אלקטרוניקה גבוהה כוח, מן השרת CPUs כדי למנוע חומרים בכלי רכב חשמליים, לייצר גלי חום שיכולים לעלות על 1000 W / ס"מ ב נקודות חמות מקומיות.ללא ניהול תרמי יעיל, מכשירים אלה סובלים מהשפלה ביצועים, אמינות מופחתת, וכישלון מוקדם יותר כיורת חום איטי - הרבה יותר מטבוליטים מתכת מתוחמים - לעתים קרובות נופל קצר בסביבות תובעניות אלה.

תפקידה של שכבת ה-Thermal Boundary בהעברת חום

שכבת הגבול התרמית יוצרת כאשר נוזל זורם על פני השטח בטמפרטורה שונה.החום פועל מן המוצק לתוך נוזל, יצירת ⁇ טמפרטורה כי יורד מרחק מן פני השטח. שכבת הגבול, FLT:0 ⁇ FLT:1, מגדיר את האזור שבו הטמפרטורה משתנה מן פני השטח לטמפרטורה נוזלית.

Laminar vs. Turbulent Boundary Layers

בשכבה גבול laminar, חלקיקים נוזלי לנוע בשכבות חלקות, מקבילות; העברת חום מתרחשת בעיקר על ידי התנהגות על פני השכבה.משטר זה מניב חסכוני יחסית של העברת חום נמוכה יחסית. לעומת זאת, שכבת גבול סוערת מאופיינת על ידי eddies chaotic ומיקסום גנרטורים זה חום הרבה יותר יעיל.המעבר ממעצבים ל- turbulentolent זורם על ידי המספר, אשר בדרך כלל על ידי אורך של 5, ו-ידי מעבר שטוח, נוטה על פני השטח.

שכבת חום וחום Hyper Coefficient

[החום המקומי העברת coefficient,] עבור זרימה שטוחה בזרימת לליטר, המספר הממוצע של Nusselt (N= hL/k) הוא יחסית לשכבת הגבול התרמית.עבור זרימה מעל צלחת שטוחה בזרם laminar, ממוצע של מספר ה- Nusselt (N= hL/k) הוא במידה רבה יותר, לעומת זאת, גם לחץ חום חזק יותר.

אסטרטגיות עיצוב עבור אופטימיזציה של שכבת Boundary Layer Optimization

הכיור חום מודרני מעסיק שילוב של חידושים גיאומטריים וחומריים כדי לתמרן את התנהגות שכבת הגבולות.אסטרטגיות הבאות משמשות בדרך כלל ביישומים בעלי עוצמה גבוהה.

המונחים: soundure Modification

היכרות עם תכונות מיקרו או ננו-סוליות על פני השטח של כיור החום מקדמת מעבר מוקדם להפרעות ושיפור ערבוב באזור הסמוך לקיר.טכניקות כוללות:

  • (FLT:0Chemical etching או לייזר טקסטורטיבי של ההרחבה 1) כדי ליצור דפוסים גסים אקראיים עם ערכי רא של 10-100 מיקרומטר.
  • (ב) ,0) , 000 ⁇ ⁇ ⁇ 1 (ב) אשר מייצרים מערבים דומים לאלה שנמצאו באירודינמיקה של כדור גולף, צמצום גרר תוך הגדלת העברת חום.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מחקר שנערך על ידי FLT:0 (ASMEFLT:1) הראה כי תבניות מטבוליות אופטימיזציה יכולות להגדיל את העברת החום עד 40% יחסית משטח חלק עם רק עונש טיפת לחץ צנוע.

טיהור הגאומטריה

צורת Fin, ספיגה, וסידור משפיעים ישירות על פיתוח שכבת הגבולות. פרמטרים עיצוב מפתח כוללים:

  • (ב) [ה]הגובה והעובי [ה]: finer מגביר את שטח פני השטח אך עשוי להוביל לשכבות גבול עבות יותר ליד הבסיס. finner להפחית את ההתנגדות להתנהלות, אך יכול להיות שברירי מבחינה מבנית.
  • (FLT:0)Fin Spacing (pitch)cioFLT:1; סנפירים קרובים יותר להגדיל את פני השטח אבל להגביל את זרימת, עלול לגרום לשכבת הגבול מוקדם להתמזג ולהקטין את העברת החום.ה המגרש האופטימלי בדרך כלל מתאים לקוטר הידראולי אשר שומר את מספר ריינולדס בטווח הסוער.
  • (FLT:0)Louvered ו-Walvy finsveFLT:1: Common in carרדיators, עיצובים אלה להפריע שכבת הגבול באופן זמני, מה שהופך את הפיתוח תכוף של שכבות דקות.
  • (ב) ,0) ,0) , finsFLT:1: בשימוש בחילופי חום קומפקטיים, אלה יוצרים דפוס ראותני של פלחי פינים אשר מעוררים לשפוך גור חזק.

