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• Mercedes Chávez

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ENFRIAMIENTO DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS Los equipos electrónicos han hecho su camino en prácticamente todos los aspectos de la vida moderna, desde juguetes y aparatos a computadoras de alta potencia. La confiabilidad de la electrónica de un sistema es un factor importante en la confiabilidad general del mismo. Los componentes electrónicos dependen del paso de corriente eléctrica para desempeñar sus funciones, y que se conviertan en sitios potenciales para el calentamiento excesivo, ya que el flujo de corriente a través de una resistencia está acompañado por la generación de calor. La continua miniaturización de los sistemas electrónicos ha resultad en un aumento dramático en la cantidad de calor generado por unidad de volumen, comparable en magnitud a los encontrados en los reactores nucleares y la superficie del sol. A menos que sean adecuadamente diseñados y controlados, altas tasas de generación de calor resultan en altas temperaturas de funcionamiento para equipos electrónicos, lo cual pone en peligro su seguridad y confiabilidad. La tasa de fallos de los equipos electrónicos aumenta exponencialmente con la temperatura. Además, las altos esfuerzos térmicos en las soldaduras de los componentes electrónicos montados en las placas de circuitos derivados de las variaciones de temperatura son las principales causas de falla. Por lo tanto el control térmico se ha convertido cada vez más importante en el diseño y operación de los equipos electrónicos. En este capítulo, se discuten varias técnicas de enfriamiento utilizados en equipos electrónicos, tales como disolventes, conducción, convección natural y radiación de enfriamiento, enfriamiento de aire forzado, enfriamiento con líquido, y el enfriamiento por inmersión. Este capítulo tiene como propósito familiarizar al lector con estas técnicas y ponerlas en perspectiva. El lector interesado en una cobertura a fondo de cualquiera de estos temas puede consultar muchas otras fuentes disponibles, tales como los enumerados en las referencias.

15-1Introduccion e historia el campo de la electrónica está encargado de la construcción y utilización de dispositivos que presentan un flujo de corriente a través del vacío, un gas o un semiconductor, este campo de la ciencia y la ingeniería se remonta al año de 1883 cuando Thomas Édison invento el diodo de vacío. El diodo de vacío se utilizó en la industria de la electrónica hasta la década de los 50s y desempeño un papen importante en el desarrollo de la radio, televisión, radar y la computadora digital. De las computadoras diseñadas en esta época la más conocida es el ENIAC (Electronic Numerical Integrator y computer) que fue construida en la universidad de Pennsylvania en 1946, tenía más de 18000 diodos de vacío y ocupaba una sala de 7x 14 metros, consumía una gran cantidad de energía y no era fiable debido a la baja eficiencia de los diodos de vacío. La invención del transistor bipolar en 1948 marco el comienzo de una nueva era en la industria electrónica y de que el diodo de vacío se volviera obsoleto. Los circuitos de transistores realizan las funciones de los diodos de vacío con mayor fiabilidad, además son pequeños, ocupan un menor espacio y consumen una cantidad insignificante de energía en comparación con los diodos de vacío. Los primeros transistores se hicieron de germanio, pero tenían un inconveniente, no podían funcionar a temperaturas superiores a los 100°c. Pronto fueron sustituidos por los transistores de silicio debido a que estos si funcionaban a temperaturas mucho más altas. El siguiente avance en la electrónica se produjo en 1959 con la introducción de los IC (circuitos integrados) donde muchos componentes como diodos, transistores, resistencias y condensadores se colocaron en un solo chip. El número de componentes empaquetados conforme pasa el tiempo ha ido aumentando a un ritmo increíble, como se muestra en la fig 15-1. La continua miniaturización de los componentes electrónicos se ha representado en la MSI (integración de Aumento en el numero de mediana escala), en 1960 con 50 a 1000 componentes por componentes chip en la integración a gran escala (LSI), en 1970 con 1000 a empaquetados en un chip a 1000000 componentes por chip en la integración de más través de los años grande escala (VLSI), en la década de los 80s con 1000000 a 10000000 componentes por chip, hoy en día se ha logrado tener un chip de 3x3 centímetros con varios millones de componentes en él.

