز 500 و/سم2 في تصميمات متقدمة، وتعتمد هذه الوحدات على نُهج عظمية من السلاسل التقلبات مثل الكرونات السيليكونية.

طرق التبريد التقليدية - بما في ذلك التكفير القسري للهواء السائل واللوحات الباردة والحرارة - التي تكتفي من القيود الأساسية في الأماكن المحصورة - تضعف كفاءة التبريد الجوي؛ وتفرض الآن اللوحات الباردة مقاومة حرارية كبيرة من خلال وصلات متعددة للمواد؛ وتمتد الأنابيب الحرارية إلى الحد الأقصى من التدفقات الحرارية العالية، وتتفاقم هذه التحديات بسبب تزايد إدماج الكترونيات الكهربائية في الاختراق، والموثوقات التي تنجم عن طريق الوصول إلى الغلاف الجوي.

وقد ظهرت نظم التبريد بالفلوريكات كحل تحولي قادر على تحقيق معامل نقل الحرارة أعلى من النُهج التقليدية، حيث إن استخدام المبردات عن طريق القنوات المجهرية المدمجة مباشرة إلى المكونات المولدة للحرارة أو المتاخمة لها، يتيح الفلوريدزات الدقيقة استخراج الحرارة بصورة مباشرة وفعالة وقابلة للارتفاع بالنسبة للجيل القادم من وحدات الطاقة الكثيفة.

ما هو التكرير الميكروفلوريكى؟

وتبريد الفلوريكات هو أسلوب إدارة حراري يستخدم قنوات مصغرة (تراوح بين 10 و500 ميكروميل في قطر الهيدروليكي) لتعميق مبرد سائل بالقرب من مصدر الحرارة، ويستوعب المبرد الحرارة عن طريق التكفير القسري، وكثيراً ما يحدث ذلك عن طريق تغيير تدريجي (تقلب) في معدلات نقل حراري أعلى، وتشمل أبعاد القنوات الصغيرة تدفقاً مائلاً ذات مستويات مرتفعة من الحرارة.

Un-Phase vs. Two-Phase Microfluidic Coling

ويستخدم التبريد الميكروفوري من المرحلة الواحدة مبردا سائلا (المياه، والسوائل الديموائية، أو السائل النانوي) الذي يظل سائلا تماما طوال عملية التبادل الحراري، ويوفر البساطة، وانخفاضا طفيفا في الضغط، وعملية مستقرة، ولكنه محدود بقدرة الحرارة المحددة للمبرد وارتفاع درجة الحرارة القابلة للتحقيق، وتتراوح معامل نقل الحرارة في الميكانيكيات الدقيقة من 000 10 إلى 000 100 ورم.

وتستغل التبريد الميكرويجين من مرحلتين في الغليان داخل الميكانيكيات الدقيقة لاستيعاب الحرارة الكامنة في التبخير، ويمكن لهذه الآلية أن تزيل التدفق الحراري الذي يتجاوز 000 1 و/أوسم2 مع الحفاظ على درجات حرارة سطحية منخفضة لأن التبريد لا يزال عند درجة الحرارة المحيطة بالكهرباء القريبة، غير أن التدفق من مرحلتين يؤدي إلى تعقيدات مثل عدم استقرار التدفق، ومخاطر التخلّص من الألف، وإدارة الضغط من الازدحامض.

اختيار رائع ونانوفلويد

ورغم أن المياه لا تزال هي المبردة المرجعية بسبب ارتفاع معدل السلوك الحراري (0.6 دبليو/م) وقدرة حرارية محددة (4.18 كيلوجول/كغ) ولكن معدل السلوك الكهربائي واستخدام نقاط التجميد في بعض التطبيقات، فإن السوائل الديليكترية مثل HFE-7100، وFC-72، والمبردات الهندسية مثل البوليفول السوداني توفر العزلة الكهربائية وحماية التجمد بتكلفة أقل من سوائل الارتداد.

السلف الأخيرة في مجال التبريد المتناهي الصغر

وقد شهدت السنوات الخمس الماضية زيادة في الابتكار في مجال التبريد المتناهي الصغري بالنسبة لوحدات الطاقة الكثيفة، وهذه التطورات تتقدم في تصميم القنوات والمواد وتكامل أجهزة الاستشعار وتقنيات الصنع، وهي كلها تهدف إلى زيادة الأداء الحراري إلى حد أقصى نظريا مع ضمان قابلية التصنيع للمناخ وموثوقية نظم العالم الحقيقي.

