Ako dodávateľ chladičov Bonded Fin Heat Sinks sa často stretávam s rôznymi technickými dopytmi od zákazníkov. Jedna otázka, ktorá sa často objavuje, sa týka Knudsenovho čísla chladiča s lepenými rebrami. V tomto blogovom príspevku sa ponorím do toho, čo je Knudsenovo číslo, jeho význam v kontexte chladičov s lepenými rebrami a ako súvisí s našimi produktmi.
Pochopenie Knudsenovho čísla
Knudsenovo číslo (Kn) je bezrozmerná veličina používaná v mechanike tekutín a prenose tepla. Je definovaná ako pomer strednej voľnej dráhy (λ) molekúl plynu k charakteristickej dĺžke (L) systému. Matematicky sa to dá vyjadriť takto:
[ Kn=\frac{\lambda}{L} ]
Stredná voľná dráha je priemerná vzdialenosť, ktorú molekula plynu prejde medzi po sebe nasledujúcimi zrážkami. Závisí to od faktorov, ako je teplota plynu, tlak a veľkosť molekuly. Charakteristická dĺžka je reprezentatívny rozmer uvažovaného systému. Pre chladič s lepenými rebrami môže byť charakteristickou dĺžkou vzdialenosť rebier, výška rebier alebo nejaký iný relevantný rozmer.
Knudsenovo číslo je kľúčové, pretože nám pomáha určiť režim prúdenia plynu okolo chladiča. Na základe hodnoty Knudsenovho čísla možno tok rozdeliť do rôznych režimov:
-
Nepretržitý režim: Keď ( Kn \ll 1 ) (zvyčajne ( Kn < 0,01 )), plyn môže byť spracovaný ako spojité médium. V tomto režime možno na analýzu prúdenia a prenosu tepla okolo chladiča použiť rovnice Navier - Stokes, ktoré opisujú pohyb viskóznych tekutín. Väčšina konvenčných aplikácií chladiča funguje v tomto režime, kde sú molekuly plynu tak blízko pri sebe, že ich individuálne správanie možno spriemerovať.
-
Režim sklzu: Pre ( 0,01 < Kn < 0,1 ), plyn sa začína odchyľovať od správania kontinua. Na povrchu chladiča dochádza k malému sklzu medzi plynom a pevným povrchom. Aby sa zohľadnil tento sklz, na rovnice Navier - Stokes je potrebné použiť špeciálne okrajové podmienky.
-
Režim prechodového toku: Keď ( 0,1 < Kn < 10 ), tok je v prechode medzi sklzovým tokom a voľným molekulárnym tokom. Analýza sa stáva zložitejšou a nie je možné plne aplikovať ani kontinuálny, ani voľne molekulárny prístup.
-
Voľný - molekulárny režim toku: Pre ( Kn \gg 1 ) (zvyčajne ( Kn > 10 )) molekuly plynu interagujú hlavne s povrchmi chladiča a nie navzájom. V tomto režime sú prenos tepla a prúdenie tekutiny riadené molekulárnymi zrážkami s pevnými povrchmi.
Knudsenovo číslo v chladičoch s lepenými plutvami
V prípade chladičov s lepenými rebrami hrá Knudsenovo číslo významnú úlohu pri určovaní výkonu prenosu tepla. Rebrová štruktúra chladiča s lepenými rebrami pozostáva z viacerých tenkých rebier pripevnených k základnej doske. Malý rozstup rebier a výška môžu viesť k relatívne veľkým Knudsenovým číslam, najmä v aplikáciách, kde je tlak plynu nízky alebo charakteristická dĺžka je malá.
Uvažujme o príklade. Predpokladajme, že máme spojený chladič rebier s rozstupom rebier ( L = 1 \mathrm{mm} ). V normálnych atmosférických podmienkach je stredná voľná dráha vzduchu približne ( \lambda=68 \mathrm{nm} ). Knudsenovo číslo je v tomto prípade ( Kn=\frac{68\times10^{- 9}}{1\times10^{-3}} = 6,8\times10^{-5} ), čo je v rámci režimu kontinua. Ak sa však chladič používa v prostredí s nízkym tlakom, ako napríklad vo vákuovej komore alebo vo vysokých nadmorských výškach, stredná voľná dráha plynu sa môže výrazne zvýšiť. Napríklad, ak sa tlak zníži na ( 1 \mathrm{Pa} ), stredná voľná dráha vzduchu sa môže zvýšiť na približne ( 6,8 \mathrm{mm} ). Knudsenovo číslo sa potom zmení na ( Kn=\frac{6,8\times10^{-3}}{1\times10^{-3}} = 6,8), ktoré je v režime prechodu.
V režime kontinua dochádza k prenosu tepla z chladiča do okolitého plynu hlavne konvekciou a vedením. Rebrá zväčšujú povrch chladiča, čím zlepšujú prenos tepla konvekciou. Keď sa však Knudsenovo číslo zvýši a tok vstúpi do režimu sklzu alebo prechodového toku, zmení sa mechanizmus prenosu tepla. Sklz na povrchu znižuje koeficient konvekčného prenosu tepla a molekulárne kolízie s povrchmi sa stávajú dôležitejšími.
