تُقدّم هذه الورقة البحثية بشكل رئيسي المعرفة الأساسية بالتصميم الحراري للمعدات الإلكترونية، وينبغي على مصممي التصميم الحراري الإلمام بهذه المعرفة الأساسية إذا كانوا يرغبون في إجراء تحليل حراري أو أن يصبحوا مصممين مؤهلين لتبديد الحرارة الإلكتروني. فقط المصمم الذي يتقن المعرفة الأساسية بالتوصيل الحراري، يمكنه تصميم نظام تبريد واحد أو أكثر مناسب للتوصيل الحراري في المواقع الصناعية، وذلك وفقًا لطريقة عمل المعدات وكمية الحرارة المُولّدة، لتلبية احتياجات التوصيل الحراري للمعدات الصناعية.
الكلمات الدالة
وضع نقل الحرارة
معادلة حفظ الكتلة
طريقة تصميم وإجراءات تبديد الحرارة لجهاز التدفئة
تبريد طبيعي
تبريد التهوية القسرية
التبريد السائل المباشر
صفيحة تبريد سائل غير مباشرة
محتويات المقالة
ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الحرارة تنتقل تلقائيًا من درجة حرارة عالية إلى درجة حرارة منخفضة، أي أنه ما دام هناك فرق في درجتي الحرارة، تنتقل الحرارة تلقائيًا من درجة حرارة عالية إلى درجة حرارة منخفضة، مسببةً تبادلًا حراريًا. هناك ثلاثة أنماط لانتقال الحرارة: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع. وقد تظهر هذه الأنماط منفردة، أو في شكلين أو ثلاثة أشكال في آن واحد.
يعني قانون حفظ الكتلة في حركة السوائل أن الكتلة الكلية للسائل المتدفق عبر حيز معين تبقى ثابتة، ويجب أن تُلبي أي مشكلة تدفق قانون حفظ الكتلة. معادلة استمرارية جسم التحكم هي:
يُعد قانون حفظ الزخم أحد أهم قوانين الحفظ وأكثرها شمولية في الطبيعة. ينطبق على الأجسام العيانية والجسيمات المجهرية. وهو مناسب للأجسام المتحركة بسرعات منخفضة وعالية. كما ينطبق على الأنظمة المحافظة وغير المحافظة. يُعد قانون حفظ الزخم قانونًا أساسيًا يجب على أي نظام متحرك، بما في ذلك أي نظام متدفق، الالتزام به عند عدم تعرضه لقوى خارجية. يمكن تفسير هذه المعادلة على النحو التالي: القوة المحصلة المؤثرة على سائل في جسم تحكم تساوي الكمية التراكمية للزخم الخارج من جسم التحكم في وحدة الزمن مطروحًا منها الزخم الداخل إلى جسم التحكم في وحدة الزمن زائد زخم السائل في جسم التحكم في وحدة الزمن. معادلة الزخم لجسم التحكم هي:
يُعد تصميم تبديد الحرارة والتوصيل الحراري جانبًا مهمًا في تصميم موثوقية المعدات. طالما أن الكهرباء مصدر حرارة، فإن الحرارة المتولدة في المعدات الإلكترونية تساوي تبديد الطاقة. تُمثل الطاقة المُبددة (طاقة التسخين) أساس التصميم الحراري، ويمكن تحديدها من خلال الحسابات التجريبية والنظرية. بشكل عام، يُفضل زيادة عامل الأمان، والقيمة المحافظة، والقيمة الأعلى المناسبة. يُصمم التصميم الحراري عادةً في ظل أقسى الظروف: أعلى درجة حرارة محيطة وأقصى تبديد للحرارة. بشكل عام، يجب أن يتوافق تصميم تبديد الحرارة والتوصيل الحراري للمعدات الإلكترونية مع الجوانب والخطوات التالية:
（1) تحديد منطقة تبديد الحرارة لجهاز التدفئة، أو نطاق حد درجة الحرارة المحيطة للمبرد أو وسط الهواء المحيط؛
(2) تحديد كثافة الحمل الحراري وطريقة تبديد الحرارة؛
（3) إجراء تحليل الإجهاد على عدد قليل من مكونات التدفئة الرئيسية، وتحديد الحد الأقصى المسموح به لدرجة الحرارة واستهلاك الطاقة، وتحليل معدل فشلها في ظل العلاقة بين درجة الحرارة؛
