مبادل حراري لمركبات مصفوفة الألومنيوم
تجمع المبادلات الحرارية لمركبات مصفوفة الألومنيوم (AMCs) بين خفة الوزن وقابلية التشكيل ومقاومة التآكل للألمنيوم مع الصلابة المحسنة ومقاومة التآكل والثبات الحراري الذي تساهم به التعزيزات الخزفية. والنتيجة هي منصة مبادل حراري مصممة لإدارة حرارية مدمجة وعالية التدفق حيث يمكن للألمنيوم التقليدي أن يعاني من الزحف أو التآكل أو استقرار الأبعاد في ظل دورات العمل القاسية.
تعتبر AMCs جذابة بشكل خاص لتصميمات الهواء إلى السائل ومن السائل إلى السائل التي تتطلب جدرانًا رقيقة وكثافة عالية للزعانف وأداءً ثابتًا على مدار عمر الخدمة الطويل. من خلال تصميم نوع التعزيز وجزء الحجم، يمكن ضبط مكونات المبادل الحراري AMC للتوصيل الحراري، ومعامل التمدد الحراري (CTE)، والتحمل الميكانيكي الداعم للقوة الأكثر صرامة، وضغوط التشغيل الأعلى، وتحسين المقاومة للاهتزاز والتدوير الحراري.
ما هو؟
يستخدم المبادل الحراري AMC مصفوفة من سبائك الألومنيوم - عادة من عائلات 3xxx أو 5xxx أو 6xxx - معززة بالجسيمات أو الألياف القصيرة مثل كربيد السيليكون (SiC)، أو الألومينا (Al₂O₃)، أو الجرافيت. يتم توزيع التعزيز من خلال المصفوفة لإنشاء مركب يتصرف بشكل مختلف عن الألومنيوم المتجانس.
تشمل الإنشاءات النموذجية ما يلي:
- نوى صفيحة ملحومة مع ألواح رأسية أو ألواح جانبية AMC من أجل الصلابة والثبات
- أنابيب Microchannel (متعددة المنافذ) حيث تتطلب مقاومة التآكل ومقاومة الزحف
- الألواح الباردة السائلة أو الألواح الأساسية لإلكترونيات الطاقة، حيث يكون التحكم في CTE أمرًا بالغ الأهمية
الميزات التي يهتم بها العملاء
| ميزة | ما يسلمه | لماذا يهم في المبادلات الحرارية |
|---|---|---|
| صلابة محددة عالية | انخفاض انحراف في الوزن المنخفض | تظل التصميمات ذات الجدران الرقيقة ثابتة الأبعاد |
| تحسين مقاومة الزحف | احتفاظ أفضل بالقوة عند درجة حرارة مرتفعة | يساعد في الاستخدام تحت غطاء المحرك والفضاء وركوب الدراجات عالية التحمل |
| مصممة خصيصا CTE | أقرب إلى السيراميك/أشباه الموصلات | يقلل من التعب الحراري في تبريد الالكترونيات |
| إدارة جيدة للتآكل | أكسيد الألومنيوم الطبيعي + الطلاءات | عمر خدمة طويل مع اختيار المانع/الطلاء المناسب |
| خيارات التصنيع | أنواع البثق، والربط، والتصنيع، والنحاس | يسمح بالإنتاج والتكامل القابلين للتطوير |
التطبيقات المشتركة
| صناعة | مثال لحالة الاستخدام | قيمة AMC |
|---|---|---|
| المركبات الكهربائية وإلكترونيات الطاقة | لوحات التبريد العاكسة، الوحدات الحرارية DC/DC | التحكم في CTE والصلابة من أجل التسطيح أثناء ركوب الدراجات |
| الفضاء الجوي | مبادلات الهواء إلى السائل المدمجة | تخفيض الوزن مع ثبات الأبعاد |
| السيارات | مبردات EGR، مكونات تبريد هواء الشحن، الإدارة الحرارية | مقاومة أفضل للزحف/التآكل وكثافة التغليف |
| البنية التحتية للاتصالات والبيانات | مجمعات التبريد السائلة وألواح التبريد | واجهات موثوقة ومسارات حرارية مستقرة |
| صناعي | مبردات زيت عالية الدلتا T، تبريد هيدروليكي | مقاومة التآكل والمتانة الميكانيكية |
خيارات نظام المواد (المصفوفة + التعزيز)
المبادلات الحرارية AMC ليست سبيكة واحدة "ذات حجم واحد" ؛ إنها أنظمة هندسية. يوضح الجدول أدناه المجموعات الشائعة والغرض العملي منها.
