رویکرد جدید برای خنک‌سازی الکترونیک با استفاده از تخلیه کرونا

ممکن است با زمزمه شروع فن مکانیکی که هنگام راه اندازی کامپیوتر لپ تاپ شما روشن می شود آشنا باشید. چنین فن برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد وسایل الکترونیکی ضروری است و صدای چرخش همراه سیستم خنک کننده یک عارضه جانبی اجتناب ناپذیر است. با کوچکتر شدن وسایل الکترونیکی، اندازه این فن مکانیکی نیز باید کاهش یابد و در نتیجه سریعتر و سریعتر بچرخد تا به اندازه یک فن بزرگتر اتلاف گرما را ارائه دهد. این تیغه‌های کوچک‌تر نه تنها صدای بلندی دارند، بلکه پیشرفت‌های صنعت و انتظارات مصرف‌کنندگان در حال حاضر نیاز به تولید دستگاه‌هایی دارد که به سادگی بیش از حد نازک هستند که دارای فن موثری نباشند. به منظور رسیدگی به این مسائل،

اتلاف گرما با استفاده از تخلیه کرونا

اتلاف گرما، یک نیاز ضروری در دستگاه های الکترونیکی، معمولاً از طریق یک فن مکانیکی کوچک انجام می شود. برای دهه‌ها، جریان هوای ایجاد شده توسط این فن مکانیکی تنها وسیله خنک‌کننده قطعات الکترونیکی بوده است و مهندسان پتانسیل ارائه فن‌های کوچک‌تر، فشرده‌تر و بی‌صدا را تمام کرده‌اند. به همین دلیل، مهندسان صنایع مختلف به دنبال روش‌های خنک‌کننده الکترونیکی مؤثرتر بوده‌اند و اخیراً اختراعات جدیدی نیز وجود داشته است. یکی از امیدوارکننده‌ترین این تکنیک‌های خنک‌کننده جدید، از تخلیه کرونا برای ایجاد جریان خنک‌کننده هوا استفاده می‌کند. این تکنیک که به باد الکتریکی یا باد یونی معروف است، شامل دو الکترود است که برای تولید جریان هوا بدون نیاز به قطعات مکانیکی متحرک (نویزدار) استفاده می شود.

در این دستگاه‌های خنک‌کننده بی‌صدا، جریان هوا زمانی ایجاد می‌شود که یکی از الکترودهای سیستم، به نام الکترود تاج ، یون‌های گازی با بار مثبت تولید کند، در حالی که الکترود دیگر، کلکتور یا الکترود ضد .، آنها را جذب می کند و جریانی از یون های نیتروژن با بار مثبت بین دو الکترود ایجاد می کند. وقتی این یون‌های متحرک با مولکول‌های هوای محیط برخورد می‌کنند، تکانه بین دو ذره منتقل می‌شود و یک جریان پیوسته از هوا تولید می‌شود که سپس از طریق یک اثر آبشاری به مولکول‌های دیگر در سیستم انتشار می‌یابد. سپس، این الکترون ها و مولکول های هوا از طریق یک مجرای جریان هوا حرکت می کنند، جایی که به سمت سیستم های الکترونیکی در دستگاه هدایت می شوند. هنگامی که یون ها به الکترود کلکتور در انتهای مجرا می رسند، یونیزه می شوند.

اصل کار در طراحی تخلیه تاج، جایی که یون های تولید شده توسط یک الکترود کرونا به سمت مجرای هوا حرکت می کنند. تصویر توسط Tessera Technologies Inc.

هنگامی که دستگاه روشن است، یک ولتاژ به یکی از الکترودها اعمال می شود و یک میدان الکتریکی قوی در اطراف آن ایجاد می کند. این میدان الکتریکی سپس مولکول های نیتروژن موجود در هوا را یونیزه می کند و یون هایی با بار مثبت ایجاد می کند. تخلیه تاج زمانی اتفاق می‌افتد که میدان الکتریکی ایجاد شده در اطراف الکترود کرونا به اندازه‌ای قوی باشد که یک ناحیه رسانا یا ناحیه پلاسمایی اطراف الکترود ایجاد کند ، اما آنقدر قوی نیست که باعث ایجاد قوس یا شکست الکتریکی در اجسام مجاور شود. سپس مولکول‌های نیتروژن یونیزه شده از ناحیه پلاسمایی اطراف الکترود تاج به سمت الکترود ضد حرکت می‌کنند و اغلب از مجرای هوا همانطور که در بالا نشان داده شده است عبور می‌کنند.

رویکرد چندفیزیکی به خنک‌سازی الکترونیکی بی‌صدا

یکی از پیشتازان در طراحی دستگاه های خنک کننده الکترونیکی بی صدا Tessera Technologies Inc. است که سیستم خنک کننده هوای بی صدا Tessera را به ثبت رسانده است . این سیستم که برای اولین بار توسط نلز جول لارسن، دانشجوی دانشگاه واشنگتن توسعه داده شد، از باد الکتریکی و تخلیه کرونا برای ایجاد یک سیستم خنک کننده برای رایانه های لپ تاپ استفاده می کند. این سیستم با COMSOL Multiphysics طراحی و شبیه‌سازی شده است و به تیم تحقیق و توسعه (R&D) در Tessera اجازه می‌دهد تا عملکرد دقیق درونی دستگاه را درک کند. شبیه‌سازی نهایی آن‌ها بسیاری از اثرات فیزیکی مختلف از جمله الکترواستاتیک، تولید و انتقال بار، دینامیک سیالات و انتقال حرارت را در نظر گرفت. نموداری از شبیه سازی چند فیزیک که توسط این تیم توسعه داده شده است در زیر نشان داده شده است:

شبیه‌سازی چندفیزیکی محرک هوای Silent Air Cooling™. نقشه سطح چگالی بار فضایی را نشان می دهد (که در آن رنگ قرمز چگالی بالاتر را نشان می دهد) و خطوط سفید نشان دهنده خط شار بار فضایی است. فلش‌های سفید سرعت هوا را نشان می‌دهند و طول فلش به صورت خطی روی سرعت مقیاس‌بندی می‌شود.

