مشتت حراري

مادة الصنع

وفي هذا السياق، للنحاس خصائص ممتازة كمشتت حراري من ناحية موصليته الحرارية، ومقاومته للحت، ومقاومته لتشكل الشوائب الحيوية، ومقاومته للبكتيريا. تبلغ الموصلية الحرارية للنحاس نحو ضعفي الموصلية الحرارية للألمنيوم، نحو 400 واط/م.ك للنحاس النقي. تطبيقاته الأساسية في المنشآت الصناعية، ومحطات الطاقة، وأنظمة المياه الشمسية الحرارية، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وسخانات المياه العاملة على الغاز الطبيعي، وأنظمة التبريد والتسخين بالهواء القسري، والتدفئة والتبريد الأرضيين الحراريين، والأنظمة الإلكترونية.

كذلك، أكثر المواد المستعملة في المشتتات الحرارية شيوعًا هي خلائط الألمنيوم. تمتلك خليطة الألمنيوم 1050 إحدى أعلى فيم الموصلية الحرارية والتي تبلغ 229 واط/م.ك ولكنها طرية ميكانيكيًّا. تُستعمل خلائط الألمنيوم 6060 (إجهاد منخفض)، و6061، و6063 بشكل شائع، بقيم موصلية حرارية تبلغ 166 و201 واط/م.ك على الترتيب. تعتمد القيم على المعالجة الحرارية للخليطة. يمكن صنع المشتتات الحرارية من قطعة واحدة من الألمنيوم عن طريق البثق، أو الصب، أو التفريز.

وفي السياق ذاته، النحاس أغلى وأكثف بثلاث مرات من الألمنيوم. يمكن صنع المشتتات الحرارية من قطعة واحدة من النحاس عن طريق التشريح المعدني (الكشط) أو التفريز. يمكن لحام ريش الصفائح المعدنية بالقصدير على جسم نحاسي مستطيل. النحاس أقل مطيليةً من الألمنيوم؛ لذا لا يمكن بثقه في شكل مشتتات حرارية.

مبدأ انتقال الحرارة

ومن ناحية أخرى، ينقل المشتت الحراري الطاقة الحرارية من الجهاز ذي درجة الحرارة الأعلى إلى وسط مائع ذي درجة حرارة أقل. كثيرًا ما يكون الوسط المائع هو الهواء، لكن يمكن له كذلك أن يكون ماءً، أو وسيط تبريد، أو زيتًا. إذا كان الوسط المائع هو الماء، يدعى المشتت الحراري عادةً صفيحةً باردة. المشتت الحراري في الترموديناميك هو خزان حراري يمكنه امتصاص كمية غير محددة من الحرارة دون أن تتغير درجة حرارته تغيرًا ملحوظًا. على المشتتات الحرارية في الأجهزة الإلكترونية أن يكون لها درجات حرارة أعلى من المحيط لتتمكن من نقل الحرارة بالحمل والإشعاع والتوصيل. مغذيات القدرة في الأجهزة الإلكترونية ليست فعالةً 100%، لذا تنتج حرارة فائضة يمكن أن تكون ضارة لعمل الجهاز. لذلك، يتضمن التصميم مشتتًا حراريًّا لتصريف الحرارة.

إضافةً إلى ذلك، لفهم مبدأ المشتت الحراري، نأخذ قانون فورييه للتوصيل الحراري. يظهر قانون فورييه للتوصيل الحراري بصيغته المبسطة لبعد وحيد بالاتجاه س أنه عندما يكون هناك تدرج حراري في جسم، تنتقل الحرارة من المنطقة ذات درجة الحرارة الأعلى إلى المنطقة ذات درجة الحرارة الأخفض. معدل انتقال الحرارة بالتوصيل، ، يتناسب طرديًا مع جداء تدرج درجة الحرارة بمساحة المقطع العرضي الذي تنتقل عبره الحرارة.

وفي هذا السياق، ليكن هنالك مشتت حراري في مجرى هواء. تكون فرضًا قاعدة المشتت الحراري ذات درجة حرارة أعلى من الهواء. بتطبيق قانون انحفاظ الطاقة، لشروط الحالة المستقرة، وتطبيق قانون نيوتن في التبريد على عقد درجة الحرارة الظاهرة في الشكل تنتج مجموعة العلاقات التالية:

حيث

علاوةً على ذلك، استخدام درجة حرارة الهواء الوسطية افتراض صحيح لأجل مشتتات حرارية قصيرة نسبيًّا. عند حساب المبادلات الحرارية المدمجة، تستعمل درجة الحرارة اللوغاريتمية الوسطية. هو معدل تدفق الهواء بواحدة كغ/ث.

