Disipador de calor

Intercambiador de calor pasivo que transfiere el calor.

Un disipador de calor enfriado por ventilador en el procesador de una computadora personal. A la derecha hay un disipador de calor más pequeño que enfría otro circuito integrado de la placa base.

Combinación típica de disipador de calor y ventilador que se encuentra en una computadora portátil de consumo. Los heatpipes que contienen un fluido de trabajo hacen contacto directo con la CPU y la GPU, alejando el calor del componente y transfiriéndolo a la pila de aletas montada en el puerto de escape del ventilador de refrigeración. La pila de aletas actúa como un intercambiador de calor de fluido a fluido que transfiere energía térmica del fluido de trabajo dentro de los heatpipes al aire ambiente en condiciones de estado muerto.

Un disipador de calor (aluminio) con sus heatpipes (cobre) y ventilador (negro)

Un disipador de calor (también comúnmente escrito disipador de calor ^[1] ) es un intercambiador de calor pasivo que transfiere el calor generado por un dispositivo electrónico o mecánico a un medio fluido , a menudo aire o un refrigerante líquido, donde se disipa lejos del dispositivo. permitiendo así la regulación de la temperatura del dispositivo. En las computadoras, los disipadores de calor se utilizan para enfriar las CPU , las GPU y algunos conjuntos de chips y módulos de RAM. Los disipadores de calor se utilizan con dispositivos semiconductores de alta potencia, como transistores de potencia y optoelectrónica, como láseres y diodos emisores de luz (LED), donde la capacidad de disipación de calor del componente en sí es insuficiente para moderar su temperatura.

Un disipador de calor está diseñado para maximizar su superficie en contacto con el medio de enfriamiento que lo rodea, como el aire. La velocidad del aire, la elección del material, el diseño de la protuberancia y el tratamiento de la superficie son factores que afectan el rendimiento de un disipador de calor. Los métodos de conexión del disipador de calor y los materiales de la interfaz térmica también afectan la temperatura del troquel del circuito integrado. El adhesivo térmico o la pasta térmica mejoran el rendimiento del disipador de calor al llenar los espacios de aire entre el disipador de calor y el disipador de calor en el dispositivo. Un disipador de calor suele estar hecho de aluminio o cobre.

Principio de transferencia de calor

Un disipador de calor transfiere energía térmica desde un dispositivo de mayor temperatura a un medio fluido de menor temperatura . El medio fluido suele ser aire, pero también puede ser agua, refrigerante o aceite. Si el medio fluido es agua, el disipador de calor suele denominarse placa fría. En termodinámica , un disipador de calor es un depósito de calor que puede absorber una cantidad arbitraria de calor sin cambiar significativamente la temperatura. Los disipadores de calor prácticos para dispositivos electrónicos deben tener una temperatura superior a la del entorno para transferir calor por convección, radiación y conducción. Las fuentes de alimentación de la electrónica no son absolutamente eficientes, por lo que se produce un calor adicional que puede ser perjudicial para el funcionamiento del dispositivo. Como tal, se incluye un disipador de calor en el diseño para dispersar el calor.

La ley de Fourier de conducción del calor muestra que cuando hay un gradiente de temperatura en un cuerpo, el calor se transferirá desde la región de mayor temperatura a la región de menor temperatura. La velocidad a la que se transfiere calor por conducción, es proporcional al producto del gradiente de temperatura y el área de la sección transversal a través de la cual se transfiere calor. Cuando se simplifica a una forma unidimensional en la dirección x , se puede expresar como: ${\displaystyle q_{k}}$

${\displaystyle q_{k}=-kA{\frac {dT}{dx}}.}$

Bosquejo de un disipador de calor en un conducto utilizado para calcular las ecuaciones rectoras a partir de la conservación de la energía y la ley de enfriamiento de Newton.

Para un disipador de calor en un conducto, donde el aire fluye a través del conducto, la base del disipador de calor generalmente estará más caliente que el aire que fluye a través del conducto. Al aplicar la conservación de la energía, para condiciones de estado estacionario, y la ley de enfriamiento de Newton a los nodos de temperatura que se muestran en el diagrama se obtiene el siguiente conjunto de ecuaciones:

${\displaystyle {\dot {Q}}={\dot {m}}c_{p,{\text{in}}}(T_{\text{air,out}}-T_{\text{air,in}}),}$

${\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {T_{\text{hs}}-T_{\text{air,av}}}{R_{\text{hs}}}},}$

dónde

${\displaystyle T_{\text{air,av}}={\frac {T_{\text{air,in}}+T_{\text{air,out}}}{2}}.}$

${\displaystyle {\dot {m}}}$es el caudal másico de aire en kg/s

${\displaystyle c_{p,{\text{in}}}}$es la capacidad calorífica específica del aire entrante, en J/(kg °C)

${\displaystyle {R_{\text{hs}}}}$es la resistencia térmica del disipador de calor

Usar la temperatura media del aire es una suposición válida para disipadores de calor relativamente cortos. Cuando se calculan intercambiadores de calor compactos, se utiliza la temperatura media logarítmica del aire.

