Cómo diseñar un disipador de calor de panel plano

Un disipador de calor es un componente que conduce el calor desde un componente caliente a una superficie más grande para disipar el calor al entorno circundante, reduciendo así la temperatura del componente.Según esta definición, como disipadores de calor se puede utilizar todo, desde láminas de metal rectangulares hasta complejas aletas de extrusión de cobre o aluminio.Se pueden utilizar placas de aluminio o cobre como disipadores de calor efectivos cuando el espacio es suficiente y/o la producción de calor del componente es baja.Como se muestra en la Figura 1, el radiador puede ser una simple placa plana o una pared metálica de la carcasa del elemento.

Figura 1. Dimensiones del radiador de placa plana

Para estimar el tamaño de un radiador plano, es necesario determinar el camino del flujo de calor hacia el ambiente circundante y la cantidad de resistencia que ese camino al flujo de calor.El circuito de resistencia térmica que se muestra en la Figura 2 se utilizará para representar la ruta del flujo de calor.Examinemos cada elemento de resistencia térmica:

Figura 2. Circuito de resistencia térmica del disipador de calor de placa plana

Resistencia térmica desde la unión hasta la carcasa:

Resistencia térmica del nodo a la carcasa (Rth-jc) se refiere a la resistencia térmica desde la parte de trabajo del dispositivo semiconductor hasta la superficie exterior del paquete (carcasa), en la que se instalará el disipador de calor.Se considera que la temperatura de la carcasa es una temperatura constante en toda la superficie del accesorio.Rth-jc suele ser un valor de medición proporcionado por el fabricante del dispositivo e indicado en la hoja de datos del dispositivo.

Resistencia de contacto térmico y resistencia de interfaz térmica:

Resistencia térmica de contacto (Rcontinuación) se refiere a la resistencia térmica entre la carcasa y el disipador de calor.Como se muestra en la Figura 3, el área de contacto real es menor que el área de contacto aparente debido a defectos en la superficie de la carcasa y el radiador.Se ha propuesto un modelo matemático basado en la presión de contacto, la rugosidad de la superficie del material y la dureza del material para calcular Rcontinuación.Estos modelos pueden ser bastante complejos y puede resultar difícil obtener información sobre la superficie y la dureza del material.Normalmente, Rcontinuación se determina en base a datos experimentales y experiencia previa.

Figura 3. Resistencia térmica de contactos, interfaces y uniones a la caja

Para reducir el impacto de la Rcontinuación Material de interfaz, utilizamos un material que llena el espacio entre la carcasa y el radiador.Los tipos de estos materiales incluyen grasa térmica especial, compuestos de relleno, almohadillas térmicas de cambio de fase y cinta térmica.La conductividad térmica de estos materiales suele estar entre 0,5 W/mK y 4 W/mK.Dado que el espacio entre las dos superficies de contacto lo llena el material de la interfaz térmica, la resistencia térmica entre la carcasa y el disipador de calor es función del espesor, la conductividad térmica y el área de superficie del material de la interfaz térmica, como se muestra en la fórmula 1:

t: espesor del material de la interfaz térmica

k: conductividad térmica de materiales de interfaz térmica

A: área de contacto aparente

Tenga en cuenta que la conductividad térmica de muchos materiales de interfaz térmica varía con la presión de sujeción.Los fabricantes suelen proporcionar estos datos en la hoja de especificaciones del producto.

Resistencia térmica de difusión:

Resistencia a la difusión térmica (Rsp) es el resultado del flujo de calor a través de la conducción entre el área de contacto de la carcasa en la superficie de la placa y el área de superficie de enfriamiento más grande de la placa.Lee y cols.[1] estableció una ecuación cerrada para Rsp.Estas ecuaciones proporcionan aproximaciones muy cercanas a soluciones exactas, pero no se analizarán aquí debido a la complejidad de los cálculos requeridos.

El primer paso para usar la ecuación de Lee es convertir las dimensiones de las dos superficies rectangulares que interactúan a radios equivalentes usando las ecuaciones 2 y 3.

Rsp Luego se puede calcular usando la siguiente fórmula:

Aquí:

heff: coeficiente de convección efectivo de la placa

Ver Ecuación 18 para el cálculo de heff.

kp: Conductividad térmica de la placa.

Resistencia térmica convectiva:

La resistencia térmica convectiva es el grado en que el calor se elimina de la superficie de una placa mediante el movimiento del aire.Para una placa vertical calentada con convección natural, el número de Nusselt adimensional (Nu) [2] se deriva de la ecuación 11. El número de Nusselt es una variable adimensional utilizada en los cálculos de convección.

Aquí:

El coeficiente de convección promedio se calcula mediante la ecuación 14. La resistencia térmica convectiva Rconversión es función del área de la superficie de la placa Ap y el coeficiente convectivo promedio, calculado mediante la ecuación 15. Tenga en cuenta que el área de la superficie de la placa no incluye el área generada por el espesor de la placa, ya que ésta es mucho menor que el área de la superficie frontal y posterior.

Aquí:

kaire : conductividad térmica del aire evaluada en Tpromedio

Resistencia térmica a la radiación:

La resistencia térmica debida a la radiación viene dada por la Ecuación 16.

Aquí:

Se supone que la placa irradia calor a la superficie más grande circundante, por lo que el entorno circundante puede verse como un radiador o cuerpo negro ideal.En algunos casos, la temperatura de la superficie circundante puede ser diferente de la temperatura del aire ambiente.En este caso, la Tambi en la fórmula 15 debe reemplazarse por la temperatura de la superficie circundante.

El coeficiente de convección efectivo heff, que se utiliza para calcular la resistencia a la difusión térmica, se deriva de la ecuación 18.

Los valores de Rrad, r.conversióny Rsp no se pueden resolver directamente porque son función de la temperatura de la superficie de la placa Ts.Suponiendo que todo el calor generado por la fuente de calor es disipado por el radiador plano, la ecuación del balance energético es la ecuación 19.

Aquí:

P: calor generado por una fuente de calor

Ts se puede calcular utilizando solucionadores numéricos en la mayoría de los programas matemáticos o la función 'Búsqueda de destino' en Excel.

Cuando se conocen todas las resistencias térmicas, el circuito térmico que se muestra en la Figura 2 se puede simplificar a una única resistencia térmica de unión a ambiente Rja usando la Ecuación 20.

Finalmente, la temperatura de la unión o fuente de calor se puede encontrar usando la Ecuación 21.

Para disipadores de calor diversificados, Winshare Térmica Energy tiene capacidades de personalización profesional y mercados de aplicaciones diversificados, y puede personalizar productos de refrigeración para diferentes sistemas para los clientes.Mientras tanto, tendremos en cuenta muchos factores al diseñar el radiador y continuaremos optimizando y mejorando el diseño del radiador.Si tiene alguna otra pregunta sobre los disipadores de calor o necesita una solución de refrigeración adecuada para su negocio, no dude en dejar un comentario o ponerse en contacto con Winshare por correo electrónico.