من جهة ثانية، عندما يتناقص تدفق الهواء عبر المشتت الحراري، تنتج عن ذلك زيادة في درجة حرارة الهواء الوسطية. يزيد هذا بدوره درجة حرارة قاعدة المشتت الحراري. فضلًا عن ذلك: تزداد المقاومة الحرارية للمشتت الحراري كذلك. النتيجة الصافية ارتفاع درجة حرارة قاعدة المشتت الحراري.

عوامل تصميمية

ومن جهة أخرى، إذا لم يكن هناك جريان هواء حول المصرف الحراري، لا يمكن نقل الطاقة.

يظهر من العلاقات السابقة:

وعلى صعيد آخر، يتطلب الحمل الطبيعي جريانًا حرًّا للهواء على المشتت الحراري. إذا لم تصطف ريش التبريد بشكل عمودي، أو إذا كانت الريش متلاصقة بشكل يمنع مرور الهواء بينها، تنخفض فعالية المشتت الحراري.

علاوةً على ذلك، ليس المشتت الحراري جهازًا ذا «قدرة سحرية على امتصاص الحرارة كإسفنجة وإرسالها إلى كون موازٍ».

من جهة ثانية، تتعلق درجة حرارة هواء الدخول بشدة بدرجة حرارة قاعدة المشتت الحراري. مثلًا، إذا كانت هنالك إعادة تدوير للهواء في منتج ما، فإن درجة حرارة هواء الدخول ليست نفسها درجة حرارة الهواء المحيط. درجة حرارة هواء الدخول إلى المشتت الحراري أعلى لذلك السبب، ما ينتج كذلك ارتفاع درجة حرارة قاعدة المشتت الحراري.

المقاومة الحرارية

وفي هذا الصدد، تُستعمل فكرة المقاومة الحرارية لمشتت حراري نصف ناقل كتقريب. وهي لا تأخذ بالحسبان عدم انتظام توزع الحرارة على الجهاز أو المشتت الحراري. هي تنمذج فقط نظامًا في حالة توازن حراري، وتهمل تغير درجة الحرارة مع الزمن. ولا تعكس لاخطية كل من الإشعاع والحمل بالنسبة لارتفاع درجة الحرارة. على كل، تدرج الشركات الصانعة قيمًا نمطية للمقاومات الحرارية للمشتتات الحرارية وأجهزة أنصاف النواقل في جداول، الأمر الذي يسهل عملية اختيار المشتتات الحرارية التجارية.

وفي السياق ذاته، في أجهزة أنصاف النواقل المستعملة في عدد من الأجهزة الإلكترونية الصناعية أو الاستهلاكية، تبسط فكرة المقاومة الحرارية عملية اختيار المشتتات الحرارية. ينمذَج تدفق الحرارة بين قالب نصف الناقل والهواء المحيط كسلسلة مقاومات لتدفق الحرارة؛ هناك مقاومة من القالب إلى غلاف الجهاز، ومن الغلاف إلى المشتت الحراري، ومن المشتت الحراري إلى الهواء المحيط. مجموع هذه المقاومات هو المقاومة الحرارية الكلية من القالب إلى الهواء المحيط. تعرف المقاومة الحرارية بأنها ارتفاع درجة الحرارة المقابل لواحدة الاستطاعة، وهي مماثلة للمقاومة الكهربائية، ويعبر عنها بالدرجات المئوية لكل واط (°C/W). إذا كان مقدار التصريف الحراري للجهاز بالواط معروفًا، وكانت المقاومة الحرارية الكلية محسوبة، يمكن حساب ارتفاع درجة حرارة القالب عن الهواء المحيط.

كذلك، للمشتتات الحرارية التجارية المصنوعة من الألمنيوم المبثوق مقاومة حرارية (من المشتت الحراري إلى الهواء المحيط) تتراوح من 0.4 °C/W للمشتتات الحرارية الكبيرة المصنعة لأجهزة تي أو 3 (بالإنجليزية TO-3)، إلى ما يصل حتى 85 °C/W للمشتتات الحرارية المشبكية (تثبت بملاقط مشبكية) لعلب تي أو 92 (بالإنجليزية TO-92) البلاستيكية الصغيرة. يمتلك ترانزستور القدرة الشائع 2N3055 في علب تي أو 3 مقاومة حرارية داخلية من الوصلة إلى العلبة مقدارها 1.52 °C/W، حسب حجم العلبة، واستخدام الشحم أو رنديلة الميكا العازلة.

أنواع المشتتات الحرارية

علاوةً على ذلك، المشتت المائي : وهو يستعمل الماء بدل المعدن في نقل الحرارة ثم تبريد الماء باستخدام اللوح المشع بواسطة مروحة لتبريد الماء.

المشتت الهوائي : وهو من معدن موصل للحرارة مع مروحة للتبريد.

يوجد في الوقت الحالي نوعان من المشتتات الحرارية وهي: