Questo articolo introduce principalmente le conoscenze di base della progettazione termica delle apparecchiature elettroniche, conoscenze che i progettisti termici dovrebbero conoscere se desiderano condurre analisi termiche o diventare progettisti qualificati per la dissipazione del calore in ambito elettronico. Solo chi possiede le conoscenze di base sulla conduzione termica, in base alla modalità di funzionamento dell'apparecchiatura e alla quantità di calore generato, può progettare una o più soluzioni di raffreddamento a conduzione termica idonee per un sito industriale, al fine di soddisfare le esigenze di conduzione termica delle apparecchiature in ambito industriale.
parole chiave
Modalità di trasferimento di calore
equazione di conservazione della massa
Metodo di progettazione e procedura di dissipazione del calore del dispositivo di riscaldamento
Raffreddamento naturale
Raffreddamento a ventilazione forzata
Raffreddamento a liquido diretto
Piastra di raffreddamento a liquido indiretto
Contenuto dell'articolo
Il secondo principio della termodinamica afferma che il calore è sempre spontaneo e irreversibile, da alta a bassa temperatura. Ciò significa che finché c'è una differenza di temperatura, il calore si trasferisce spontaneamente da alta a bassa temperatura, dando origine a uno scambio termico. Esistono tre modalità di trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento. Possono manifestarsi singolarmente o in due o tre forme contemporaneamente.
La conservazione della massa nel moto dei fluidi implica che la massa totale del fluido che scorre attraverso un certo spazio rimane costante e qualsiasi problema di flusso deve soddisfare la legge di conservazione della massa. L'equazione di continuità del corpo di controllo è:
La legge di conservazione della quantità di moto è una delle leggi di conservazione più importanti e universali in natura. Si applica sia agli oggetti macroscopici che alle particelle microscopiche. È adatta sia agli oggetti in movimento a bassa velocità che ad alta velocità. Si applica sia ai sistemi conservativi che a quelli non conservativi. La legge di conservazione della quantità di moto è una legge fondamentale a cui qualsiasi sistema in movimento, incluso qualsiasi sistema fluido, deve obbedire quando non è soggetto a forze esterne. Questa equazione può essere interpretata come: la forza risultante agente su un fluido in un corpo di controllo è uguale alla quantità cumulativa di moto in uscita dal corpo di controllo per unità di tempo meno la quantità di moto in entrata nel corpo di controllo per unità di tempo più la quantità di moto del fluido nel corpo di controllo per unità di tempo. L'equazione della quantità di moto per il corpo di controllo è:
La progettazione della dissipazione e della conduzione del calore è un aspetto importante per l'affidabilità delle apparecchiature. Finché un'apparecchiatura elettronica è alimentata elettricamente, essa è la fonte di calore; il calore generato è pari alla potenza dissipata. La potenza dissipata (potenza di riscaldamento) è la base della progettazione termica e può essere determinata mediante calcoli sperimentali e teorici. Generalmente, si consiglia di aumentare il fattore di sicurezza, un valore conservativo, appropriato. La progettazione termica viene generalmente progettata nelle condizioni più severe: la temperatura ambiente più elevata e la massima dissipazione del calore. In generale, la progettazione della dissipazione e della conduzione del calore delle apparecchiature elettroniche deve rispettare i seguenti aspetti e fasi:
(1)Determinare l'area di dissipazione del calore del dispositivo di riscaldamento, l'intervallo limite della temperatura ambiente del radiatore o del mezzo d'aria circostante;
(2) Determinare la densità convettiva e la modalità di dissipazione del calore;
(3) Eseguire un'analisi delle sollecitazioni su alcuni componenti di riscaldamento chiave, determinare la loro temperatura massima consentita e il consumo energetico e analizzare il loro tasso di guasto in base alla relazione di temperatura;
（4) Calcolare la densità termica in base al metodo di installazione del dispositivo di riscaldamento e dell'intera apparecchiatura;