Las ecuaciones anteriores muestran que:

• Cuando el flujo de aire a través del disipador de calor disminuye, esto da como resultado un aumento en la temperatura promedio del aire. Esto a su vez aumenta la temperatura de la base del disipador de calor. Y además, también aumentará la resistencia térmica del disipador de calor. El resultado neto es una temperatura base del disipador de calor más alta.
  • El aumento de la resistencia térmica del disipador de calor con una disminución del caudal se mostrará más adelante en este artículo.
• La temperatura del aire de entrada está fuertemente relacionada con la temperatura de la base del disipador de calor. Por ejemplo, si hay recirculación de aire en un producto, la temperatura del aire de entrada no es la temperatura del aire ambiente. Por lo tanto, la temperatura del aire de entrada al disipador de calor es más alta, lo que también da como resultado una temperatura base del disipador de calor más alta.
• Si no hay flujo de aire alrededor del disipador de calor, no se puede transferir energía.
• Un disipador de calor no es un dispositivo con la "capacidad mágica de absorber calor como una esponja y enviarlo a un universo paralelo". ^[2]

La convección natural requiere un flujo libre de aire sobre el disipador de calor. Si las aletas no están alineadas verticalmente, o si están demasiado juntas para permitir un flujo de aire suficiente entre ellas, la eficiencia del disipador de calor disminuirá.

Factores de diseño

Disipadores de calor para transistores de potencia. Izquierda para el paquete TO-3, derecha para el paquete TO-220, en el medio para dos TO-220.

Resistencia termica

Para los dispositivos semiconductores utilizados en una variedad de electrónica industrial y de consumo, la idea de resistencia térmica simplifica la selección de disipadores de calor. El flujo de calor entre la matriz semiconductora y el aire ambiente se modela como una serie de resistencias al flujo de calor; Hay una resistencia desde la matriz hasta la carcasa del dispositivo, desde la carcasa hasta el disipador de calor y desde el disipador de calor hasta el aire ambiente. La suma de estas resistencias es la resistencia térmica total del dado al aire ambiente. La resistencia térmica se define como el aumento de temperatura por unidad de potencia, análoga a la resistencia eléctrica, y se expresa en unidades de grados Celsius por vatio (°C/W). Si se conoce la disipación del dispositivo en vatios y se calcula la resistencia térmica total, se puede calcular el aumento de temperatura de la matriz con respecto al aire ambiente.

La idea de resistencia térmica de un disipador de calor semiconductor es una aproximación. No tiene en cuenta la distribución no uniforme del calor sobre un dispositivo o disipador de calor. Sólo modela un sistema en equilibrio térmico y no tiene en cuenta el cambio de temperaturas con el tiempo. Tampoco refleja la no linealidad de la radiación y la convección con respecto al aumento de temperatura. Sin embargo, los fabricantes tabulan valores típicos de resistencia térmica para disipadores de calor y dispositivos semiconductores, lo que permite simplificar la selección de disipadores de calor fabricados comercialmente. ^[3]

Los disipadores de calor de aluminio extruido comerciales tienen una resistencia térmica (disipador de calor al aire ambiente) que va desde 0,4 °C/W para un disipador grande diseñado para dispositivos TO-3 , hasta 85 °C/W para un disipador de calor con clip. fregadero para una pequeña caja de plástico TO-92 . ^[3] El popular transistor de potencia 2N3055 en una caja TO-3 tiene una resistencia térmica interna desde la unión hasta la caja de 1,52 °C/W . ^[4] El contacto entre la carcasa del dispositivo y el disipador de calor puede tener una resistencia térmica entre 0,5 y 1,7 °C/W , dependiendo del tamaño de la carcasa y el uso de grasa o arandela aislante de mica. ^[3]

Material

Los materiales para aplicaciones de disipadores de calor deben tener una alta capacidad calorífica y conductividad térmica para absorber más energía térmica sin desplazarse hacia una temperatura muy alta y transmitirla al medio ambiente para un enfriamiento eficiente. ^[5] Los materiales de disipador de calor más comunes son las aleaciones de aluminio . ^[6] La aleación de aluminio 1050 tiene uno de los valores de conductividad térmica más altos con 229 W/(m·K) y una capacidad calorífica de 922 J/(kg·K), ^[7] pero es mecánicamente blanda. Se utilizan habitualmente las aleaciones de aluminio 6060 (de baja tensión), 6061 y 6063 , con valores de conductividad térmica de 166 y 201 W/(m·K) respectivamente. Los valores dependen del temple de la aleación. Los disipadores de calor de aluminio de una sola pieza se pueden fabricar mediante extrusión , fundición , biselado o fresado .

