Šilumos perdavimas yra labai svarbus mechaninių komponentų veikimui ir saugai, o briaunos yra pagrindinė technologija, padedanti jį pagerinti. Šiame straipsnyje nagrinėjamas briaunų vaidmuo ir efektyvūs aušinimo metodai.
Seniai, 2016 m., įvyko „Samsung Galaxy Note 7“ sprogimo incidentas, dėl kurio buvo rekomenduojama nutraukti jo naudojimą dėl keliamo pavojaus. Šis incidentas sukėlė didelį šoką visame pasaulyje ir paskatino plačias diskusijas bei tyrimus apie elektroninių prietaisų saugą. Visų pirma, buvo iš naujo išnagrinėti keli su akumuliatorių technologijų sauga susiję klausimai, paskatinę daugelį įmonių stengtis užtikrinti gaminių saugą. Nors tiksli sprogimų priežastis lieka neaiški, labiausiai tikėtina priežastis yra akumuliatorių perkaitimas. Akumuliatorių perkaitimas įvyksta, kai šilumos perdavimas į išorę yra nepakankamas. Projektuojant ir gaminant mechaninius komponentus, labai svarbu atsižvelgti į šį šilumos perdavimą. Šiame straipsnyje trumpai pristatomi šilumos perdavimo pagrindai ir briaunos, kurios efektyviai padidina šilumos perdavimo greitį.
Kas yra šilumos perdavimas? Norint atsakyti į šį klausimą, šilumos perdavimas reiškia šiluminės energijos judėjimą dėl temperatūrų skirtumų. Kitaip tariant, šiluma perduodama, kai terpėse arba tarp jų yra temperatūrų skirtumas. Yra trys šilumos perdavimo būdai: laidumas, konvekcija ir spinduliuotė. Laidumas yra šilumos perdavimas, vykstantis per nejudančią terpę, pavyzdžiui, kietą medžiagą arba skystį, kai joje yra temperatūros gradientas. Pavyzdžiui, kaitinant vieną metalinio strypo galą, šiluma per metalą patenka į priešingą galą – tai yra laidumas. Konvekcija yra šilumos perdavimas tarp skirtingos temperatūros paviršių ir judančio skysčio. Pavyzdžiui, verdant vandenį puode, šiluma perduodama per vandens cirkuliaciją – tai yra konvekcija. Spinduliuotė yra šilumos perdavimas tarp skirtingos temperatūros paviršių, vykstantis net ir be tarpinės terpės. Puikus spinduliuotės pavyzdys yra saulės energija, perduodama į Žemę per kosmosą. Siekiant išvengti mašinų komponentų perkaitimo, būtinas efektyvus šilumos perdavimas tarp komponento ir išorinio skysčio. Toliau nagrinėsime šilumos perdavimo metodus ir atitinkamus jų aušinimo metodus iš mašinų komponentų gamybos perspektyvos. Tarp laidumo, konvekcijos ir spinduliuotės šilumos perdavimas spinduliuote yra nežymus, palyginti su laidumu ir konvekcija, todėl jam nereikia skirti daug dėmesio. Todėl jo paaiškinimo praleisime.
Laidumą galima laikyti energijos perdavimu iš aktyvesnių dalelių į mažiau aktyvias medžiagos daleles dalelių sąveikos būdu. Furjė dėsnis yra lygtis, apibūdinanti šilumos perdavimo greitį dėl šilumos laidumo. Šis dėsnis teigia, kad šilumos perdavimo greitis dėl laidumo yra proporcingas šilumos laidumui, skerspjūvio plotui ir temperatūrų skirtumui ir atvirkščiai proporcingas atstumui (šilumos perdavimo kryptimi).
Konvekcija yra energijos perdavimas dėl netolygaus molekulių judėjimo arba difuzijos. Pavyzdžiui, šildymo sistemoje šiltas oras, cirkuliuojantis per kambarį ir perduodantis šilumą, taip pat yra konvekcijos rūšis. Panašiai ir Niutono aušinimo dėsnis, konvekcinio šilumos perdavimo greičio lygtis, teigia, kad šilumos perdavimo greitis yra proporcingas konvekcinio šilumos perdavimo koeficientui, skerspjūvio plotui ir temperatūrų skirtumui.
Remiantis šiais dviem dėsniais, yra trys pagrindiniai būdai, kaip žymiai padidinti šilumos perdavimo greitį, kad būtų galima efektyviai aušinti perkaitusius mašinos komponentus. Pirma, padidinti šilumos laidumą ir konvekcinį šilumos perdavimo koeficientą. Antra, padidinti temperatūros skirtumą tarp komponento ir išorinio skysčio. Trečia, padidinti skerspjūvio plotą. Kadangi šilumos laidumas ir konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas yra būdingos medžiagos savybės, norint juos pagerinti, reikia gaminti mechaninį komponentą iš geresnių medžiagų. Tačiau tai susiduria su kainos problema. Norint padidinti temperatūros skirtumą tarp komponento ir išorinio skysčio, reikia sumažinti išorinio skysčio temperatūrą. Išskyrus ypatingus atvejus, aplinkos temperatūra yra pastovi, todėl tai taip pat sunku. Kita vertus, padidinus skerspjūvio plotą, galima lengvai žymiai padidinti šilumos perdavimo greitį. Tokiu būdu sukurtas išplėstas paviršius vadinamas peleku.
Pelekus galima rasti kasdieniuose daiktuose. Pavyzdžiui, motociklų ir vejapjovių variklio korpusuose arba radiatorių korpusuose. Pelekų formos gali būti įvairios ir plačiai suskirstytos į tiesias, žiedines ir briaunotas (spyglio tipo) pelekus. Pelekų formos pasirinkimas priklauso nuo tūrio, svorio, gamybos sąlygų ir kainos. Svarbiausias pelekų aspektas yra jų našumas. Pelekų našumui netaikomas paprastas, lengvai formuluojamas dėsnis. Skaičiuojant pelekų našumą, reikia atsižvelgti į įvairias sąlygas pelekų galiukuose, o tai leidžia nustatyti tendencijas, susintetinant šiuos skaičiavimus. Išvada rodo, kad pelekai veikia geriau, kai yra plonesni ir išdėstyti arčiau vienas kito, diapazone, kuriame jie netrukdo vienas kitam dėl per didelio artumo. Be to, atsižvelgiant į pelekų šilumos laidumą, svorį ir kainą, dažniausiai naudojami aliuminio lydiniai.
Jau aptarėme šilumos perdavimo pagrindus ir trumpai pristatėme briaunas. Briaunos daugiausia naudojamos gaminant komponentus, kurių perkaitimas gali pakenkti funkcionalumui. Jos ypač svarbios įvairiose pramonės šakose, kurioms reikalingas efektyvus šilumos valdymas, pavyzdžiui, aviacijos ir kosmoso, automobilių ir elektronikos pramonėje. Todėl šilumos perdavimas yra labai svarbus veiksnys gaminant saugius mechaninius komponentus. Būtina atsižvelgti į tai, kiek komponentas gali perkaisti ir ar jį galima pakankamai atvėsinti, kad būtų išvengta gedimų. Nors pastarieji technologiniai pasiekimai lėmė įvairių mašinų kūrimą, negalime būti apakinti naujų funkcijų ir technologijų. Vietoj to, turime teikti pirmenybę pagrindiniams saugos aspektams, kad išvengtume tokių incidentų kaip sprogstantys išmanieji telefonai pasikartojimo. Be to, šie techniniai iššūkiai ir saugos siekis bus svarbios pamokos būsimai technologinei plėtrai.
