Componentes de Las Soluciones Térmicas

Esparcidor de calor

Un esparcidor de calor es un dispositivo que tiene una alta conductividad térmica que se utiliza para mover el calor de una fuente de flujo de calor a un intercambiador con un área de sección transversal, área de superficie y volumen más grande. Los esparcidores de calor pueden ser conductores solidos como el cobre, aluminio, o diamante o pueden ser dispositivos de cambio de fase como tubos de calor y cámaras de vapor.

Funcionalmente, el esparcidor de calor actúa como un intercambiador primario que mueve el calor entre una fuente caliente y un intercambiador secundario. El intercambiador de calor secundario es siempre mayor en área de sección transversal, área de superficie y de volumen. Por definición, el calor se “distribuye”, así que el intercambiador secundario tiene un área de sección transversal más grande en contacto con el esparcidor de calor que la fuente de calor. El flujo es el mismo en ambos intercambiadores, pero la densidad del flujo es menor en el secundario, entonces puede estar hecho de un material menos costoso como el aluminio, y se adapta mejor a un intercambiador de aire, ya que el bajo coeficiente de transferencia de calor para la convección de aire es adecuado para un flujo bajo.

Disipadores de calor

Los disipadores de calor funcionan transfiriendo eficientemente energía térmica (“calor”) de un objeto a alta temperatura a un segundo objeto a una temperatura más baja con una capacidad calorífica mucho mayor. Esta rápida transferencia de energía térmica lleva rápidamente al primer objeto a un equilibro térmico con el segundo, lo que reduce la temperatura del primer objeto y cumple la función del disipador de calor como dispositivo de enfriamiento. La función eficiente de un disipador de calor se basa en la transferencia rápida de energía térmica desde el primer objeto al disipador de calor, y el disipador de calor al segundo objeto.

El diseño más común de un disipador de calor es un dispositivo de metal con muchas aletas. La alta conductividad térmica del metal combinada con su gran área superficial da como resultado la rápida transferencia de energía térmica al aire circundante, más frio. Esto enfría el disipador de calor y todo lo que este en contacto térmico directo. El uso de fluidos (por ejemplo, refrigerantes en refrigeración) y material de interfaz térmica (en dispositivos electrónicos de refrigeración) asegura una buena transferencia de energía térmica al disipador de calor. De manera similar, un ventilador puede mejorar la transferencia de energía térmica desde el disipador de calor al aire.

Resistencia térmica

Esto hace referencia a la resistencia térmica desde la unión hasta la carcasa del dispositivo semiconductor. Las unidades son °C/W. Por ejemplo, un disipador de calor de 10 °C/W se calentará 10 °C más que del aire del entorno cuando disipa 1 vatio de calor. Por lo tanto, un disipador de calor con un valor de °C/W bajo es más eficiente que un disipador de calor con valor de °C/W alto. La resistencia térmica (R) es la conductividad térmica reciproca (k)

Conductancia o conductividad térmica

La conductancia o conductividad térmica es la cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo a través de una placa de área y espesor particular cuando sus caras opuestas difieren en temperatura por un Kelvin. Para un plaxa de conductividad térmica k, área A y el espesor L esto es KA/L, medido en W∙K-1 (equivale a W/°C)

Flujo de calor

También (denominada flujo térmico, densidad del flujo de calor o intensidad de la tasa de flujo de calor) es la carga (o cantidad) de calor por unidad de área (W/cm2)

Coeficiente de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor es la cantidad de calor que pasa en unidad de tiempo a través de una placa de particular espesor cuando sus caras opuestas difieren en temperatura por un Kelvin (K/L).

 Ecuaciones térmicas comunes

  • Conductncia térmica = kA/L, medido en W∙K-1
  • Resistencia térmica = L/(kA), medido en K∙W-1 (equivale a °C/W)
  • Coeficiente de transferencia de calor=K/L, medido en W∙K-1∙m-2

Cuando las resistencias térmicas ocurren en serie, son aditivas. Entonces cuando el calor fluye a través de dos componentes, cada uno con una resistencia de 1 °C/W, la resistencia total es 2 °C/W.

La siguiente formula se puede utilizar para estimar el rendimiento de un disipador de calor simple.

Donde:

  • Rhs es la resistencia térmica máxima del disipador de calor al ambiente, en °C/W
  • T es la diferencia de temperatura (caída de temperatura), en °C
  • Pth es la potencia térmica (fluido de calor), en Watts
  • Rs es la resistencia térmica de la fuente de calor, en °C/W

Por ejemplo, si un componente produce 100 W de calor, y tiene resistencia térmica de 0.5 °C/W, ¿Cuál es la resistencia térmica máxima del disipador de calor? Supongamos que la temperatura máxima es de 125°C, y la temperatura ambiente es de 25 °C; entonces el ∆T es 100 °C. La resistencia térmica del disipador de calor para el ambiente debe ser de 0.5 °C/W o menos.

Tubo de calor

Dispositivo que transporta calor utilizando las características de cambio de fase de un fluido de trabajo dentro de un tubo. Los tubos de calor tienen conductividades térmicas efectivas extremadamente altas, típicamente de 10 a 10,000 veces más conductoras que los materiales sólidos.

