Três Método Básico de Transferência de Calor - Gestão Térmica

A energia térmica é transferida de regiões de alta temperatura para regiões de baixa temperatura através de três mecanismos básicos; radiação, condução e convecção.
 

Radiação.   Transferência eletromagnética de calor entre massas em diferentes temperaturas.

Condução.   Transferência de calor através de um meio sólido.

Convecção. Transferência de calor através do meio de um fluido; tipicamente ar.



Todos esses três mecanismos de transferência de calor estão ativos em algum grau em cada aplicação. A convecção será o mecanismo dominante de transferência de calor na maioria das aplicações. Os efeitos não dominantes fornecerão uma contribuição adicional para o resfriamento; em alguns casos, no entanto, podem resultar em interações térmicas indesejáveis e inesperadas entre componentes e subconjuntos. Todos estes três mecanismos devem ser considerados ao desenvolver uma estratégia de arrefecimento bem sucedida.

RADIAÇÃO

A transferência de calor radiante ocorre continuamente entre objetos em diferentes temperaturas que são expostos uns aos outros.

O efeito líquido sobre a temperatura de uma peça individual depende de muitos fatores, incluindo sua temperatura em relação a outras peças, orientações relativas das peças, acabamentos superficiais e espaçamentos. A dificuldade em quantificar muitos desses fatores, combinada com a presença universal de troca de energia radiante, torna o cálculo dos efeitos da temperatura radiacional uma tarefa complexa e geralmente imprecisa.

Os diferenciais de temperatura encontrados em aplicações práticas dos conversores Vicor nunca são grandes o suficiente para fazer com que o resfriamento radiacional seja o mecanismo dominante de transferência de calor. A radiação representará menos de 10% da transferência de calor total na maioria dos casos. Por estas razões, assume-se frequentemente que a presença de arrefecimento radiante fornece margens de segurança para além do mecanismo de arrefecimento dominante, e a consideração detalhada dos seus efeitos é negligenciada. Uma suposição válida, na maioria dos casos, é que o conversor será mais quente do que seu entorno e a transferência de energia radiante ajudará o resfriamento.

Em alguns casos, no entanto, objetos próximos (placas de PC, resistores de energia, etc.) podem ser muito mais quentes do que o conversor e a transferência de energia radiante líquida pode realmente aumentar a temperatura do conversor.

Levantar as posições relativas e as temperaturas estimadas dos conversores e das partes circundantes é aconselhável como meio de antecipar os efeitos potenciais da transferência radiante. Nos casos em que os componentes quentes estão próximos do conversor, o uso de barreiras interpostas pode geralmente moderar efeitos indesejáveis de aquecimento radiacional.

CONDUÇÃO

Na maioria das aplicações, o calor será conduzido a partir da placa de base em um dissipador de calor anexado ou membro condutor de calor. O calor conduzido através da interface entre a placa de base e o membro de acasalamento resultará em uma queda de temperatura que deve ser controlada. Como mostrado na Figura 20–2, a interface pode ser modelada como uma "resistência térmica" em série com o fluxo de potência dissipado. A temperatura da placa de base será a soma do aumento da temperatura na interface e da temperatura do membro para o qual

a placa de base está fixada.

O aumento da temperatura em uma interface de superfície pode ser significativo se não for controlado. A área da interface deve ser o maior possível, e a planicidade da superfície do membro anexado deve estar dentro de 5 mil. Composto térmico ou uma almofada térmica devem ser usados para preencher irregularidades de superfície. A resistência térmica nas interfaces de superfície pode ser mantida abaixo de 0,1˚C/Watt com medidas adequadas.

Muitas aplicações exigem que o calor seja conduzido da placa de base do conversor para uma superfície dissipativa "remota" através de um membro termicamente condutor. A temperatura resultante da placa de base será a soma da temperatura da superfície dissipativa, o aumento da temperatura no membro condutor de calor e os aumentos através das duas interfaces de superfície. A resistência térmica do membro condutor é proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à sua área de secção transversal e condutividade térmica (Figura 20–3). Minimizar o aumento total da temperatura depende do controle da resistência da interface, como descrito acima, e do controle da resistência térmica do membro de transferência através da seleção e dimensionamento apropriados do material.

CONVEÇÃO

A transferência de calor convectiva para o ar é um método comum para resfriar conversores Vicor. A convecção "livre" ou "natural" refere-se à transferência de calor de uma superfície dissipativa para uma massa circundante mais fria de ar de outra forma imóvel; convecção forçada refere-se à transferência de calor para um fluxo de ar móvel.

O modelo de resfriamento por convecção é mostrado na Figura 20-4. A temperatura da placa de base depende da temperatura do ar, da potência total dissipada e dos valores de duas resistências térmicas; a resistência térmica da interface superficial entre a placa de base e o dissipador de calor, e a resistência térmica dissipador de calor-ar. A resistência da interface de superfície pode ser minimizada conforme discutido em Condução. A resistência do dissipador de calor ao ar depende de uma variedade de fatores, incluindo material e geometria do dissipador de calor, temperatura do ar, densidade do ar e taxa de fluxo de ar. Felizmente, os dados de resistência térmica estão disponíveis para uma ampla gama de dissipadores de calor padrão para uso em aplicações de convecção livre e forçada. As seções a seguir fornecerão diretrizes para resfriamento por convecção livre e forçada de conversores e configuráveis Vicor.