El cobre tiene excelentes propiedades de disipador de calor en términos de conductividad térmica, resistencia a la corrosión, resistencia a la bioincrustación y resistencia antimicrobiana (ver también Cobre en intercambiadores de calor ). El cobre tiene aproximadamente el doble de conductividad térmica que el aluminio, alrededor de 400 W/(m·K) para el cobre puro. Sus principales aplicaciones se encuentran en instalaciones industriales, centrales eléctricas, sistemas solares térmicos de agua, sistemas HVAC, calentadores de agua a gas, sistemas de calefacción y refrigeración por aire forzado, calefacción y refrigeración geotérmica y sistemas electrónicos.

El cobre es tres veces más denso ^[6] y más caro que el aluminio, y el cobre es menos dúctil que el aluminio. ^[6] Los disipadores de calor de cobre de una sola pieza se pueden fabricar mediante biselado o fresado . Las aletas de chapa se pueden soldar sobre un cuerpo de cobre rectangular. ^{[8] [9]}

Eficiencia de las aletas

La eficiencia de las aletas es uno de los parámetros que hace que un material de mayor conductividad térmica sea importante. Se puede considerar que una aleta de un disipador de calor es una placa plana en la que el calor fluye por un extremo y se disipa en el fluido circundante a medida que viaja hacia el otro. ^[10] A medida que el calor fluye a través de la aleta, la combinación de la resistencia térmica del disipador de calor que impide el flujo y el calor perdido por convección, la temperatura de la aleta y, por tanto, la transferencia de calor al fluido, disminuirá de desde la base hasta el final de la aleta. La eficiencia de la aleta se define como el calor real transferido por la aleta, dividido por la transferencia de calor si la aleta fuera isotérmica (hipotéticamente la aleta tendría una conductividad térmica infinita). Estas ecuaciones son aplicables para aletas rectas: ^[11]

${\displaystyle \eta _{\text{f}}={\frac {\tanh(mL_{c})}{mL_{c}}},}$

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{\text{f}}}{kt_{\text{f}}}}}L_{\text{f}},}$

dónde

h _f es el coeficiente de convección de la aleta:

10 a 100 W/(m ² ·K) en aire,

500 a 10.000 W/(m ² ·K) en agua,

k es la conductividad térmica del material de la aleta:

120 a 240 W /( m · K ) para aluminio,

L _f es la altura de la aleta (m),

t _f es el espesor de la aleta (m).

La eficiencia de las aletas aumenta disminuyendo la relación de aspecto de las aletas (haciéndolas más gruesas o más cortas) o usando un material más conductor (cobre en lugar de aluminio, por ejemplo).

Resistencia a la propagación

Otro parámetro que afecta a la conductividad térmica del material del disipador de calor es la resistencia a la propagación. La resistencia a la propagación ocurre cuando la energía térmica se transfiere de un área pequeña a un área más grande en una sustancia con conductividad térmica finita. En un disipador de calor, esto significa que el calor no se distribuye uniformemente a través de la base del disipador de calor. El fenómeno de la resistencia a la propagación se muestra por cómo el calor viaja desde la ubicación de la fuente de calor y provoca un gran gradiente de temperatura entre la fuente de calor y los bordes del disipador de calor. Esto significa que algunas aletas están a una temperatura más baja que si la fuente de calor fuera uniforme en toda la base del disipador de calor. Esta falta de uniformidad aumenta la resistencia térmica efectiva del disipador de calor.

Para disminuir la resistencia a la dispersión en la base de un disipador de calor:

• aumentar el espesor de la base,
• elija un material diferente con mayor conductividad térmica,
• Utilice una cámara de vapor o un tubo de calor en la base del disipador de calor.

Arreglos de aletas

Tipos de disipadores de calor: pasador, recto y aleta acampanada

Un disipador de calor con aletas de clavija es un disipador de calor que tiene clavijas que se extienden desde su base. Los pasadores pueden ser cilíndricos, elípticos o cuadrados. Un segundo tipo de disposición de aletas de disipador de calor es la aleta recta. Una variación del disipador de calor de aletas rectas es un disipador de calor de corte transversal. Un tercer tipo de disipador de calor es el disipador de calor de aletas acampanadas, donde las aletas no son paralelas entre sí. Ensanchar las aletas disminuye la resistencia al flujo y hace que pase más aire a través del canal de las aletas del disipador de calor; de lo contrario, más aire pasaría por alto las aletas. Inclinarlos mantiene las mismas dimensiones generales, pero ofrece aletas más largas. En la imagen de la derecha se muestran ejemplos de los tres tipos.