El desarrollo del microprocesador en la década de los 70s por la corporación Intel marco un nuevo comienzo en la industria electrónica. Además el desarrollo de los chips de memoria

de gran capacidad en esta década hiso posible la introducción de las computadoras personales con capacidad para usarse en el trabajo y hogar a un precio accesible. La electrónica se ha visto involucrada en prácticamente todo, desde relojes, electrodomésticos, hasta automóviles. Hoy en día es difícil poder imaginar un producto que no utilice dispositivos electrónicos. El flujo de corriente a través de una resistencia esta siempre acompañado por la generación de calor de I 2R, donde I es la corriente eléctrica y R es la resistencia. Cuando el transistor se introdujo por primera vez en el mercado se promociono como un dispositivo que no producía calor, esto fue sin duda una declaración justa considerando la enorme cantidad de calor que generaban los diodos de vacío, el calor generado en el transistor era muy pequeño a comparación del calor El aumento en la tasa de dispositivos generado en el predecesor de este. Sin digitales bipolares con fallas respecto a embargo cuando miles o incluso millones de la temperatura. transistores son utilizados en un pequeño volumen el calor generado aumenta a niveles tan altos que la disipación de este calor se convierte en una tarea difícil y además surge la gran preocupación por la seguridad y confiabilidad de los dispositivos electrónicos. Los flujos de calor que encontramos en los dispositivos electrónicos van desde 1 w/cm 2 hasta 100w/cm2. El calor se genera en un elemento resistivo durante el tiempo en que la corriente continua fluyendo a través de el. Esto crea que el calor se acumule y que la temperatura aumente en el componente y alrededor del mismo. La temperatura seguirá aumentando hasta que el calor que es trasferido fuera de dispositivo sea menor. La temperatura del componente se mantendrá constante cuando la disipación de calor del mismo sea igual a la tasa de generación de calor. Los componentes electrónicos individuales no cuentan con partes móviles, por lo tanto no se desgastan con el tiempo, debido a esto son confiables y pareciera como si pudieran operar sin fallar durante muchos años, esto podría suceder si los componentes operaran siempre a temperatura ambiente, sin embargo hay componentes electrónicos que son utilizados por un largo periodo en altas temperaturas, las posibles causas de las fallas en estos es que los materiales semiconductores se consumen, las reacciones químicas que pudieran existir en la unión de los materiales con que son fabricados los dispositivos electrónicos. La tasa de fallas que se presentan en los dispositivos electrónicos aumenta casi exponencialmente en función de la temperatura a la que estos funcionan como se muestra en la fig 15-2. Los dispositivos más confiables son los que trabajan con temperaturas no altas. Una regla de oro es que la tasa de falla de los componentes electrónicos se reduce a la mitad si disminuimos 10° la temperatura.

15-2Fabricación de dispositivos electrónicos A la capa delgada donde dos regiones diferentes de un semiconductor (por ejemplo tipo n y tipo p ) se le llama una unión. Un transistor por ejemplo, consiste en dos uniones y un diodo, que es un dispositivo semiconductor más simple, se basa en una sola unión pn. En el análisis de transferencia de calor de circuito los electrones fluyen a través del componente electrónico por lo tanto en las uniones también se genera calor. Las uniones son los sitios de generación de calor y los puntos más calientes de un componente. En los dispositivos basados en silicio la temperatura de la unión se limita a 125°c para su confiable operación, sin embargo las temperaturas bajas en las uniones son deseables para tener una larga vida útil y costos más bajos de mantenimiento en los dispositivos. En numerosas aplicaciones muchos componentes electrónicos más pequeños que una micra de metro se fabrican a partir de una oblea de silicio en un chip. Portador del chip El chip se coloca en un portador de chip que es un sustrato hecho de plástico, cerámico o vidrio con el fin de proteger sus circuitos delicados de los efectos perjudiciales del medio ambiente. El porta chip proporciona una carcasa robusta para la manipulación segura del chip durante el proceso de fabricación, además de los conectores entre el chip y la palca del circuito. Los diversos componentes de los porta chips se muestran en la fig. 15-3. El chip es fijado con la unión de la superficie inferior. El Componentes de un portachip coeficiente de dilatación del plástico es aproximadamente 20 veces la el silicio, debido a esto la unión directa del chip de silicio con la caja de plástico daría como resultado la dilatación térmica y la confiabilidad del dispositivo se vería seriamente amenazada, para evitar este problema se utiliza como superficie de unión a un bastidor de conductores hecho de una aleación de cobre, que cuenta con un coeficiente de dilación próxima a la del silicio. El diseño del porta chip es el primer paso en el control térmico de los dispositivos electrónicos, la transferencia de calor desde el chip hacia el porta chip es el primer para en la disipación del calor que se genera en él. El diseño del soporte de chip es el primer nivel en el control térmico de dispositivos de electrónica, ya que la transferencia de calor desde el chip para el portador es el primer paso en la disipación del calor generado en el chip. El calor generado en el chip se transfiere al de la caja del soporte de chip por una combinación de conducción, convección, y radiación. Sin embargo, es obvio a partir de la figura que el portador de chip común está diseñado con los aspectos eléctricos en mente, y se presta poca atención a los aspectos térmicos. En primer lugar, la cavidad del soporte de chip se llena con un gas, que es un