סקירה מקיפה של ביצועי פין זמינה מ-FLT:0 Boydeur CorporationFLT:1, המספקת הנחיות עיצוב עבור כיור חום בכפייה.

עיצוב ערוץ זרימה ותיקון קירור

במקום להסתמך רק על זרימת מקבילה, אופטימיזציה שכבתית גבול ניתן להשיג על ידי הפניית זרימה דרך ערוצים מעוצבים בקפידה או באמצעות מטוסי סילון ללא הגבלה. in Impingement קירור, אווירי עתירי גבוה או מטוסים נוזליים להכות את פני השטח מחומם, יצירת שכבות גבול דק מאוד עם מזהמים גבוהים מאוד של העברת חום (FLT:0hFLT:1 ערכי שטח 1 / W / m עבור שטח אחסון גבוה).

עיצובי ערוץ סירופין ו- pin-fin מכריחים את הזרם לעבור שינויים כיוון מרובים, שכל אחד מהם משבש את שכבת הגבול. דינמיקה של נוזל Computational נוזלי (CFD) הראה כי ערוץ נחשין עם 180 מעלות יכול להשיג יעילות העברת חום גבוהה ב-50% מאשר ערוץ ישר של אורך שווה ערך.

אפשרויות ל-Comosite Structures

בעוד נחושת ואלומיניום נשארים את עבודות הבנייה של כיור חום, חומרים מתקדמים מציעים הטבות שכבת גבול נוספות.חומרים בעלי ביצועים גבוהים להפחית את ההתנגדות ההתנהלות ממקור החום לממשק הנוזלי, ביעילות המאפשר שכבת הגבול לעבוד עם הבדל טמפרטורה גדול יותר כוללים:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) מאטרקס מורכב (למשל, אלשי) ⁇ 1 המשלב מוליכות גבוהה עם יעילות מותאמים של התרחבות תרמית.
  • (ב) ,0) מיוצר נחושת או אלומיניום FIRLT:1 עם מבנים פנימיים של אטיאצ'ה אשר מקדם זרימה של שילוב ושיבוש שכבת גבול.

הבחירה של החומר משפיעה גם על תכונות גסות פני השטח ומיומנות, שניהם המשפיעים על התנהגות שכבת גבול.

מודלים וסימולציות

התנהגות שכבת גבול חיזוי בגומטריה מורכבת של אבקה חום דורש כלי סימולציה מתוחכמת. Computational Fluid Dynamics (CFD)uaFLT:1 הפך הכרחי עבור אופטימיזציה וירטואלית.

קידוד, les ו- DNS Accesses

עבור רוב יישומי הנדסה, ריינולדס-Average Navier-Stokes (RANS) סימולציות עם מודלים של זעזוע (למשל, k-Average, k- ⁇ SST) לספק איזון טוב של דיוק ועלות חישובית.מודלים אלה פותרים עבור שדות זרימה זמן-averated ועושים שימוש בתאים אמפיריים כדי לייצג שילוב סוער.

מעצבים רבים של כיור חום עכשיו להשתמש בהעברת חום מעצימה (CHT) סימולציות כי זוג את ההתנהלות המוצקה עם זיהום נוזלים. גישה זו לוכדת במדויק את חלוקת הטמפרטורה בתוך fins ובסיס כיור החום, אשר בתורו משפיע על שכבת הגבול עם עלייה דרך תכונות נוזליות טמפרטורה תלויה.

אימות עם בדיקות פיזיות

אין סימולציה ללא אימות ניסיוני.מהנדסים משתמשים במנהרה רוח או בהגדרות לולאות זרימה עם קופונים בדיקה מחוממות למדידת ירידה בלחץ, משככי העברה חום, והתנגדות תרמית. infrared thermography ו- חלקיק תמונה velocimetry (PIV) לספק הדמיה מפורטת של שכבת גבול.com (שיטות בדיקה סטנדרטיות מתוארות ב-FLT:0IEC 60146FLT:1 לתפקוד אלקטרוניקה).

יישומים ב High-Power Electronics

הכיור חום מצופה שכבתי פרוס בכל מקום שבו שיטות קירור מסורתיות לא יכולות לעמוד בקצב עם עומסים תרמיים.