Forghan, et al. ^[12] han publicado datos sobre pruebas realizadas en disipadores de calor con aletas de pasador, aletas rectas y aletas acampanadas. Descubrieron que para velocidades de aproximación del aire bajas, normalmente alrededor de 1 m/s, el rendimiento térmico es al menos un 20 % mejor que el de los disipadores de calor de aletas rectas. Lasance y Eggink ^[13] también descubrieron que para las configuraciones de derivación que probaron, el disipador de calor acampanado funcionó mejor que los otros disipadores de calor probados.

Flujo de convección libre alrededor de un disipador de calor de aletas

Generalmente, cuanta más superficie tenga un disipador de calor, mejor será su rendimiento. ^[2] El rendimiento en el mundo real depende del diseño y la aplicación. El concepto de un disipador de calor con aletas de pasador es empaquetar la mayor superficie posible en un volumen determinado, mientras se trabaja en cualquier orientación de flujo de fluido. ^[2] Kordyban ^[2] ha comparado el rendimiento de un disipador de calor de aleta de pasador y de aleta recta de dimensiones similares. Aunque la aleta de pasador tiene un área de superficie de 194 cm ² mientras que la de aleta recta tiene 58 cm ² , la diferencia de temperatura entre la base del disipador de calor y el aire ambiente para la aleta de pasador es de 50 °C , pero para la aleta recta era 44 °C, o 6 °C mejor que la aleta del pasador. El rendimiento del disipador de calor con aletas de pasador es significativamente mejor que el de las aletas rectas cuando se utilizan en su aplicación óptima donde el fluido fluye axialmente a lo largo de los pasadores en lugar de solo tangencialmente a través de los pasadores.

Cavidades (aletas invertidas)

Las cavidades (aletas invertidas) incrustadas en una fuente de calor son las regiones formadas entre aletas adyacentes que representan los promotores esenciales de la ebullición o condensación de los núcleos. Estas cavidades se utilizan normalmente para extraer calor de una variedad de cuerpos generadores de calor a un disipador de calor. ^{[14] [15]}

Placa gruesa conductora entre la fuente de calor y el disipador de calor.

Colocar una placa conductora gruesa como interfaz de transferencia de calor entre una fuente de calor y un fluido que fluye frío (o cualquier otro disipador de calor) puede mejorar el rendimiento de enfriamiento. En tal disposición, la fuente de calor se enfría debajo de la placa gruesa en lugar de enfriarse en contacto directo con el fluido refrigerante. Se muestra ^{[ cita necesaria ]} que la placa gruesa puede mejorar significativamente la transferencia de calor entre la fuente de calor y el fluido refrigerante al conducir la corriente de calor de manera óptima. Las dos ventajas más atractivas de este método son que no hay potencia de bombeo adicional ni superficie de transferencia de calor adicional, lo que es bastante diferente de las aletas (superficies extendidas).

Color de superficie

Una tarjeta de memoria flash de servidor con disipador de calor negro

La transferencia de calor desde el disipador de calor se produce por convección del aire circundante, conducción a través del aire y radiación .

La transferencia de calor por radiación es función tanto de la temperatura del disipador de calor como de la temperatura del entorno al que está acoplado ópticamente el disipador de calor. Cuando ambas temperaturas son del orden de 0 °C a 100 °C, la contribución de la radiación en comparación con la convección es generalmente pequeña y este factor a menudo se ignora. En este caso, los disipadores de calor con aletas que funcionan en convección natural o en flujo forzado no se verán afectados significativamente por la emisividad de la superficie .

En situaciones donde la convección es baja, como un panel plano sin aletas con bajo flujo de aire, el enfriamiento radiativo puede ser un factor importante. Aquí las propiedades de la superficie pueden ser un factor de diseño importante. Las superficies de color negro mate irradian mucho más eficientemente que el metal desnudo brillante. ^{[16] [17]} Una superficie metálica brillante tiene baja emisividad. La emisividad de un material depende enormemente de la frecuencia y está relacionada con la absortividad (de la que las superficies metálicas brillantes tienen muy poca). Para la mayoría de los materiales, la emisividad en el espectro visible es similar a la emisividad en el espectro infrarrojo; ^{[ cita necesaria ]} sin embargo, hay excepciones, en particular, ciertos óxidos metálicos que se utilizan como " superficies selectivas ".

En el vacío o el espacio exterior , no hay transferencia de calor por convección, por lo que en estos entornos, la radiación es el único factor que gobierna el flujo de calor entre el disipador de calor y el medio ambiente. Para un satélite en el espacio, una superficie de 100 °C (373 K) orientada hacia el Sol absorberá mucho calor radiante, porque la temperatura de la superficie del Sol es de casi 6000 K, mientras que la misma superficie orientada hacia el espacio profundo irradiará una gran cantidad de calor. calor, ya que el espacio profundo tiene una temperatura efectiva de sólo unos pocos Kelvin.