Enhanced Channel Geometries and Manifold Designs

وقد اعتمدت المبردات الميكانيكية المبكرة على صفائف القنوات الموازية البسيطة التي عانت من انخفاضات الضغط العالية ومن سوء توزيع التدفق، وقد تركز العمل مؤخرا على الجيولوجيا التي تزيد إلى أقصى حد من مساحة سطح الوحدة إلى أقصى حد، مع التقليل إلى أدنى حد من المقاومة الهيدروليكية، حيث أدى تثبيت خطوط المايكرويك المتعددة إلى دخول وخروج مبردة من خلال توزيع متعدد العينات إلى حدوث انخفاضات حرارية فعالة في 000 100 كيلو متر مربع؛

كما يجري استكشاف صفائف الزعانف، وشبكات الأشجار المكسورة، والهياكل ذات الزعانف الفوقية البنفسجية، (العلمية أو المربعة أو الماسية) وقطع طبقة الحدود وتشجيع الخلط، وتعزيز نقل الحرارة بنسبة 50 إلى 100 في المائة مقارنة بالقنوات السهلة، كما أن تصميمات الشبكة الهشة، التي تستمد من النسيج البيولوجي، توفر توزيعا موحدا على المناطق الكبيرة التي تقل فيها كميات ضئيلة من التدفق الحراري(2).

وبالإضافة إلى ذلك، تم استخدام الديناميات الحاسوبية للتدفقات الثانوية التي تعزز النقل المتوائم، وتشمل بعض التصميمات التوسعات والانكماشات التدريجية لحفز الدفاتر العميدة، التي تزيد من الخلط دون ارتفاع الضغط على الرؤوس، ويجري الآن ترجمة هذه الابتكارات المتعلقة بالبصمات الجيولوجية إلى نماذج أولية للتصميمات الدقيقة (التصميمات المضغوطة)

مواد متقدمة للسلوك الحراري العالي

كما أن الأداء الحراري لمبردات الفلوريكات محدود في نهاية المطاف بسبب السلوك الحراري لجدارات القناة، كما أن السيلكون الموحد (149 دبليو/م ك) والنحاس (401 W/m) قد أثبتا أن الباحثين يتحولون إلى مواد ذات سلوكيات أعلى لتقليل المقاومة الحرارية من الجدار إلى العازل، كما أن المقاومة الميكانيكية للألماس هي أعلى نسبة معروفة من السلوك الحراري (2000-2000).

كما أن تركيبات الجرافيني والنانووب الكربونية تكتسب اهتماماً أيضاً، كما أن طبقة من الرسوم البيانية المتوافقة الرأسياً التي تنمو على سطح القناة يمكن أن تقلل من مقاومة الوصل الحراري بين الجدار الصلب والمبرد عن طريق تعزيز النقل بالزائف، وفي إحدى الدراسات، أدى إضافة القليل من الصبغة الغرافية إلى تحسين معامل النقل الحراري بنسبة 30 في المائة في نفس مراحل التدفق دون زيادة انخفاض الضغط.

وثمة ابتكار آخر للمواد هو تطوير مواد تغيير المرحلة التي تدمج في جدران الميكانيكية الدقيقة، ويمكن أن تستوعب أجهزة الوصل ذات الحرارة العالية (مثل شمع البارافين، وهيدرات الملح) الأورام الحرارية العابرة للشبكة وأجهزة التموين الحراري المسطحة، وأن تحمي وحدة الطاقة من الإجهاد الناجم عن التقلب الحراري، وقد قام الباحثون بتوليد كميات من السائل المزودة بأجهزة مجهزة بموجات مجهزة بموجات متحركة ومجية ومجية.

المراقبة المتكاملة للاستشعارات والتبريد الإيجابي

فالرصد الحراري الحقيقي ضروري لضمان التشغيل الآمن لوحدات الطاقة الكثيفة، وقد مكّنت أوجه التقدم الأخيرة في النظم الميكانيكية الدقيقة من دمج درجات الحرارة والضغط ومجسات التدفق مباشرة في القنوات المجهرية - التي غالبا ما تكون أجهزة الكشف عن درجات الحرارة العالية التردد أو أجهزة التحكم في الحرارة التي تُدرج في قاعدة القنوات العشر.

وتُستخدم مقاييس التبريد التصحيحية، التي تسمى أحيانا " التبريد الذكي " ، وأجهزة الاستشعار المرتدة لتقليل التدفق على أساس حمولة حرارية فورية، وتُقلل التدفق إلى أدنى حد، خلال فترات التحميل المنخفضة، من أجل توفير الطاقة المضخة؛ وخلال عمليات الانتقال العالية الحمولة (مثلاً، ارتفاع الطاقة في جهاز الترددات الكهربائية) (EV)، ترتفع مستويات الحرارة الثابتة إلى النصف المربعين.