מרכז מידע Server Cooling

מרכז הנתונים המודרני CPUs ו GPUs dissipate 300-700 W ל השבב. Heat כיור עם תאים Vapor ומערךים סכיני ספירה צפופים (למשל, 0.8 מ"מ pins ב 1.2 מ"מ) משמשים בצריפים השרתים.

Power Electronics and Traction Inverters

בכלי רכב חשמליים (EVs), מדפים עוברים זרמים של כמה מאות אספרסים, מייצרים הפסדים חום של 2-5 קילוואט. פלטות קרות נוזליות עם microchannels (200-500 מיקרומטר רחב) נפוצים, אבל אופטימיזציה גבולית מאפשרת הפעלה בטמפרטורות קרירות יותר, צמצום העומס על הרדיואקטיבי של הרכב.

אלקטרוניקה ואלקטרוניקה

מערכות Avionics חייבות לפעול בגובה גבוה שבו צפיפות האוויר נמוכה, צמצום העברת חום convective. Boundary שכבת חום-אופטימית כיורת אוויר לשימוש בצפיפות גבוהה מאוד (למשל, 50+ fins per inch) ואוויר מאולץ מצריכת אוויר ram-fazs. חלק מהעיצובים המשמשים FLT:0transtion קירור FLT:1, שבו כמות של חום קטן ודימום אינו מאפשר גם למשטח קטן.

ניהול רכב חשמלי

חבילות סוללות Lithium-ion דורשות בקרת טמפרטורה מדויקת (בדרך כלל 25-35 מעלות צלזיוס) כדי למקסם את החיים והבטיחות. צלחות קרות נוזליות עם שכבת גבול - תכונות הההה (למשל, דימנים או צלעות) משמשים כדי לשמור על טמפרטורה אחידה על פני מערך תאים גדול.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

דחיפה לתנודות כוח גבוהות יותר היא נהיגה בחדשנות מתמשכת בניהול שכבת גבולות.

ייצור תוספת

(SLM) ואלקטרון נמס (EBM) מאפשרים ייצור של גלימת חום כי הם בלתי אפשריים לייצר עם מטמון קונבנציונלי.דוגמאות כוללות ערוצי קירור בהתאמה כי לעקוב אחר קוטרציה מקור החום, ירידה תקופתית מינימלית (TPMS) אשר מייצרים מסלולי זרימה מותאמים ביותר, ומבנים היררכיריים המשלבים מיקרו-פיפונים עם שכבת חשמלמיים עם אותם (plimate) נמוך יותר מאשר עיצובים של 20TPDFD).

משטחים בהשראת Bio-Inspired Surfaces

הטבע מספק דוגמאות רבות של חום יעיל ומשטחי העברה המונית.מבנה riblet של עור הכריש מפחית את גרר תוך שיפור תערובת; עלים הלוטוס להציג תכונות על-hydrophobic שיכולות לגרום לירידה קופצים ולשפר את קירור של שלב. החוקרים משכפלים את הדפוסים האלה על משטחי כיור חום באמצעות לייזר או מיקרו-ממות מוקדם תוצאות מראות כי משטחים ביומטיים יכולים להגדיל את החום על ידי 20-יעילות זרימת מים.

שילוב עם חומרים לשינויי שלב

עבור עומסי חום טרנסיים, כיור חום מותאמים לשכבות משולב עם חומרים שינוי שלב (PCMs) כמו שעווה פרפין או לחות מלוחים. כי הכיור החום מטפל בהתפוגות מצב קבוע, בעוד PCM סופג הדופק הדופק הדופק הדופק הדופק הדופק, צמצום זרימת האוויר הנדרשת או זרימה קרירה.

מסקנה

שכבת הגבולות התרמית היא מגבלה בסיסית בהעברת חום אחידה.על ידי הבנת התנהגותה ויישום אסטרטגיות עיצוב מכוונים - קידום טקסט הפנים, אופטימיזציה של הגיאומטריה, זרימת ערוץ חייט וחומרים מתקדמים - גורמים יכולים ליצור כיור חום הדוחקים את הגבולות של ניהול תרמי עבור אלקטרוניקה גבוהה כוח. Computational Modeling ואימות נשאר חיוני להשגת אופטימיזציה אלה, בעוד ייצור טכניקות כמו תוספת מינרלים אלקטרוניים, אפילו כדי להגדיל את הביצועים החשמליים, כמו תכונות אלקטרו-מדומים, כמו פונקציות חשמל, כמו גם כדי להגדיל את כוח.