Aplicaciones de ingeniería

Refrigeración por microprocesador

Sistema de refrigeración de una tarjeta gráfica Asus GTX 650; tres tubos de calor son visibles

La disipación de calor es un subproducto inevitable de los dispositivos y circuitos electrónicos. ^[10] En general, la temperatura del dispositivo o componente dependerá de la resistencia térmica del componente al medio ambiente y del calor disipado por el componente. Para garantizar que el componente no se sobrecaliente , un ingeniero térmico busca encontrar una ruta eficiente de transferencia de calor desde el dispositivo al medio ambiente. La ruta de transferencia de calor puede ser desde el componente a una placa de circuito impreso (PCB), a un disipador de calor, al flujo de aire proporcionado por un ventilador, pero en todos los casos, eventualmente al medio ambiente.

Dos factores de diseño adicionales también influyen en el rendimiento térmico/mecánico del diseño térmico:

1. El método mediante el cual se monta el disipador de calor en un componente o procesador. Esto se discutirá en la sección métodos de archivo adjunto .
2. Para cada interfaz entre dos objetos en contacto entre sí, habrá una caída de temperatura en la interfaz. Para tales sistemas compuestos, la caída de temperatura a través de la interfaz puede ser apreciable. ^[11] Este cambio de temperatura puede atribuirse a lo que se conoce como resistencia térmica de contacto. ^[11] Los materiales de interfaz térmica (TIM) disminuyen la resistencia de contacto térmico.

Métodos de archivo adjunto

A medida que aumenta la disipación de energía de los componentes y disminuye el tamaño del paquete de componentes, los ingenieros térmicos deben innovar para garantizar que los componentes no se sobrecalienten . Los dispositivos que funcionan a menor temperatura duran más. El diseño de un disipador de calor debe cumplir con sus requisitos tanto térmicos como mecánicos. En cuanto a esto último, el componente debe permanecer en contacto térmico con su disipador de calor con golpes y vibraciones razonables. El disipador de calor podría ser la lámina de cobre de una placa de circuito o un disipador de calor independiente montado en el componente o placa de circuito. Los métodos de fijación incluyen cinta termoconductora o epoxi, clips en forma de z con forma de alambre , clips de resorte planos, espaciadores y pasadores de empuje con extremos que se expanden después de la instalación.

Cinta termoconductora

Rollo de cinta termoconductora.

La cinta térmicamente conductora es uno de los materiales de fijación del disipador de calor más rentables. ^[18] Es adecuado para disipadores de calor de baja masa y para componentes con baja disipación de potencia. Se compone de un material de soporte térmicamente conductor con un adhesivo sensible a la presión en cada lado.

Esta cinta se aplica a la base del disipador de calor, que luego se fija al componente. Los siguientes son factores que influyen en el rendimiento de la cinta térmica: ^[18]

1. Las superficies tanto del componente como del disipador de calor deben estar limpias, sin residuos como una película de grasa de silicona .
2. La presión de precarga es esencial para garantizar un buen contacto. Una presión insuficiente da como resultado áreas sin contacto con el aire atrapado y genera una resistencia térmica de la interfaz mayor de lo esperado.
3. Las cintas más gruesas tienden a proporcionar una mejor "humectabilidad" con superficies de componentes irregulares. La "humectabilidad" es el porcentaje de área de contacto de una cinta sobre un componente. Sin embargo, las cintas más gruesas tienen una mayor resistencia térmica que las cintas más delgadas. Desde el punto de vista del diseño, es mejor lograr un equilibrio seleccionando un espesor de cinta que proporcione máxima "humectabilidad" con mínima resistencia térmica.

Epoxy

El epoxi es más caro que la cinta, pero proporciona una mayor unión mecánica entre el disipador de calor y el componente, así como una mejor conductividad térmica. ^[18] El epoxi elegido debe estar formulado para este fin. La mayoría de los epoxis son formulaciones líquidas de dos partes que deben mezclarse completamente antes de aplicarse al disipador de calor y antes de colocar el disipador de calor sobre el componente. Luego, el epoxi se cura durante un tiempo específico, que puede variar de 2 horas a 48 horas. Se puede lograr un tiempo de curado más rápido a temperaturas más altas. Las superficies sobre las que se aplica el epoxi deben estar limpias y libres de cualquier residuo.

La unión epoxi entre el disipador de calor y el componente es semipermanente/permanente. ^[18] Esto hace que volver a trabajar sea muy difícil y, en ocasiones, imposible. El daño más típico causado por el retrabajo es la separación del disipador de calor del componente de su paquete.

Un disipador de calor con aleta y pasador con retenedor de clip en Z

Clips en forma de Z con forma de alambre

Más caros que la cinta y el epoxi, los clips en forma de alambre en forma de Z sujetan los disipadores de calor mecánicamente. Para utilizar los clips en Z, la placa de circuito impreso debe tener anclajes. Los anclajes se pueden soldar al tablero o empujar. Cualquiera de los tipos requiere que se diseñen agujeros en el tablero. Se debe permitir el uso de soldadura RoHS porque dicha soldadura es mecánicamente más débil que la soldadura tradicional de Pb/Sn.