(4) احسب الكثافة الحرارية وفقًا لطريقة تركيب جهاز التدفئة والمعدات بالكامل؛
(5) يتم تحديد أقصى درجة حرارة تشغيل للسطح من خلال المقاومة الحرارية الداخلية للجهاز؛
（6) احسب قيمة الحاجز الحراري الإجمالي بين الجهاز وسطح تبديد الحرارة النهائي؛
（7) حساب وتوزيع الحاجز الحراري وفقًا لقياس توليد الحرارة وعوامل أخرى، وتقييمه لتحديد وضع التوصيل الحراري ووضع التبريد
التبريد الطبيعي المُوضعي هو عملية واحدة لتبديد الحرارة، ونقل الحرارة بالحمل الحراري والإشعاع، أو مزيج من أكثر من شكلين من أشكال نقل الحرارة، ويتميز بموثوقية عالية وتكلفة منخفضة. يتأثر التبريد الطبيعي بشكل كبير بالبيئة الخارجية، حيث توجد عوائق سهلة للتوصيل الحراري في مسار التوصيل، مما يزيد من مقاومة التوصيل الحراري، وبالتالي يقلل من سرعة التوصيل الحراري للهواء وجرعة تدفق الهواء. لذلك، في حالة التداخل من البيئة الخارجية للمعدات، تُعد طريقة التبريد هذه طريقة تبريد بسيطة وفعالة ومنخفضة التكلفة نسبيًا. لا تتطلب معدات نقل سائل التبريد مثل المراوح أو مضخات النقل، وتتجنب مشاكل موثوقية النظام الناتجة عن تآكل أو تعطل مكونات المعدات. لذلك، يُفضل استخدام طرق التبريد الطبيعية.
في تبريد الهواء القسري، لا يمكن للمعدات الإلكترونية المتكاملة عالية الطاقة والمكثفة والمزيد من الحرارة الاعتماد على معدات تبريد الرياح الطبيعية المستخدمة أكثر، لأنها تحتوي على سرعة الحمل الحراري الأعلى والتدفق الأكبر من الهواء في التبريد الطبيعي، ومقارنة بالعديد من أوضاع التوصيل الحراري الأخرى لوضع التبريد القسري، يتميز وضع التبريد هذا بمزايا الهيكل البسيط والتكلفة المنخفضة والصيانة السهلة.
ما نُطلق عليه التبريد السائل المباشر هو أن الجزء المُسخّن للمكونات الإلكترونية للمعدات على اتصال مباشر بسائل التبريد لتبادل الحرارة. تنقل مكونات التسخين الحرارة المُولّدة إلى سائل التبريد، مما يؤدي إلى انخفاض الحرارة وارتفاع درجة حرارة سائل التبريد، ثم يُفقد السائل الحرارة الزائدة. تُناسب طريقة التبريد هذه المعدات ذات الكثافة الحرارية العالية أو كثافة التكامل العالية للمكونات الإلكترونية. تتطلب طريقة التبريد خصائص عالية لمكونات التسخين وسائل التبريد. يجب أن يفي سائل التبريد بمتطلبات درجة الغليان العالية، وعدم التحلل، وعدم التطاير، وغيرها من الخصائص عند درجة حرارة تشغيل المعدات الإلكترونية، ويجب أن يفي أيضًا بمتطلبات عدم تأثير سائل التبريد على وظيفة الجهاز.
التبريد السائل غير المباشر، المعروف أيضًا باسم التبريد السائل غير المباشر، يشير إلى أن سائل التبريد لا يتلامس مباشرةً مع المكونات الإلكترونية للتسخين، بل يمر عبر لوحة قاعدة المعدات الخارجية والوحدات الوسيطة الأخرى لمكونات التسخين، مما يؤدي إلى ملامسة الحرارة الناتجة عن سائل التبريد غير المباشر. بعد التسخين، يمر سائل التبريد عبر سطح سائل التبريد لتحقيق هدف التبريد غير المباشر. يتطلب تصميم نظام التبريد السائل غير المباشر بشكل أساسي مسار توصيل حراري جيد بين مصدر التسخين والوسط الوسيط لتقليل مقاومة التلامس الحراري قدر الإمكان. في هذه الطريقة، لا يتلامس سائل التبريد مباشرةً مع المكونات الإلكترونية، مما يقلل من تلوث المعدات الإلكترونية، وتكون متطلبات سائل التبريد أعلى من متطلبات سائل التبريد المباشر، كما أن صيانته بسيطة.