pequeño conductor de calor, y la caja se hace a menudo de materiales que también son malos conductores del calor. Esto resulta en una relativamente gran resistencia térmica entre el chip y la caja, llama la resistencia – unión a la caja, y por lo tanto una gran diferencia de temperatura. Como resultado, la temperatura del chip será mucho más alta que el de la caja para una capacidad de disipación de calor específico. La unión a la caja térmica la resistencia depende de la geometría y el tamaño del chip y el soporte de chip así como las propiedades de los materiales de la unión y el caso. Varía considerablemente de un dispositivo a otro y varía de alrededor de 10 ° C / W para más de 100 ° C / W. La humedad en la cavidad del soporte de chip es altamente indeseable, ya que causa la corrosión del cableado. Por lo tanto, portadores de chips están hechos de materiales que impiden la entrada de humedad por difusión y están sellados herméticamente para evitar la entrada directa de la humedad a través de grietas. Los materiales que de salida de gas no están también permitidas en la cavidad de chip, porque estos gases también pueden causar corrosión. En los productos con los requisitos de hermeticidad estrictas, las cajas más caras de cerámica se utilizan en lugar de las de plástico. Un tipo común de soporte del chip para los transistores de alta potencia se muestra en La figura. 15-4. El transistor se forma en un pequeño chip de silicio alojada en la cavidad en forma de disco, y los pines de E / S de salir desde el fondo. La caja del portador de transistor está generalmente unida directamente a una brida, que proporciona una gran superficie para la disipación de calor y reduce la térmica cruce por caso resistencia. A menudo es deseable para alojar más de un chip en un solo portador de chip. El resultado es un paquete de multichips híbrido paquetes híbridos que albergan varios chips. Los componentes electrónicos individuales, y elementos de circuitos ordinarios conectados entre sí en un único soporte de chips. El resultado es un mejor rendimiento debido al acortamiento de las longitudes de cableado, y una mayor fiabilidad. Menor costo sería un beneficio adicional de paquetes multichips si se producen en suficientemente gran cantidad.

Ejemplo 15-1 La predicción de temperatura de la unión de un transistor La temperatura de la carcasa de un transistor de potencia que se está disipando 3 W es medido para ser de 50 ° C. Si la unión a la caja de resistencia de este transistor es especificada por el fabricante a ser de 15 ° C / W, determinar la temperatura en el unión del transistor.

SOLUCIÓN La temperatura de la carcasa de un transistor de potencia y la unión de la caja se dan la resistencia. La temperatura de la unión se va a determinar. Hipótesis: Existen condiciones de funcionamiento estable. Análisis: El esquemática del transistor se da en la figura. 15-5. La tasa de la transferencia de calor entre la unión y el caso en operación constante puede ser expresado como:

A continuación, la temperatura de la unión se convierte en:

Por lo tanto, la temperatura del transistor de unión será 95 ° C cuando su caja es a 50 ° C.

Ejemplo 15-2 Determinación a una unión a la caja de una resistencia térmica Este experimento se realizó para determinar la unión a la caja de resistencia térmica de un componente electrónico. La alimentación se suministra a la componente de una fuente de 15V, y las variaciones en la corriente eléctrica y en la unión y se observan las temperaturas de la carcasa con el tiempo. Cuando se estabilizan cosas, la actual se observa que es 0,1 A y las temperaturas a ser de 80 ° C y 55 ° C a la unión y el caso, respectivamente. Calcular la resistencia cruce por caso de este componente. SOLUCIÓN La potencia disipada por un componente electrónico, así como las temperaturas de la unión de la caja se miden. La unión de la caja por determinar. Hipótesis: Existen condiciones de funcionamiento estable. Análisis: El esquemática del componente se da en la figura. 15-6. La potencia eléctrica consumida por este componente electrónico es:

En el funcionamiento estacionario, esto es equivalente al calor disipado por el componente. Es decir:

Luego de la unión a la caja de resistencia se determina que es:

Discusión Tenga en cuenta que una diferencia de temperatura de 16,7 ° C se producirá entre el circuito electrónico y la caja del soporte del chip para cada W de potencia consumida por el componente.

