Tres métodos básicos de transferencia de calor - gestión térmica

La energía térmica se transfiere de la zona de alta temperatura a la zona de baja temperatura a través de tres mecanismos básicos; Radiación, conducción y convección.
 

Radiación   Transmisión electromagnética de calor entre masas a diferentes temperaturas.

Transmisión.   La transferencia de calor a través de un medio sólido.

Convección Transmitir calor a través de medios fluidos; Suele ser aire.



Estos tres mecanismos de transferencia de calor tienen un cierto grado de actividad en cada aplicación. La convección será el principal mecanismo de transferencia de calor en la mayoría de las aplicaciones. El efecto no dominante proporcionará una contribución adicional al enfriamiento; Sin embargo, en algunos casos pueden provocar interacciones térmicas no deseadas e inesperadas entre componentes y subcomponentes. Estos tres mecanismos deben tenerse en cuenta al formular estrategias de enfriamiento exitosas.

Radiación

La transferencia de calor radiante ocurre continuamente entre objetos a diferentes temperaturas expuestas entre sí.

El impacto neto en la temperatura de una sola pieza depende de muchos factores, incluyendo su temperatura frente a otras piezas, la dirección relativa de la pieza, la limpieza de la superficie y el espaciamiento. La dificultad de cuantificar muchos de estos factores, junto con la prevalencia del intercambio de energía de radiación, hace que el cálculo del efecto de temperatura de radiación sea complejo e impreciso en general.

La diferencia de temperatura encontrada en la aplicación práctica del convertidor vicor nunca ha sido suficiente para hacer que el enfriamiento por radiación se convierta en el principal mecanismo de transferencia de calor. En la mayoría de los casos, la radiación representará menos del 10% de la transferencia total de calor. Por estas razones, generalmente se cree que la presencia de enfriamiento por radiación proporciona un margen de Seguridad superior al principal mecanismo de enfriamiento, ignorando las consideraciones detalladas sobre su impacto. En la mayoría de los casos, una hipótesis válida es que el convertidor será más caliente que el entorno circundante y la transmisión de energía de radiación ayudará a enfriarse.

Sin embargo, en algunos casos, los objetos cercanos (tableros de pc, resistencias de potencia, etc.) pueden ser mucho más calientes que los convertidores, y la transmisión neta de energía radiante en realidad puede aumentar la temperatura de los convertidores.

Medir la posición relativa y estimar la temperatura del convertidor y las piezas circundantes es una forma de predecir los efectos potenciales de la transferencia de radiación. Cuando los componentes térmicos están cerca del convertidor, el uso de barreras enchufables generalmente puede aliviar el efecto de calentamiento por radiación no deseado.

Transmisión

En la mayoría de las aplicaciones, el calor se conduce desde el sustrato al disipador de calor adherido o al componente conductor térmico. El calor transmitido a través de la interfaz entre el sustrato y el componente de acoplamiento provocará una disminución de la temperatura que debe controlarse. Como se muestra en la figura 20 - 2, la interfaz se puede modelar como una "resistencia térmica" conectada en serie con un flujo de Potencia disipativo. La temperatura del sustrato será la suma del aumento de temperatura en la interfaz y la temperatura del componente.

El sustrato está conectado.

Si no se controla, el aumento de la temperatura en la interfaz superficial puede ser muy significativo. El área de la interfaz debe ser lo más grande posible, y la planitud de la superficie de los componentes de conexión debe estar dentro de los 5 milímetros. Se deben utilizar compuestos térmicos o almohadillas térmicas para llenar las partes irregulares de la superficie. Con las medidas adecuadas, la resistencia térmica de la interfaz superficial se puede mantener por debajo de 0,1 ° C / vatio.

Muchas aplicaciones requieren la conducción de calor del sustrato del convertidor a una superficie disipada "remota" a través de componentes conductores de calor. La temperatura del sustrato resultante será la suma de la temperatura de la superficie disipada, el aumento de la temperatura en los componentes conductores de calor y el aumento de la temperatura en la interfaz de las dos superficies. La resistencia térmica del componente conductor es proporcional a su longitud y inversamente proporcional al área transversal y la conductividad térmica (figura 20 - 30). Como se mencionó anteriormente, minimizar el aumento de temperatura total depende de controlar la resistencia de la interfaz y controlar la resistencia térmica de los componentes de transmisión a través de una selección y tamaño adecuados del material.

Convección

La transferencia de calor convectivo al aire es una forma común de enfriar los convertidores vicor. La convección "libre" o "natural" se refiere a la transferencia de calor de la superficie disipada al aire estático más frío circundante; La convección forzada se refiere a la transferencia de calor a un flujo de aire en movimiento.

El modelo de enfriamiento convectivo se muestra en la figura 20 - 4. La temperatura del sustrato depende de la temperatura del aire, la Potencia disipativa total y los valores de dos resistencias térmicas; La resistencia térmica de la interfaz superficial entre el sustrato y el disipador de calor y la resistencia térmica del disipador de calor al aire. La resistencia de la interfaz superficial se puede minimizar, como se describe bajo la conducción. La resistencia del disipador al aire depende de una variedad de factores, incluyendo el material y la geometría del disipador, la temperatura del aire, la densidad del aire y el flujo del aire. Afortunadamente, los datos de resistencia térmica están disponibles para varios radiadores estándar en aplicaciones de convección libre y forzada. Los siguientes capítulos proporcionarán una guía de enfriamiento por convección libre y forzada para convertidores Vico y configurables.