| نظام مركب | التعزيز النموذجي | جزء حجم التعزيز النموذجي | نية عملية |
|---|---|---|---|
| السيك (الجسيمات) | كربيد كربيد | 10-30% | صلابة أعلى، انخفاض CTE، تحسين التآكل |
| Al-Al₂O₃ (الجسيمات) | الألومينا | 10-25% | تعزيز قوي للتآكل، مستقر عند درجة الحرارة |
| الجرافيت (الهجين) | جرافيت + سيراميك | 5-20% | ضبط التوصيل الحراري وتقليل الاحتكاك |
| الهجين AMC | كربيد + Al₂O₃ | 10-30% | القدرة على الماكينات المتوازنة والتكلفة والاستقرار |
التركيب الكيميائي (سبائك المصفوفة التمثيلية)
لا يعد التعزيز جزءًا من كيمياء سبائك الألومنيوم، لذا يركز التحكم في التركيب على سبيكة المصفوفة. فيما يلي اختيارات المصفوفة الشائعة المستخدمة لمكونات المبادل، الموضحة في النطاقات النموذجية (بالوزن٪). يعتمد الاختيار النهائي على طريق الانضمام وبيئة التآكل والقوة المطلوبة.
AA3003 (يستخدم على نطاق واسع في ورقة المبادل الحراري)
| عنصر | و | الحديد | النحاس | من | ملغ | الزنك | آل |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| الوزن النموذجي٪ | 0.6 كحد أقصى | 0.7 كحد أقصى | 0.05-0.20 | 1.0-1.5 | 0.05 كحد أقصى | 0.10 كحد أقصى | توازن |
AA6061 (الألواح الهيكلية، المشعبات، الألواح الباردة)
| عنصر | و | الحديد | النحاس | من | ملغ | كر | الزنك | ل | آل |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| الوزن النموذجي٪ | 0.4-0.8 | 0.7 كحد أقصى | 0.15-0.40 | 0.15 كحد أقصى | 0.8-1.2 | 0.04-0.35 | 0.25 كحد أقصى | 0.15 كحد أقصى | توازن |
المعالجة المزاجية / الحرارية وتوافق الانضمام
غالبًا ما تكون تصميمات المبادلات الحرارية AMC محدودة ليس بالتوصيل، ولكن بقابلية الانضمام والاستقرار بعد الانضمام. يلخص الجدول الطرق المزاجية النموذجية المستخدمة في الممارسة العملية.
| عائلة ماتريكس | المزاج المشترك | ملاحظات للمبادلات الحرارية | اعتبارات الانضمام |
|---|---|---|---|
| 3xxx (على سبيل المثال، 3003) | يا، H14، H24 | قابلية تشكيل ممتازة للزعانف والصفائح | متوافق للغاية مع اللحام بالنحاس في جو متحكم فيه (CAB) عند ارتدائه |
| 6xxx (على سبيل المثال، 6061) | T6, T651, O | قوة أعلى للألواح/المشعبات | اللحام ممكن. قد يتطلب اللحام ضبط العملية بسبب التأثيرات المركبة |
| 5xxx (على سبيل المثال، 5052/5083) | ح32، ح116 | مقاومة جيدة للتآكل في البيئات البحرية | اللحام المشترك تجنب التعرض لدرجات الحرارة العالية التي قد تسبب الحساسية (تعتمد على السبائك) |
المواصفات الفنية (نطاقات المنتجات النموذجية)
تعتمد القيم الفعلية على التسليح، وطريقة المعالجة (ميتالورجيا المساحيق، والصب بالتحريك، والصب بالضغط، والتسلل)، وهندسة المكونات. هذه نطاقات عملية تستخدم للمواصفات على مستوى العميل.