Tarjetas de circuito impreso Una placa de circuito impreso (PCB) es un tablero plano debidamente conectado hecha de polímeros y materiales de vidrio-epoxi sobre la que se montan diversos componentes electrónicos, tales como los circuitos integrados, diodos, transistores, resistencias y condensadores para realizar una determinada tarea, como se muestra en la figura. 15-7. para componentes. Los PCBs son comúnmente llamados tarjetas, y pueden ser reemplazados fácilmente durante una reparación. Los PCB son placas planas, por lo general 10 cm de ancho y 15 cm de largo y sólo unos pocos milímetros de espesor, y no son adecuados para componentes pesados, tales como transformadores. Por lo general, un revestimiento de cobre se añade en uno o ambos lados de la placa. El revestimiento en un lado se somete a un proceso de grabado para formar tiras de cableado y las almohadillas de fijación para los componentes. La potencia disipada por un PCB por lo general oscila entre 5 W a aproximadamente 30 W. Un sistema electrónico típico consiste en varias capas de PCB. Los PCB están generalmente enfriados por contacto directo con un fluido tal como aire que fluye entre las placas. Pero cuando los tableros se colocan en una carcasa herméticamente cerrada, que deben ser enfriados por una placa fría (un intercambiador de calor) en contacto con el borde de los tableros. La resistencia térmica del borde de dispositivo a bordo de un PCB es generalmente alto (alrededor de 20 a 60 ° C / W) debido al reducido espesor de la tabla y la baja conductividad térmica del material de la tabla. En tales casos, incluso una fina capa de revestimiento de cobre en un lado de la placa puede disminuir la resistencia térmica de punta en el plano de la placa y mejorar la transferencia de calor en esa dirección de manera drástica.

En el diseño térmico de un PCB, es importante prestar especial atención a los componentes que no son tolerantes a las altas temperaturas, tales como ciertos condensadores de alto rendimiento, y para garantizar su operación segura. A menudo, cuando falla uno de los componentes en una PCB, todo el tablero falla y debe ser reemplazado. Las tarjetas de circuitos impresos están disponibles en tres tipos: tablas de una sola cara, a doble cara y multicapa. Cada tipo tiene sus propias fortalezas y debilidades. Los PCB de una cara tienen líneas de circuitos en un lado de la placa únicamente y son adecuados para los dispositivos electrónicos de baja densidad (de 10 a 20 componentes).

Una placa de circuito impreso (PCB) con una variedad de componentes en él.

Los PCB de doble cara tienen circuitos en ambos lados y son los más adecuados para los dispositivos de densidad intermedia. Los PCB multicapa contienen varias capas de circuitos y son adecuados para los dispositivos de alta densidad. Son equivalentes a varios PCBs intercalados juntos. El circuito impreso de una sola cara tiene el costo más bajo, como se esperaba, y es fácil de mantener, pero ocupa mucho espacio. El PCB de múltiples capas, por otro lado, permite la colocación de un gran número de componentes en una configuración tridimensional, pero tiene el más alto costo inicial y es difícil de reparar. También, es más probable que las temperaturas sean más altas en PCBs de múltiples capas. En aplicaciones críticas, los componentes electrónicos se colocan en tableros unidos a un metal conductor, llamado el marco de calor, que sirve como una vía de conducción hasta el borde de la placa de circuito y por lo tanto a la placa fría para el calor generado en los componentes. Tales tableros se dice que son conducción de enfriado. La temperatura de los componentes en este caso dependerá de la ubicación de los componentes en los tableros: será más alta para los componentes en el medio y más bajo para los que están cerca del borde, como se muestra en la figura. 15-8. Los materiales utilizados en la fabricación de placas de circuitos deben ser (1) los aisladores eléctricos eficaces para prevenir la avería eléctrica y (2) buenos conductores del calor para llevar a cabo lejos del calor generado. También deben tener (3) material de alta resistencia para soportar las fuerzas y para mantener la estabilidad dimensional; (4) coeficientes de expansión térmica que

este cerca de coincidir con la del cobre, para evitar grietas en el revestimiento de cobre durante los ciclos térmicos; (5) la resistencia a la absorción de humedad, ya que la humedad puede afectar tanto a las propiedades mecánicas y eléctricas y degradar el rendimiento; (6) La estabilidad en las propiedades a niveles de temperatura encontradas en aplicaciones electrónicas; (7) fácil disponibilidad y capacidad de fabricación; y, por supuesto, (8) bajo coste. Como es posible que ya haya adivinado, ningún material existente tiene todas estas características deseables. Laminados de vidrio-epoxi hechos de una resina epoxi o matriz de poliamida reforzada por varias capas de tela de vidrio tejidas se utilizan comúnmente en la producción de placas de circuitos. Las matrices poliamida son más caras que epoxi, pero pueden resistir temperaturas mucho más altas. Películas poliméricas o poliamida también se utilizan sin refuerzo para circuitos flexibles. La trayectoria del flujo de calor en un PCB enfriado por conducción y la distribución de temperatura.