لارسن در مقاله اخیر در COMSOL News 2013 توضیح داد: «از آنجایی که میدان الکتریکی با زمان تغییر نمی‌کند، هیچ امواج فشاری وجود ندارد، بنابراین عملاً هیچ صدایی وجود ندارد . سیستم خنک‌کننده هوای خاموش به‌دست‌آمده نه تنها در برابر گوش انسان با سرعت 15 دسی‌بل‌ای کاملاً بی‌صدا است، بلکه می‌تواند در فضایی با ضخامت 4 میلی‌متر جای بگیرد و Tessera توانسته نشان دهد که این سیستم در دستگاه‌های Ultrabook™ کار می‌کند.

در سایر اخبار خنک کننده الکترونیک…

ژنراتور باد یونی همه چیز را در اپل خنک نگه می دارد

طبق گزارش AppleInsider ، Apple® Inc. روی دستگاهی مشابه دستگاه Tessera به نام “Ionic Wind Generator” کار کرده است. در اواخر سال 2012 ثبت اختراع شد و این حق اختراع سیستمی را توصیف می کند که از تخلیه کرونا برای ایجاد باد الکتریکی برای خنک کردن دستگاه های الکترونیکی استفاده می کند. این حق اختراع همچنین یک تکنیک اضافی را توضیح می دهد که به جریان هوا اجازه می دهد با استفاده از آهنربا یا آهنرباهای الکتریکی به داخل سیستم هدایت شود. در حال حاضر، اپل هنوز این سیستم خنک‌کننده را در یک دستگاه مصرف‌کننده پیاده‌سازی نکرده است، اما پتنت اشاره می‌کند که ممکن است بتوان از این اختراع نه تنها در رایانه‌های رومیزی و لپ‌تاپ، بلکه در تلفن‌های همراه، پخش‌کننده‌های رسانه و تبلت‌ها نیز استفاده کرد.

یک رویکرد خنک کننده موتور جت که برای الکترونیک طراحی شده است

در حین مطالعه در مورد تخلیه کرونا و استفاده از آن در خنک کننده الکترونیکی بی صدا، با رویکرد دیگری برخورد کردم که محدودیت های فضا و نویز صنعت الکترونیک را به روشی کاملاً متفاوت حل می کند. این دستگاه که با نام جت های خنک کننده دوگانه پیزوالکتریک (DCJ) شناخته می شود، توسط جنرال الکتریک (GE) برای استفاده در موتورهای جت توسعه داده شد. این رویکرد اکنون پتانسیل خنک سازی بی صدا را در لپ تاپ ها و سایر دستگاه های الکترونیکی نشان می دهد. اصل کار پشت دستگاه DCJ بسیار ساده است. از همان تکنیک دیافراگم یا جفت ریه استفاده می کند که منقبض و منبسط می شود تا هوا را بکشد و فشار دهد و جریان خنک کننده ای از هوا ایجاد کند.

در یک بیانیه مطبوعاتی در دسامبر 2012 ، جنرال الکتریک این دستگاه را اینگونه توصیف کرد که «به عنوان یک دم میکروسیال عمل می کند که جت های هوا با سرعت بالا را برای خنک کردن اجزای الکترونیکی فراهم می کند. جریان هوای متلاطم DCJ سرعت انتقال حرارت را به بیش از ده برابر همرفت طبیعی افزایش می‌دهد، به طوری که DCJ اکنون می‌تواند به عنوان یک راه‌حل خنک‌کننده بهینه برای محصولات الکترونیکی مصرفی بسیار نازک در نظر گرفته شود. این سیستم هنوز در یک دستگاه مصرف‌کننده پیاده‌سازی و فروخته نشده است، اما این تکنیک برای استفاده در لپ‌تاپ‌ها نویدبخش است و جنرال الکتریک ادعا می‌کند که سیستم کارآمد انرژی ممکن است بتواند تا 30 دقیقه به عمر باتری رایانه اضافه کند.

منابع اضافی

هر یک از این طرح‌های جدید نویدبخش آینده دستگاه‌های الکترونیکی است و از تبدیل شدن خنک‌کننده الکترونیک به یک عامل محدودکننده در پیشرفت‌ها و نوآوری‌های صورت گرفته در صنعت الکترونیک جلوگیری می‌کند. در مورد این تکنیک های جدید از منابع زیر بیشتر بیاموزید:

• در مقاله “خنک کننده هوای بی صدا: رویکردی جدید برای مدیریت حرارتی” در صفحه 26 از COMSOL News 2013 درباره Tessera اطلاعات بیشتری کسب کنید.
• در مقاله ای توسط AppleInsider در مورد ” Ionic Wind Generator ” اپل بخوانید
• ویدئویی را تماشا کنید که جت های خنک کننده دوگانه پیزوالکتریک جنرال الکتریک را توصیف می کند