Tre metodi di trasferimento termico di base - gestione termica

L'energia termica viene trasferita dalle regioni ad alta temperatura alle regioni a bassa temperatura attraverso tre meccanismi di base; radiazione, conduzione e convezione.
 

Radiazioni.   Trasferimento elettromagnetico di calore tra masse a temperature diverse.

Conduzione.   Trasferimento di calore attraverso un mezzo solido.

Convezione. Trasferimento di calore attraverso il mezzo di un fluido; tipicamente aria.



Tutti e tre questi meccanismi di trasferimento del calore sono attivi in una certa misura in ogni applicazione. La convezione sarà il meccanismo dominante di trasferimento del calore nella maggior parte delle applicazioni. Gli effetti non dominanti forniranno un ulteriore contributo al raffreddamento; in alcuni casi, tuttavia, possono provocare interazioni termiche indesiderate e impreviste tra componenti e sottoinsiemi. Tutti e tre questi meccanismi dovrebbero essere presi in considerazione quando si sviluppa una strategia di raffreddamento efficace.

RADIAZIONE

Il trasferimento di calore radiante avviene continuamente tra oggetti a temperature diverse che sono esposti l'uno all'altro.

L'effetto netto sulla temperatura di una singola parte dipende da molti fattori, tra cui la sua temperatura rispetto ad altre parti, gli orientamenti relativi delle parti, le finiture superficiali e la spaziatura. La difficoltà di quantificare molti di questi fattori, unita alla presenza universale di scambio di energia radiante, rende il calcolo degli effetti della temperatura radiante un compito complesso e generalmente impreciso.

I differenziali di temperatura incontrati nelle applicazioni pratiche dei convertitori Vicor non sono mai abbastanza grandi da far sì che il raffreddamento radiativo sia il meccanismo dominante di trasferimento del calore. La radiazione rappresenterà meno del 10% del trasferimento totale di calore nella maggior parte dei casi. Per questi motivi, si presume spesso che la presenza di raffreddamento radiante fornisca margini di sicurezza oltre il meccanismo di raffreddamento dominante, e viene trascurata una considerazione dettagliata dei suoi effetti. Una valida ipotesi, nella maggior parte dei casi, è che il convertitore sarà più caldo dell'ambiente circostante e il trasferimento di energia radiante aiuterà il raffreddamento.

In alcuni casi, tuttavia, gli oggetti vicini (schede PC, resistenze di potenza, ecc.) possono essere molto più caldi del convertitore e il trasferimento netto di energia radiante può effettivamente aumentare la temperatura del convertitore.

Per anticipare i potenziali effetti del trasferimento radiante è consigliabile misurare le posizioni relative e le temperature stimate dei convertitori e delle parti circostanti. Nei casi in cui i componenti caldi si trovano in prossimità del convertitore, l'uso di barriere interposive può generalmente moderare gli effetti indesiderati del riscaldamento radiale.

CONDUZIONE

Nella maggior parte delle applicazioni, il calore sarà condotto dalla piastra di base in un dissipatore di calore collegato o membro conduttore di calore. Il calore condotto attraverso l'interfaccia tra la piastra di base e l'elemento di accoppiamento determinerà una caduta di temperatura che deve essere controllata. Come mostrato nella Figura 20–2, l'interfaccia può essere modellata come una "resistenza termica" in serie con il flusso di potenza dissipato. La temperatura della piastra di base sarà la somma dell'aumento di temperatura nell'interfaccia e della temperatura del membro a cui

la piastra di base è fissata.

L'aumento della temperatura attraverso un'interfaccia superficiale può essere significativo se non controllato. L'area dell'interfaccia dovrebbe essere il più grande possibile e la planarità superficiale del membro collegato dovrebbe essere entro 5 mil. Il composto termico o un tampone termico dovrebbero essere utilizzati per riempire le irregolarità superficiali. La resistenza termica attraverso le interfacce superficiali può essere mantenuta a meno di 0,1˚C/Watt con misure adeguate.

Molte applicazioni richiedono che il calore sia condotto dalla piastra di base del convertitore a una superficie dissipativa "remota" tramite un elemento termicamente conduttivo. La temperatura risultante della piastra di base sarà la somma della temperatura della superficie dissipativa, l'aumento della temperatura nel membro conduttore termico e gli aumenti attraverso le due interfacce superficiali. La resistenza termica dell'elemento conduttivo è proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale sia alla sua area trasversale che alla conducibilità termica (Figura 20–3). Minimizzare l'aumento totale della temperatura dipende dal controllo della resistenza dell'interfaccia, come descritto sopra, e dal controllo della resistenza termica del membro di trasferimento attraverso la selezione e il dimensionamento appropriati del materiale.

CONVEZIONE

Il trasferimento di calore convettivo in aria è un metodo comune per il raffreddamento dei convertitori Vicor. "convezione libera" o "naturale" si riferisce al trasferimento di calore da una superficie dissipativa a una massa circostante più fredda di aria altrimenti immobile; La convezione forzata si riferisce al trasferimento di calore in un flusso d'aria in movimento.

Il modello di raffreddamento a convezione è mostrato nella Figura 20-4. La temperatura della piastra di base dipende dalla temperatura dell'aria, dalla potenza totale dissipata e dai valori di due resistenze termiche; la resistenza termica dell'interfaccia superficiale tra la piastra di base e il dissipatore di calore e la resistenza termica dissipatore di calore all'aria. La resistenza dell'interfaccia superficiale può essere ridotta al minimo come discusso in Conduzione. La resistenza del dissipatore di calore all'aria dipende da una varietà di fattori tra cui il materiale e la geometria del dissipatore di calore, la temperatura dell'aria, la densità dell'aria e la portata dell'aria. Fortunatamente, i dati di resistenza termica sono disponibili per un'ampia gamma di dissipatori di calore standard da utilizzare sia in applicazioni a convezione libera che forzata. Le seguenti sezioni forniranno linee guida per il raffreddamento a convezione sia libero che forzato dei convertitori Vicor e dei configurabili.