Para ensamblar con un clip en Z , fije un lado a uno de los anclajes. Desvíe el resorte hasta que el otro lado del clip pueda colocarse en el otro anclaje. La deflexión desarrolla una carga de resorte en el componente, que mantiene un muy buen contacto. Además de la fijación mecánica que proporciona el clip en z, también permite el uso de materiales de interfaz térmica de mayor rendimiento, como los tipos de cambio de fase. ^[18]

Dos métodos de fijación del disipador de calor, a saber, maxiGRIP (izquierda) y Talon Clip (derecha)

clips

Disponibles para procesadores y componentes de matriz de rejilla de bolas (BGA), los clips permiten conectar un disipador de calor BGA directamente al componente. Los clips aprovechan el espacio creado por la matriz de rejilla de bolas (BGA) entre la parte inferior del componente y la superficie superior de la PCB. Por lo tanto, los clips no requieren agujeros en la PCB. También permiten un fácil retrabajo de los componentes.

Un par de alfileres

Pasadores con resortes de compresión.

Para disipadores de calor más grandes y precargas más altas, los pasadores de empuje con resortes de compresión son muy efectivos. ^[18] Los pasadores de empuje, generalmente hechos de latón o plástico, tienen una púa flexible en el extremo que encaja con un orificio en la PCB; una vez instalada, la púa retiene el pasador. El resorte de compresión mantiene unido el conjunto y mantiene el contacto entre el disipador de calor y el componente. Es necesario tener cuidado al seleccionar el tamaño del pasador. Una fuerza de inserción demasiado grande puede provocar que el troquel se agriete y el consiguiente fallo del componente.

Separadores roscados con resortes de compresión

Para disipadores de calor muy grandes, no existe sustituto para el método de fijación con resorte de compresión y separador roscado. ^[18] Un separador roscado es esencialmente un tubo de metal hueco con roscas internas. Un extremo se fija con un tornillo a través de un orificio en la PCB. El otro extremo acepta un tornillo que comprime el resorte, completando el montaje. Un conjunto de disipador de calor típico utiliza de dos a cuatro separadores, lo que tiende a convertirlo en el diseño de accesorio de disipador de calor más costoso. Otra desventaja es la necesidad de realizar agujeros en la PCB.

Materiales de interfaz térmica

La conductividad térmica y la resistencia de la interfaz forman parte de la resistencia de la interfaz térmica de un material de interfaz térmica.

La resistencia al contacto térmico se produce debido a los huecos creados por los efectos de rugosidad de la superficie, defectos y desalineación de la interfaz. Los huecos presentes en la interfaz se llenan de aire. Por lo tanto, la transferencia de calor se debe a la conducción a través del área de contacto real y a la conducción (o convección natural) y radiación a través de los espacios. ^[11] Si el área de contacto es pequeña, como lo es en superficies rugosas, la mayor contribución a la resistencia la hacen los espacios. ^[11] Para disminuir la resistencia de contacto térmico, se puede disminuir la rugosidad de la superficie mientras se aumenta la presión de la interfaz. Sin embargo, estos métodos de mejora no siempre son prácticos o posibles para los equipos electrónicos. Los materiales de interfaz térmica (TIM) son una forma común de superar estas limitaciones.

Los materiales de interfaz térmica aplicados correctamente desplazan el aire presente en los espacios entre los dos objetos con un material que tiene una conductividad térmica mucho mayor. El aire tiene una conductividad térmica de 0,022 W/(m·K) ^[19] , mientras que los TIM tienen conductividades de 0,3 W/(m·K) ^[20] y superiores.

A la hora de seleccionar un TIM se debe tener cuidado con los valores suministrados por el fabricante. La mayoría de los fabricantes dan un valor a la conductividad térmica de un material. Sin embargo, la conductividad térmica no tiene en cuenta las resistencias de la interfaz. Por lo tanto, si un TIM tiene una conductividad térmica alta, no significa necesariamente que la resistencia de la interfaz será baja.

La selección de un TIM se basa en tres parámetros: el espacio de interfaz que debe llenar el TIM, la presión de contacto y la resistividad eléctrica del TIM. La presión de contacto es la presión aplicada a la interfaz entre los dos materiales. La selección no incluye el coste del material. La resistividad eléctrica puede ser importante dependiendo de los detalles del diseño eléctrico.