（5) La temperatura massima di lavoro della superficie è determinata dalla resistenza termica interna del dispositivo;
(6) Calcolare il valore totale della barriera termica tra il dispositivo e la superficie finale di dissipazione del calore;
(7) Calcolare e distribuire la barriera termica in base alla misurazione della generazione di calore e ad altri fattori e valutarla per determinare la modalità di conduzione del calore e la modalità di raffreddamento
Il raffreddamento naturale per posizionamento è l'azione singola di dissipazione del calore, convezione e trasferimento di calore per irraggiamento o una combinazione di più di due forme di trasferimento di calore, con i vantaggi di elevata affidabilità e basso costo. Il raffreddamento naturale è fortemente influenzato dall'ambiente esterno e sono presenti facili ostacoli alla conduzione del calore nel percorso di conduzione, aumentando la resistenza alla conduzione del calore e riducendo così la velocità di conduzione del trasferimento di calore dell'aria e la dose di flusso d'aria. Pertanto, in caso di interferenze dall'ambiente esterno all'apparecchiatura, questo metodo di raffreddamento è relativamente semplice, efficiente ed economico. Non richiede apparecchiature di trasferimento del refrigerante come ventole o pompe di trasferimento ed evita problemi di affidabilità del sistema causati da usura o guasti dei componenti dell'apparecchiatura. Pertanto, è preferibile utilizzare metodi di raffreddamento naturale.
Nel raffreddamento ad aria forzata, le apparecchiature elettroniche integrate ad alta potenza e ad alta intensità termica non possono fare affidamento sul raffreddamento ad aria naturale, poiché hanno una velocità convettiva più elevata e un flusso maggiore rispetto all'aria nel raffreddamento naturale e, rispetto a diverse altre modalità di conduzione del calore della modalità di raffreddamento forzato, questa modalità di raffreddamento ha i vantaggi di una struttura semplice, bassi costi e facile manutenzione.
Ciò che chiamiamo raffreddamento a liquido diretto è il fatto che la parte riscaldante dei componenti elettronici dell'apparecchiatura è direttamente a contatto con il refrigerante per lo scambio termico. I componenti riscaldanti trasferiscono il calore generato al refrigerante, in modo che il calore si riduca e la temperatura del refrigerante aumenti, mentre il calore in eccesso viene disperso dal refrigerante. Questo metodo di raffreddamento è adatto ad apparecchiature con elevata densità termica o elevata densità di integrazione dei componenti elettronici. Il metodo di raffreddamento richiede elevate caratteristiche dei componenti riscaldanti e del refrigerante. Il refrigerante deve soddisfare i requisiti di elevato punto di ebollizione, non decomposizione, non volatilizzazione e altre caratteristiche alla temperatura di esercizio delle apparecchiature elettroniche, e deve inoltre soddisfare il requisito che il refrigerante non influisca sul funzionamento dell'apparecchiatura.
Il raffreddamento a liquido indiretto, comunemente noto come raffreddamento a liquido indiretto, si riferisce al fatto che il refrigerante non entra in contatto diretto con i componenti elettronici riscaldanti, ma attraverso la piastra di base dell'apparecchiatura esterna e altri moduli intermedi dei componenti riscaldanti per trasmettere il calore generato al refrigerante indiretto, raffreddando il liquido dopo il riscaldamento e quindi attraverso la superficie della perdita di refrigerante per raggiungere lo scopo del raffreddamento indiretto. La progettazione del sistema di raffreddamento a liquido indiretto richiede principalmente un buon percorso di conduzione termica tra la fonte di riscaldamento e il mezzo intermedio per ridurre il più possibile la resistenza di contatto termico. Con questo metodo, il refrigerante non entra in contatto diretto con i componenti elettronici, il che può ridurre l'inquinamento delle apparecchiature elettroniche, e il requisito di refrigerante è maggiore rispetto a quello del liquido di raffreddamento diretto, e la manutenzione è semplice.