| المعلمة | نطاق نموذجي | ملحوظات |
|---|---|---|
| كثافة | 2.75-3.05 جم/سم3 | يزيد مع جزء السيراميك. لا يزال أقل بكثير من أنظمة الفولاذ / النحاس |
| الموصلية الحرارية | 140–210 وات/م·ك | قد يقلل المركب من k مقابل Al النقي؛ يركز التصميم على الثبات + الجدران الرقيقة |
| CTE (20-100 درجة مئوية) | 12-20 ميكرومتر/م · كلفن | قابل للضبط؛ يمكن تحقيق قيم أقل مع نسبة SiC أعلى |
| معامل مرن | 85-140 جيجا باسكال | أعلى من الألومنيوم المتجانس (~69 جيجا باسكال) |
| قوة الشد (درجة حرارة الغرفة) | 180-420 ميجا باسكال | يعتمد بشكل كبير على المصفوفة/المزاج والتعزيز |
| قوة الخضوع (درجة حرارة الغرفة) | 120-350 ميجا باسكال | قيم أعلى في AMCs المعالجة بالحرارة والتي تعتمد على 6xxx |
| درجة حرارة التشغيل (نموذجية) | -40 إلى 250 درجة مئوية | يعتمد على كيمياء سائل التبريد والأختام وطريقة الربط |
| الحد الأقصى لضغط التصميم (على مستوى المكونات) | خاص بالتطبيق | تحكمها الهندسة والكفاءة المشتركة ومتطلبات التعب |
ملاحظات الأداء التي تؤثر على قرارات الشراء
| عنوان | ما الذي يتغير مع AMC | الوجبات الجاهزة للعملاء |
|---|---|---|
| ركوب الدراجات الحرارية | انخفاض CTE والصلابة العالية تقلل من الاعوجاج | استقرار أفضل للواجهة للألواح الباردة والمجموعات النحاسية |
| الاهتزاز والتعب | يمكن أن يقلل المعامل الأعلى من الإجهاد | يساعد في بيئات الهاتف المحمول والفضاء عندما يتم تصميمه بشكل صحيح |
| تآكل | لا تزال المصفوفة تتصرف مثل الألومنيوم، ويمكن أن يؤثر التعزيز على الجلفانيات محليًا | استخدم الطلاءات والمثبطات وأنظمة اللحام/الكسوة المعتمدة |
| القدرة على التصنيع | تزيد المراحل الصعبة من تآكل الأداة | ميزانية أدوات كربيد/PCD؛ تحسين الخلاصات/السرعات |
النماذج النموذجية وخيارات البناء
| شكل المنتج | الاستخدام النموذجي | ملاحظات التصنيع |
|---|---|---|
| ورقة / لوحة AMC | لوحات الباردة، التقوية، لوحات نهاية | التصنيع باستخدام الحاسب الآلي؛ الاهتمام بتآكل الأداة والانتهاء من السطح |
| لمحات مقذوف | أنابيب متعددة المنافذ، ومشعبات | يعد ثبات الأبعاد ومقاومة التآكل من الفوائد |
| جمعيات ملحومة | نوى صفيحة الزعانف مع الأجزاء الهيكلية AMC | يجب التحقق من صحة اختيار حشو/مغطى بالنحاس باستخدام المركب |
| التجمعات الهجينة | قاعدة AMC + زعانف ألومنيوم | فعال من حيث التكلفة: مركب عندما يكون مهمًا، ومعياريًا عندما لا يكون ذلك مهمًا |
الجودة والتفتيش (الفحوصات العملية)
| بند التفتيش | ما تسيطر عليه | طريقة نموذجية |
|---|---|---|
| توزيع التعزيز | اتساق الخصائص وسلوك الانضمام | علم المعادن، وأخذ العينات المقطعية من أجل بناء التنمية |
| المسامية | سلامة الضغط وعمر التعب | فحوصات الكثافة، الفحص المجهري، اختبارات التسرب |
| التسطيح والاعوجاج | أداء الواجهة الحرارية | CMM، فحص التسطيح البصري |
| سلامة مشتركة | موثوقية طويلة المدى | اختبار الانفجار، والتدوير الحراري، واختبارات تسرب الهيليوم |
تم تصميم المبادلات الحرارية AMC للأنظمة الحرارية المدمجة وخفيفة الوزن والتي يجب أن تظل مستقرة تحت الحرارة والضغط والاهتزاز وركوب الدراجات. من خلال الجمع بين قابلية تصنيع الألومنيوم وتعزيز السيراميك، توفر AMCs CTE قابلة للضبط، وصلابة أعلى، ومقاومة تآكل محسنة، واستقرار أفضل في درجات الحرارة العالية - مثالية لتبريد إلكترونيات الطاقة الكهربائية، والإدارة الحرارية للفضاء، والحلقات الصناعية الصعبة. يجب أن يركز الاختيار على النظام الكامل: سبيكة المصفوفة، وجزء التسليح، ومسار الوصل، والتحكم في التآكل، وخطة الفحص.
توفر حلول المبادلات الحرارية لمركبات مصفوفة الألومنيوم أداءً حراريًا خفيف الوزن وعالي الصلابة مع CTE قابل للضبط، ومقاومة تآكل محسنة، وتشغيل مستقر لتطبيقات السيارات الكهربائية والفضاء والتبريد الصناعي.
https://www.aluminumplate.net/a/aluminum-matrix-composites-heat-exchanger.html