Naše chladiče s lepenými rebrami sú navrhnuté tak, aby fungovali optimálne v širokom rozsahu Knudsenových čísel. Používame pokročilé výrobné techniky, aby sme zaistili, že geometria rebier je presne kontrolovaná, čo pomáha udržiavať stabilný výkon prenosu tepla aj v nekontinuálnych režimoch prúdenia. Proces spájania medzi rebrami a základnou doskou je tiež starostlivo optimalizovaný, aby sa minimalizoval tepelný odpor a zlepšil sa prenos tepla.
Porovnanie s inými typmi chladičov
Je zaujímavé porovnať charakteristiky Knudsenovho čísla chladičov s lepenými rebrami s inými typmi chladičov, ako napr.Extrudované hliníkové chladiče,Hliníkové lisované chladiče, aChladiče kované za studena.
Extrudované hliníkové chladiče sa zvyčajne vyrábajú pretláčaním hliníka cez matricu, aby sa vytvoril súvislý tvar s rebrami. Rozstup a výška rebier v extrudovaných chladičoch sú relatívne veľké v porovnaní s chladičmi z lepených rebier. V dôsledku toho je charakteristická dĺžka väčšia a Knudsenovo číslo je vo všeobecnosti menšie za normálnych prevádzkových podmienok. To znamená, že extrudované chladiče budú s väčšou pravdepodobnosťou pracovať v režime kontinua.
Hliníkové lisované rebrové chladiče sa vyrábajú lisovaním rebier z hliníkového plechu a ich následným pripevnením k základnej doske. Geometria rebier môže byť zložitejšia ako geometria extrudovaných chladičov, ale charakteristická dĺžka je stále relatívne veľká. Podobne ako extrudované chladiče, zvyčajne pracujú v režime kontinua.
Chladiče kované za studena sa vyrábajú tvarovaním kovu pod vysokým tlakom. Môžu mať kompaktnejší dizajn s menším rozstupom plutiev a výškou. V porovnaní s lepenými rebrovými chladičmi však spojenie medzi rebrami a základnou doskou v chladičoch kovaných za studena nemusí byť v niektorých prípadoch také účinné. Charakteristiky Knudsenovho čísla chladičov kovaných za studena sa môžu líšiť v závislosti od konkrétneho dizajnu a prevádzkových podmienok.
Dôležitosť pre rôzne aplikácie
Knudsenovo číslo chladiča s lepenými rebrami je rozhodujúce pre rôzne aplikácie. V leteckých aplikáciách, kde sa chladiče používajú v nízkotlakových prostrediach vo vysokých nadmorských výškach alebo vo vesmíre, môže byť Knudsenovo číslo relatívne veľké. Pochopenie Knudsenovho čísla pomáha pri navrhovaní chladičov, ktoré dokážu efektívne prenášať teplo v týchto nekontinuálnych režimoch prúdenia.
V mikroelektronike, keď sa elektronické súčiastky zmenšujú a sú hustejšie, charakteristická dĺžka chladiča sa môže zmenšiť. To môže viesť k zvýšeniu Knudsenovho čísla, najmä v aplikáciách, kde je prúdenie vzduchu obmedzené. Vzhľadom na Knudsenovo číslo môžeme navrhnúť chladiče s lepenými rebrami, ktoré dokážu splniť požiadavky na odvod tepla týchto miniaturizovaných elektronických zariadení.
Záver
Záverom možno povedať, že Knudsenovo číslo je dôležitým parametrom na pochopenie charakteristík toku a prenosu tepla chladičov s lepenými rebrami. Pomáha nám určiť režim prúdenia, ktorý následne ovplyvňuje výkon prenosu tepla. Naša spoločnosť, ako dodávateľ chladičov s lepenými rebrami, berie do úvahy Knudsenovo číslo počas procesu navrhovania a výroby, aby sa zabezpečilo, že naše produkty môžu optimálne fungovať v širokom rozsahu prevádzkových podmienok.
Ak máte záujem o naše chladiče s lepenými rebrami alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa čísla Knudsen a jeho dôsledkov pre vašu konkrétnu aplikáciu, neváhajte nás kontaktovať pre podrobnú diskusiu a začatie procesu obstarávania. Zaviazali sme sa poskytovať vysokokvalitné riešenia chladičov prispôsobené vašim potrebám.
Referencie
- Bird, RB, Stewart, WE, & Lightfoot, EN (2007). Transport Phenomena (2. vydanie). Wiley.
- Kaviany, M. (1994). Princípy konvekčného prenosu tepla. Springer.
- Incropera, FP a DeWitt, DP (2002). Základy prenosu tepla a hmoty (5. vydanie). Wiley.