كما يجري تطوير أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي تعمل بالطاقة من التدرج الحراري، مما يزيل الحاجة إلى الاستيعاب من خلال لوحة التبريد، ويمكن أن تدمج هذه أجهزة الاستشعار ذات الطاقة الذاتية يوما ما في كل صفيفة من صفائف الميكانيكيات الدقيقة، مما يتيح إدارة حرارية كاملة التوزيع ومستقلة.

التنميط والتكنولوجيات المتقدمة للتسعير

وقد حققت أساليب الصنع الخاصة بمبردات الفلوريك تقدما كبيرا، مما مكّن من إنشاء هياكل قنوات أصغر حجما وأكثر تعقيدا وأكثر موثوقية، وما زال الارتداد العميق، وما إلى ذلك، من عملية الوصل، قادرة على إنتاج قنوات عالية الأطياف (M50:1) مع وجود جدران جانبية عمودية وحجمات سمية تخفض إلى 10 ميكرومات.

:: فتحت الصناعة التحويلية (الطباعة 3D) حريات تصميم جديدة، إذ إن الذيب اللازري الانتقائي للمعادن (مثلاً، النحاس، والألومنيوم، أو السبيكة النيكلية) يمكن أن ينتج هياكل بطيئة، ومجلات داخلية، وشبكات قنوات ثلاثية الأبعاد، من المستحيل إنشاءها باستخدام أجهزة التعبئة التقليدية التي تعمل على إزالة النسيج.

ومن التقنيات الناشئة الأخرى: التكتل الجزئي في مصفوفات المعادن، والزيارات الليزرية، والتصوير الكيميائي، الخ في الفولاذ والنحاس اللاصقين، وكثيراً ما تكون هذه الأساليب أقل تكلفة من الـ دي آري في الحجم المتوسط، وتسمح بالتصنيع على مصانع صغيرة أكبر (مثلاً، قطرات الـ 200 ملم) بالنسبة لمبردات النسيج ذات المغذيات، مثل صواعق المحتوية على أجهزة التك.

الفوائد الرئيسية للتكرير المتناهي الصغري لطرائق الطاقة

وتمتد مزايا التبريد بالفلوريكات إلى ما يتجاوز الأداء الحراري الخام، وهي تلبي مباشرة احتياجات وحدات الطاقة الكثيفة من حيث الحجم والكفاءة والموثوقية وتكلفة الملكية.

الأداء الحراري الخارق

ويمكن أن تزيل النظم الفلورية الدقيقة الحرارة بالكثافة التي تتجاوز 000 1 و/ك2، مقارنة بـ 200 إلى 300 و/ج2 التي يمكن تحقيقها عادة باللوحات الباردة المتقدمة، مما يتيح استخدام وحدات الطاقة الأصغر التي تعمل في تيارات أعلى دون تجاوز الحد الأقصى لدرجات الحرارة (عادة ما يحافظ على 150 إلى 175 درجة مئوية بالنسبة للسي، ويمتد مستوى تركيزها إلى 200 إلى 250 درجة مئوية بالنسبة للسيك).

دمج الاتفاق في الفضاءات المتطاولة

ويمكن اختلاق صفائف الميكانيكيات الدقيقة مباشرة على الطرف الفرعي من وحدة الطاقة، مما يضيف أقل من 1 ملم إلى السميك العام، وهذا العامل المثالي للتطبيقات مثل أجهزة تحميل المركبات على متن المركبات الكهربائية، حيث يكون كل ملليمتر من الفضاء ثمين، كما أن البصمة الصغيرة تقلل أيضاً من حجم المخزون المبرد الإجمالي ووزن النظام بالنسبة للفضاء الجوي والتطبيقات المتنقلة.

كفاءة الطاقة والتبريد المستهدف

ونظرا لأن أجهزة التبريد ذات الفلورية الدقيقة يمكن أن توضع بالضبط في المكان الذي تولد فيه الحرارة )تحت الموت مباشرة، أو حول أسلاك السندات، أو حتى أن تكون مدمجة في الاستراتيجية الفرعية(، فإنها تتجنب هدر المناطق غير الحرجة التي تبرد فيها الطاقة، وهذا النهج المستهدف يقلل من طاقة الضخ المطلوبة بعامل يتراوح بين ٣ و ٥، بالمقارنة مع التبريد الكامل للسائل، كما أن قوة الضخ بالنسبة لنظام مصغرى من حيث يتراوح سعر الضخ بين ٥,١ في المائة.

