La creciente potencia de los chips electrónicos ha dificultado cada vez más los métodos de refrigeración por aire de los componentes electrónicos. Por lo tanto, cada vez más dispositivos necesitan utilizar disipadores de calor de refrigeración por aire por convección forzada para controlar la temperatura del chip. Los disipadores de calor de placas paralelas son un tipo de disipadores de calor muy utilizado.
Palabras clave
Resistencia termica
Contenido del artículo
Para seleccionar uno adecuado disipadores de calorEl diseño térmico determina primero la resistencia térmica máxima de diseño de los disipadores de calor. Para obtener este valor, debemos conocer la temperatura máxima de la carcasa del chip, Tcase, el consumo de potencia térmica del chip, Pmod, y la resistencia térmica del chip a los disipadores de calor, Rint. La temperatura máxima Tbase de la parte inferior de los disipadores de calor se puede obtener mediante la siguiente fórmula:
La resistencia térmica máxima del radiador, Rmax, viene dada por la siguiente fórmula:
Tair-in es la temperatura del aire de refrigeración en la entrada. En ese momento, muchos ingenieros térmicos comenzaron a buscar en los catálogos de radiadores (o, más a menudo en estos días, en Internet) radiadores del tamaño adecuado, Rhs, y por debajo de la resistencia térmica máxima especificada, Rmax. En muchos casos, estimar la resistencia térmica Rhs de varios radiadores dentados de placas paralelas a partir de las dimensiones estructurales ayuda a determinar si un diseño es factible. El resto de este artículo proporciona principalmente fórmulas básicas para tales cálculos. La resistencia térmica se calcula mediante la siguiente fórmula:
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección. Abase es el área de superficie desnuda en la parte inferior entre los disipadores de calor. Nfin es el número de dientes del disipador de calor. fin es la función del disipador de calor. Afin es el área de los dos lados de cada aleta. Para realizar un cálculo adicional, es necesario determinar el volumen máximo del radiador, que se puede determinar por su ancho W, altura H y longitud L a lo largo de la dirección del flujo. También es necesario definir el espesor de la aleta, tfin. A través de estos parámetros, el ancho del canal entre el disipador de calor se puede obtener mediante la siguiente fórmula:
La fórmula para calcular el área total expuesta en la parte inferior es la siguiente:
El área de transferencia de calor por convección de cada disipador de calor es:
En este caso, se debe definir el caudal (velocidad media) V, o bien el caudal G. Si se utiliza el caudal, la velocidad del aire correspondiente entre las placas es:
Para determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección que actúa sobre un radiador, consulte la fórmula pertinente de Teertstra et al. Los parámetros pertinentes son el número de Nusselt, Nu, el número de Reynolds, Re, y el número de Prandtl, Pr. Esta es la ecuación:
La fórmula para calcular el número de Prandtl es la siguiente:
Donde es la viscosidad dinámica del aire. cp es el calor específico del aire a presión normal. k es la conductividad térmica del aire. El número de Reynolds utilizado en la ecuación (8) es el número de Reynolds del canal rectangular. Se define como:
Una de ellas es la densidad del aire. La fórmula (8) cubre casi todo el rango de flujo laminar. La corrección de Reynolds (0.26 < Reb < 175) y algunos datos experimentales verifican la validez de la fórmula (8). Utilizando el número de Nusselt obtenido a partir de la fórmula (8), el coeficiente de transferencia de calor por convección se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:
Aquí kfin es la conductividad térmica del disipador de calor, y la fórmula para calcular la eficiencia del disipador de calor es:
Donde tanh es una función tangente hiperbólica y m viene dada por la siguiente fórmula:
Estas ecuaciones se pueden utilizar para estimar el rendimiento de disipación de calor del radiador, es decir, la resistencia térmica desde la parte inferior del radiador hasta el aire en la entrada. Cabe señalar que la ecuación para el número de Nusselt incluye el efecto del aumento de temperatura cuando el aire fluye a través del radiador. Para obtener la resistencia térmica total Rtot, se suma la resistencia térmica conductiva del sustrato del radiador. Por lo tanto, si se iguala el flujo de calor a través de la base, la resistencia térmica total Rtot se puede obtener mediante la siguiente fórmula:
Para entender estas ecuaciones, estimemos la resistencia térmica de un radiador de aluminio de 50 x 50 mm. Se estudió la influencia de la altura del disipador de calor y del número de dientes en la resistencia térmica en condiciones de velocidad y flujo constantes, respectivamente, como se muestra en la FIG. 2 y la FIG. 3. Ambas muestran que es posible reducir la resistencia del disipador de calor aumentando la altura y el número de dientes.
Por supuesto, para determinar el funcionamiento real de un radiador en un dispositivo es necesario conocer la velocidad o caudal de aire que pasa por el radiador. Para obtenerlos es necesario estimar las características de caída de presión del radiador para poder acoplarlo al ventilador o soplador correspondiente, tema que trataremos en un próximo artículo.
FIG. 2 Relación entre la altura de los dientes del disipador de calor y el número de dientes y la resistencia térmica a una velocidad de flujo de 2.5 m/s (492 fpm)
FIG. 3 Relación entre la altura de los dientes del disipador de calor y el número de dientes y la resistencia térmica a un caudal de gas de 0.0024 m3/s (5 CFM).