LED de alta potencia de Philips Lumileds Lighting Company montados en PCB con núcleo de aluminio en forma de estrella de 21 mm

Lámparas de diodos emisores de luz

El rendimiento y la vida útil de los diodos emisores de luz (LED) dependen en gran medida de su temperatura. ^[21] Por lo tanto, una refrigeración eficaz es esencial. Un estudio de caso de un downlight basado en LED muestra un ejemplo de los cálculos realizados para calcular el disipador de calor necesario para la refrigeración efectiva del sistema de iluminación. ^[22] El artículo también muestra que para tener confianza en los resultados, se requieren múltiples soluciones independientes que den resultados similares. Específicamente, los resultados de los métodos experimental, numérico y teórico deben estar dentro del 10% entre sí para brindar una alta confianza en los resultados.

en soldadura

A veces se utilizan disipadores de calor temporales al soldar placas de circuito, lo que evita que el calor excesivo dañe los componentes electrónicos sensibles cercanos. En el caso más simple, esto significa agarrar parcialmente un componente usando una pinza de cocodrilo de metal pesado, un hemostato o una abrazadera similar. Los dispositivos semiconductores modernos, que están diseñados para ensamblarse mediante soldadura por reflujo, normalmente pueden tolerar temperaturas de soldadura sin sufrir daños. Por otro lado, los componentes eléctricos, como los interruptores de láminas magnéticos , pueden funcionar mal si se exponen a soldadores más calientes, por lo que esta práctica todavía se utiliza mucho. ^[23]

Métodos para determinar el rendimiento.

En general, el rendimiento de un disipador de calor es función de la conductividad térmica del material, las dimensiones, el tipo de aleta, el coeficiente de transferencia de calor , el caudal de aire y el tamaño del conducto. Para determinar el rendimiento térmico de un disipador de calor se puede realizar un modelo teórico. Alternativamente, el rendimiento térmico se puede medir experimentalmente. Debido a la naturaleza compleja del flujo altamente tridimensional en las aplicaciones actuales, también se pueden utilizar métodos numéricos o dinámica de fluidos computacional (CFD). Esta sección discutirá los métodos antes mencionados para la determinación del rendimiento térmico del disipador de calor.

Un modelo teórico de transferencia de calor.

Bosquejo de un disipador de calor con resistencias térmicas equivalentes.

La resistencia térmica y el coeficiente de transferencia de calor se representan frente al caudal para el diseño específico del disipador de calor utilizado. ^[24] Los datos se generaron utilizando las ecuaciones proporcionadas en el artículo. Los datos muestran que a medida que aumenta el caudal de aire, la resistencia térmica del disipador de calor disminuye.

Uno de los métodos para determinar el rendimiento de un disipador de calor es utilizar la teoría de la dinámica de fluidos y la transferencia de calor. ^{Jeggels et al. [24]} publicaron uno de estos métodos, aunque este trabajo se limita al flujo por conductos. El flujo por conductos es donde el aire se fuerza a fluir a través de un canal que encaja firmemente sobre el disipador de calor. Esto asegura que todo el aire pase por los canales formados por las aletas del disipador de calor. Cuando el flujo de aire no está canalizado, un cierto porcentaje del flujo de aire pasará por alto el disipador de calor. Se encontró que la derivación del flujo aumenta al aumentar la densidad y el espacio libre de las aletas, mientras que permanece relativamente insensible a la velocidad del conducto de entrada. ^[25]

El modelo de resistencia térmica del disipador de calor consta de dos resistencias, a saber, la resistencia en la base del disipador de calor y la resistencia en las aletas . La resistencia térmica de la base del disipador de calor, se puede escribir de la siguiente manera si la fuente es una base del disipador de calor aplicada uniformemente. Si no es así, entonces la resistencia base es principalmente resistencia en expansión: ${\displaystyle R_{b}}$ ${\displaystyle R_{f}}$ ${\displaystyle R_{b}}$

${\displaystyle R_{b}={\frac {t_{b}}{kA_{b}}}}$(4)

donde es el espesor de la base del disipador de calor, es la conductividad térmica del material del disipador de calor y es el área de la base del disipador de calor. ${\displaystyle t_{b}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle A_{b}}$

La resistencia térmica desde la base de las aletas al aire, , se puede calcular mediante las siguientes fórmulas: ${\displaystyle R_{f}}$

${\displaystyle R_{f}={\frac {1}{nh_{f}W_{f}\left(t_{f}+2\eta _{f}L_{f}\right)}}}$(5)

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {\tanh {mL_{c}}}{mL_{c}}}}$^[11] (6)

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{f}}{kt_{f}}}}L_{f}}$^[11] (7)

${\displaystyle D_{h}={\frac {4A_{ch}}{P_{ch}}}}$(8)

${\displaystyle Re={\frac {4{\dot {G}}\rho }{n\pi D_{h}\mu }}}$(9)

${\displaystyle f=(0.79\ln Re-1.64)^{-2}}$^[26] (10)

${\displaystyle Nu={\frac {(f/8)(Re-1000)Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}}-1)}}}$^[26] (11)

${\displaystyle h_{f}={\frac {Nuk_{air}}{D_{h}}}}$(12)

${\displaystyle \rho ={\frac {P_{atm}}{R_{a}T_{in}}}}$(13)

El caudal se puede determinar mediante la intersección de la curva del sistema del disipador de calor y la curva del ventilador. La curva del sistema de disipador de calor se puede calcular mediante la resistencia al flujo de los canales y las pérdidas de entrada y salida, como se hace en los libros de texto estándar de mecánica de fluidos, como Potter, et al. ^[27] y Blanco. ^[28]

Una vez que se conocen las resistencias de la base y las aletas del disipador de calor, la resistencia térmica del disipador de calor se puede calcular como: ${\displaystyle R_{hs}}$

${\displaystyle R_{hs}=R_{b}+R_{f}}$(14).