تحسين الموثوقية وتوقيت الحياة

وبالإضافة إلى ذلك، فإن درجة الحرارة المنخفضة والزيتية، والتكرار بالفلوريكات تقلل من الإجهاد الحراري في مفاصل الباع، والسندات اللاسلكية، وشبه الموصلات، وتظهر كل 10 درجات مئوية من درجة الحرارة التشغيلية مضاعفة عمر وحدات الطاقة وفقاً لنموذج تعجيل البوليفين - مانسون.

التوقعات المستقبلية: المواد المزروعة والتكامل والمقدرة على التصعيد

ويشير مسار التبريد المتناهي الصغري لوحدات الطاقة الكثيفة إلى زيادة التكامل مع مجموعة المواد شبه الموصلية نفسها، وزيادة استخدام الضوابط التي تحركها الوكالة، والارتقاء بصناعة ذات حجم عال، وستحدد عدة اتجاهات السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

السائل المتناثر المدمج والمتنقل

The ultimate step in thermal management is to embed microchannels directly into the silicon or GaN substrate of the power tool - what is sometimes called “on-chip microfluidic cooling xx” this approach eliminates all exterior thermal interface except the coolant itself. Pioneering work at the Georgia Tech GTMI (emdd microfluidic

الاستخبارات الفنية للإدارة الحرارية الافتراضية

(ب) نظراً إلى أن كثافة أجهزة الاستشعار وزيادة الطاقة الحاسوبية، فإن الإدارة الحرارية القائمة على أساس المقياس AI ستصبح سمة قياسية لنظم التبريد بالفلوريكات، كما أن شبكة عصبية عميقة مدربة على درجة الحرارة التاريخية وبيانات الحمولة يمكن أن تتنبأ بتشكيلات الوصلات الحرارية بنسبة 100 إلى 200 متر قبل أن يُعدل نظام التبريد بصورة استباقية أو يُبدل بين عملية الحرق من الدرجة الواحدة ودرجة الثانية.

التكامل المتجانس مع الصناعة المضافة

كما أن الجمع بين التبريد المتناهي الصغري وبين وحدات الطاقة الفرعية التي تبلغ مساحتها ٣ دال، سيتيح فرصا غير مسبوقة لتحقيق الاستخدام الأمثل الحراري والكهربائي والهيكلي، كما أن المبردات ذات الوجه المزدوج، حيث توضع الميكانيكيات الدقيقة على أعلى وأساس نظام الديوكسينات - يمكن تحقيقها عن طريق طباعة سمات التبريد مباشرة على أساس المقياس الفرعي المباشر للثديوكسينات )DBC( وجهاز المضغوط )B(.

Scalability and Cost Reduction

ومن الناحية التاريخية، فإن التبريد بالفلوريكات يقتصر على التطبيقات الكيمائية العالية التكلفة بسبب تكلفة الميكانيكية الدقيقة والحاجة إلى الختم الموثوق به، والتطورات الأخيرة في تلفيق البوليمرات لإضافة الميكانيكيات، وتركيب السائل المتدفق إلى القيد، تؤدي إلى خفض تكاليف النسيج حسب ترتيب الحجم، بينما يمكن أن تقترن هذه المبردات بالفوائد الحرارية الأقل برودة من المعدن(27).

سائل من طراز Phase كبش مع الفول الديليكتري من أجل الموثوقية العليا

ولا يمكن أن يؤدي التبريد المصغر من مرحلتين إلى إزالة خطر الانهيار الكهربائي وتصميم نظام التبسيط عن طريق تجنب الحاجة إلى مبادلات حرارية من المياه إلى الجو، وقد أثبت العمل الأخير بشأن " الميكانيكية الذاتية " - المصابون بالديوترات التي تفصل بشكل سلبي عن مشكلة الاستقرار من مرحلتين، مما سمح بزيادة التشغيل المستمر عند مضخات الحرارة)٢(.

خاتمة

وقد تطور التبريد بالفلوريكات من فضول مختبري إلى حل عملي رفيع الأداء للإدارة الحرارية لوحدات الطاقة الكثيفة العالية الكثافة، ومع الابتكارات في مجال قياسات القنوات، والمواد، وتكامل أجهزة الاستشعار، والتلفيق، يمكن للنظم المجهرية الحالية أن تعالج التدفقات الحرارية، وكثافة القوى، ومطالب التوحيد الحراري التي لم تكن متوقعة منذ عقد.