Un tubo de calor consiste en un recipiente sellado de aluminio o cobre cuyas superficies internas tienen un material capilar. Dentro del recipiente hay un líquido bajo presión que ingresa a los poros del material capilar, humedeciendo todas las superficies internas. La aplicación de calor en cualquier punto de la superficie del tubo de calor hace que el líquido en ese punto hierva y entre en estado de vapor. Cuando esto sucede, el líquido recoge el calor latente de vaporización. El gas, que luego tiene una presión más alta, se mueve dentro del recipiente sellado a un lugar más frio donde se condensa. Por lo tanto, el gas cede el calor latente de vaporización y mueve el calor de la entrada al extremo de salida del tubo de calor. Los tubos de calor tienen una conductividad térmica efectiva muchos miles de veces la del cobre. Los tubos de calor se pueden construir en casi cualquier tamaño y forma.

EVAPORADOR

El evaporador es el área de entrada de calor (a veces denominado vaporizador). El calor hace que el fluido ubicado en la estructura capilar en este punto hierva y entre en un estado de vapor absorbiendo la energía térmica de la fuente de entrada basada en el calor latente de vaporización del fluido.

CONDENSADOR

El condensador es el área de salida de calor (a veces denominado radiador). La temperatura más fría en este lugar hace que el vapor se condense de nuevo a un estado liquido y vuelva a incorporarse a la estructura capilar. La energía térmica que se absorbió durante la vaporización ahora se libera a la salida.

Por ejemplo, si un componente produce 100W de calor y tiene una resistencia térmica de 0,5°C/W, ¿Cuál es la resistencia térmica máxima del disipador de calor? Suponga que la temperatura máxima es de 125°C y la temperatura ambiente es de 25°C; entonces el ∆T es 100°C. La resistencia térmica del disipador de calor al ambiente debe ser de 0,5°C/W o menos.

RENDIMIENTO DEL TUBO DE CALOR

Los tubos de calor funcionan de manera muy diferente a los conductores solidos que tienen una resistencia térmica fija. Un buen diseño de tubo de calor requiere comprender tres resistencias de control. Estas resistencias son: resistencia de entrada (evaporador), resistencia de salida (condensador) y resistencia a lo largo de la tubería de calor. Para la mayoría de los diseños, la resistencia a lo largo de la tubería de calor es tan pequeña que es insignificante y ni siquiera se considera. Las resistencias térmicas de entrada, salida y empaques suelen controlar el rendimiento de la tubería de calor.

UNIONES TÉRMICAS

Es un componente crítico del rendimiento térmico del sistema. La unión de múltiples componentes tiene empaques mecánicos y empaques térmicos. La resistencia térmica varia mucho entre los diferentes tipos de empaques mecánicos. Las mejores son las uniones o puntos soldados; las peores son las uniones “con clip”. Minimizar la resistencia en los empaques térmicos es un factor importante en el diseño general del sistema. Hay varias estrategias que se pueden emplear para combinar la facilidad de fabricación con un diseño optimizado de empaques térmicos.

ORIENTACION

La orientación del tubo de calor es importante para el diseño general y la eficiencia del sistema de enfriamiento. Si bien los tubos de calor funcionan en cualquier dirección, es importante considerar os efectos de trabajar “con gravedad” o “contra gravedad”.

POTENCIA

La potencia que se disipa como calor residual (normalmente en W). Si bien la potencia es un factor de diseño necesario de la tubería de calor, la densidad de vatios (generalmente en unidades de potencia por área) es más un factor de control para el diseño general del sistema. Los dispositivos de alto flujo de calor generalmente requieren soluciones de enfriamiento más complicadas.

TEMPERATURA

La temperatura de los componentes a enfriar, junto con la temperatura del medio de enfriamiento, son factores de diseño importantes. La diferencia de temperatura entre los dos, junto con la potencia a disipar, proporciona la resistencia térmica específica para la solución de enfriamiento.

FORMAS DE TUBO DE CALOR

Los tubos de calor se pueden fabricar en una multitud de tamaños y formas/. Las geometrías de aplicación inusuales pueden adaptarse fácilmente gracias a la capacidad que Noren Thermal Solutions tiene para dar forma a los tubos de calor sin dañar la estructura capilar. Si se requiere cierto rango de movimiento, se puede incorporar flexibilidad a la solución de tubería de calor, ya sea por diseño o por selección de material. Los tubos de calor planos tienen un perfil delgado y sus superficies planas permiten un mejor contacto térmico, lo que proporciona un mayor rendimiento. El área de sección transversal aumentada permite un delta T más bajo y un mayor transporte de calor.

Noren Thermal (NPI) ha desarrollado herramientas y procedimientos especiales para doblado de tubos que dan como resultado un rendimiento óptimo para los tubos de calor doblados en fabrica, independientemente de la complejidad o el número de dobleces.

FLUIDOS DE TRABAJO

Los fluidos de trabajo más comunes para diseños de tubos de calor utilizados para rangos de temperatura ambiente son el agua y el metanol. NPI utiliza esos y más, habiendo desarrollado mas de 37 combinaciones de fluidos diferentes para aplicaciones específicas.

FIABILIDAD DE LA TUBERIA DE CALOR

Los tubos de calor han sido ampliamente aceptados en aplicaciones militares y tienen altos estándares de confiabilidad. Se puede esperar que las tuberías de calor de cobre-agua de Noren Thermal funcionen durante más de treinta años, mucho más allá de la vida / utilidad esperada de los componentes electrónicos.

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