Utilizando las ecuaciones 5 a 13 y los datos dimensionales en ^[24] , se calculó la resistencia térmica de las aletas para varios caudales de aire. Los datos de la resistencia térmica y el coeficiente de transferencia de calor se muestran en el diagrama, que muestra que a medida que aumenta el caudal de aire, la resistencia térmica del disipador de calor disminuye.

metodos experimentales

Las pruebas experimentales son una de las formas más populares de determinar el rendimiento térmico del disipador de calor. Para determinar la resistencia térmica del disipador de calor, es necesario conocer el caudal, la potencia de entrada, la temperatura del aire de entrada y la temperatura base del disipador de calor. Los datos proporcionados por el proveedor suelen proporcionarse para los resultados de las pruebas canalizadas. ^[29] Sin embargo, los resultados son optimistas y pueden proporcionar datos engañosos cuando los disipadores de calor se utilizan en una aplicación sin conductos. Se pueden encontrar más detalles sobre los métodos de prueba de disipadores de calor y los descuidos comunes en Azar, et al. ^[29]

Métodos numéricos

Disipador de calor radial con perfil térmico y trayectorias de flujo de convección forzada giratorias predichas mediante un paquete de análisis CFD

En la industria, los análisis térmicos a menudo se ignoran en el proceso de diseño o se realizan demasiado tarde, cuando los cambios de diseño son limitados y se vuelven demasiado costosos. ^[10] De los tres métodos mencionados en este artículo, se pueden utilizar métodos teóricos y numéricos para determinar una estimación de las temperaturas del disipador de calor o de los componentes de los productos antes de que se haya realizado un modelo físico. Normalmente se utiliza un modelo teórico como estimación de primer orden. Las calculadoras de disipadores de calor en línea ^[30] pueden proporcionar una estimación razonable del rendimiento del disipador de calor de convección natural y forzada basándose en una combinación de correlaciones derivadas teóricas y empíricamente. Los métodos numéricos o dinámica de fluidos computacional (CFD) proporcionan una predicción cualitativa (y a veces incluso cuantitativa) de los flujos de fluidos. ^{[31] [32]} Lo que esto significa es que dará un resultado visual o posprocesado de una simulación, como las imágenes en las figuras 16 y 17, y las animaciones CFD en las figuras 18 y 19, pero la precisión cuantitativa o absoluta del resultado es sensible a la inclusión y precisión de los parámetros apropiados.

La CFD puede dar una idea de los patrones de flujo que son difíciles, costosos o imposibles de estudiar utilizando métodos experimentales. ^[31] Los experimentos pueden dar una descripción cuantitativa de los fenómenos de flujo utilizando mediciones de una cantidad a la vez, en un número limitado de puntos e instancias de tiempo. Si no se dispone de un modelo a escala real o no es práctico, se pueden utilizar modelos a escala o modelos ficticios. Los experimentos pueden tener una gama limitada de problemas y condiciones de funcionamiento. Las simulaciones pueden dar una predicción de los fenómenos de flujo utilizando software CFD para todas las cantidades deseadas, con alta resolución en el espacio y el tiempo y prácticamente cualquier problema y condiciones de operación realistas. Sin embargo, si es crítico, es posible que sea necesario validar los resultados. ^[2]

Ver también

• Enfriamiento de computadora
• Difusor de calor
• Tubo de calor
• Bomba de calor
• Conductividad térmica del diamante.
• Radiador
• Material de interfaz térmica
• Gestión térmica (electrónica)
• Resistencia termica
• Refrigeración termoeléctrica

Referencias

1. "Disipador de calor". Wikcionario . 3 de noviembre de 2020 . Consultado el 14 de diciembre de 2022 .
2. Kordyban, T. (1998). El aire caliente sube y disipa el calor: todo lo que sabe sobre la electrónica de refrigeración está mal . Prensa ASME. ISBN 978-0-7918-0074-4.
3. Nello Sebastopoulos et al., Manual del regulador de voltaje de semiconductores nacionales , National Semiconductor Corp., 1975, capítulos 4, 5, 6.
4. del transistor de potencia de silicio de mesa de difusión única NPN tipo 2N3055 , Texas Instruments, número de boletín DL-S-719659, agosto de 1967, revisado en diciembre de 1971.
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enlaces externos