La crescente potenza dei chip elettronici ha reso sempre più difficili i metodi di raffreddamento ad aria dei dispositivi elettronici. Pertanto, sempre più dispositivi devono utilizzare dissipatori di calore a convezione forzata per controllare la temperatura del chip. I dissipatori di calore a piastre parallele sono un tipo di dissipatore di calore ampiamente utilizzato
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Resistenza termica
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Al fine di selezionare un adatto dissipatori di caloreLa progettazione termica determina innanzitutto la massima resistenza termica di progetto dei dissipatori di calore. Per ottenere questo valore, è necessario conoscere la temperatura massima dell'involucro del chip, Tcase, il consumo di potenza termica del chip, Pmod, e la resistenza termica del chip ai dissipatori di calore, Rint. La temperatura massima Tbase della parte inferiore dei dissipatori di calore può essere calcolata con la seguente formula:
La resistenza termica massima del radiatore, Rmax, è data dalla seguente formula:
Tair-in è la temperatura dell'aria di raffreddamento all'ingresso. A questo punto, molti ingegneri termici hanno iniziato a cercare nei cataloghi dei radiatori (o, più spesso oggigiorno, su Internet) radiatori delle giuste dimensioni, Rhs, e al di sotto della massima resistenza termica specificata, Rmax. In molti casi, stimare la resistenza termica Rhs di vari radiatori a piastre parallele dentate dalle dimensioni strutturali aiuta a determinare se un progetto è fattibile. Il resto di questo articolo fornisce principalmente formule di base per tali calcoli. La resistenza termica è calcolata dalla seguente formula:
Dove h è il coefficiente di trasferimento di calore della convezione. Abase è l'area della superficie nuda in basso tra i dissipatori di calore. Nfin è il numero di denti del dissipatore di calore. fin è la funzione del dissipatore di calore. Afin è l'area dei due lati di ciascuna aletta. Per calcolare ulteriormente, è necessario determinare il volume massimo del radiatore, che può essere determinato dalla sua larghezza W, altezza H e lunghezza L lungo la direzione del flusso. È anche necessario definire lo spessore dell'aletta, tfin. Attraverso questi parametri, la larghezza del canale tra il dissipatore di calore può essere ottenuta dalla seguente formula:
La formula per calcolare l'area totale esposta sul fondo è la seguente:
L'area di trasferimento del calore per convezione di ciascun dissipatore di calore è:
In questo caso, si dovrebbe definire la portata (velocità media) V, o portata G. Se si utilizza la portata, la velocità dell'aria corrispondente tra le piastre è:
Per determinare il coefficiente di trasferimento di calore convettivo che agisce su un radiatore, fare riferimento alla formula pertinente di Teertstra et al. I parametri pertinenti sono il numero di Nusselt, Nu, il numero di Reynolds, Re, e il numero di Prandtl, Pr. Ecco l'equazione:
La formula per calcolare il numero di Prandtl è la seguente:
Dove è la viscosità dinamica dell'aria. cp è il calore specifico dell'aria a pressione normale. k è la conduttività termica dell'aria. Il numero di Reynolds utilizzato nell'equazione (8) è il numero di Reynolds del canale rettangolare. È definito come:
Uno è la densità dell'aria. La formula (8) copre quasi l'intero intervallo del flusso laminare. La correzione di Reynolds (0.26 < Reb < 175) e alcuni dati sperimentali verificano la validità della formula (8). Utilizzando il numero di Nusselt ottenuto dalla formula (8), il coefficiente di trasferimento di calore convettivo può essere calcolato dalla seguente formula:
Qui kfin è la conduttività termica del dissipatore di calore e la formula per calcolare l'efficienza del dissipatore di calore è:
Dove tanh è una funzione tangente iperbolica e m è data dalla seguente formula:
Queste equazioni possono essere utilizzate per stimare le prestazioni di dissipazione del calore del radiatore, ovvero la resistenza al calore dal fondo del radiatore all'aria nell'aspirazione. Va notato che l'equazione per il numero di Nusselt include l'effetto dell'aumento della temperatura quando l'aria scorre attraverso il radiatore. Per ottenere la resistenza termica totale Rtot, viene aggiunta la resistenza termica conduttiva del substrato del radiatore. Pertanto, se il flusso di calore attraverso la base è equalizzato, la resistenza termica totale Rtot può essere ottenuta con la seguente formula:
Per comprendere queste equazioni, stimiamo la resistenza termica di un radiatore in alluminio da 50 x 50 mm. L'influenza dell'altezza del dissipatore di calore e del numero di denti sulla resistenza termica è stata studiata in condizioni di velocità e flusso costanti, rispettivamente, come mostrato in FIG. 2 e FIG. 3. Entrambe mostrano che è limitato ridurre la resistenza del dissipatore di calore aumentando l'altezza e il numero di denti.
Naturalmente, per determinare il funzionamento effettivo di un radiatore in un dispositivo è necessario conoscere la velocità o il flusso dell'aria attraverso il radiatore. Per ottenerli è necessario stimare le caratteristiche di caduta di pressione del radiatore per adattarlo alla ventola o al soffiatore corrispondente, che è un argomento che discuteremo in un articolo futuro.
FIG. 2 La relazione tra l'altezza del dente del dissipatore di calore e il numero di denti e la resistenza termica a una velocità di flusso di 2.5 m/s (492 fpm)
FIG. 3 Relazione tra l'altezza dei denti del dissipatore di calore, il numero di denti e la resistenza termica a una portata di gas di 0.0024 m3/s (5 CFM).