La carcasa Un sistema electrónico no está completo sin una robusta carcasa (una caja o un gabinete) que albergará las placas de circuitos y el equipo periférico y los conectores necesarios, protegerlos de los efectos nocivos del medio ambiente, y proporcionar un mecanismo de enfriamiento (Fig. 15 -9). En un pequeño sistema electrónico tal como un ordenador personal, la carcasa puede ser simplemente una caja de bajo costo de chapa de metal con conectores adecuados y un pequeño ventilador. Pero para un gran sistema con varios cientos de PCBs el diseño y la construcción de la carcasa son desafíos para los diseñadores electrónicos y térmicos. Una carcasa debe proporcionar acceso fácil para el personal de servicio para que puedan identificar y reemplazar las piezas defectuosas fácil y rápidamente con el fin de reducir al mínimo el tiempo de inactividad, lo que puede ser muy costoso. Pero, al mismo tiempo, la carcasa debe impedir cualquier acceso fácil por personas no autorizadas, a fin de proteger los equipos electrónicos sensibles de ellos, así como a las personas de posibles riesgos eléctricos. Los circuitos electrónicos son accionados por voltajes bajos Un recinto en forma (generalmente menores de 15 V), pero las corrientes implicadas de gabinete. pueden ser muy altas (a veces unos pocos cientos de amperios).

FIGURA 15-10

Diferentes etapas involucradas en la producción de un sistema electrónico. Las placas de circuito de tipo enchufe hacen que sea muy fácil de reemplazar una placa defectuosa, y se usan comúnmente en los equipos electrónicos de baja potencia. Las Tarjetas de circuitos de alta potencia en grandes sistemas, sin embargo, están estrechamente unidas a los bastidores del gabinete con los soportes especiales. Un recinto bien diseñado también incluye interruptores, luces indicadoras, una pantalla para mostrar mensajes e información actual acerca de la operación, y un teclado para la interfaz de usuario. Las placas de circuito impreso en un gran sistema están conectadas a un panel posterior a través de sus conectores de borde. El panel posterior suministra energía a los PCBs y las interconecta para facilitar el paso de la corriente de un tablero a otro. Los PCB se ensamblan de manera ordenada en bastidores de tarjetas o chasis. Uno o más de dichos ensambles están alojados en un gabinete, como se muestra en la figura. 15-10. Gabinetes electrónicos vienen en una amplia variedad de tamaños y formas, en la producción de Gabinetes se utilizan comúnmente laminas de metales tales como aluminio de calibre delgado o laminas de acero. El espesor de las paredes del recinto depende de los requisitos de impacto y vibración. Recintos hechos de láminas metálicas gruesas o mediante moldeo pueden cumplir con estos requisitos, pero a expensas de un aumento de peso y costo. Cajas electrónicos están a veces selladas para evitar que el fluido en el interior (por lo general aire) se escape y el vapor de agua en el exterior entre.

El sellado contra infiltración de humedad es muy difícil debido al pequeño tamaño de las moléculas de agua y la gran presión de vapor fuera de la caja con respecto al interior de la caja. El sellado se suma al tamaño, peso y costo de una caja electrónica, especialmente en el espacio o el funcionamiento a gran altitud, debido a que en este caso la caja debe resistirá fuerzas más grandes debido a la diferencia de presión mayor que hay entre el interior y exterior de la caja. 15-3 (demanda de) ENFRIAMIENTO DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS El primer paso en la selección y diseño de un sistema de enfriamiento es determinar la disipación de calor, que constituye la demanda de enfriamiento. La forma más fácil para determinar la disipación de potencia de los equipos electrónicos es medir la tensión V aplicada y la corriente eléctrica I en la entrada del dispositivo electrónico en condiciones de plena carga y para sustituirlos en la relación

Donde es el consumo de energía eléctrica del dispositivo electrónico, que constituye la entrada de energía al dispositivo. La primera ley de la termodinámica requiere que en operación estable, la entrada de energía a un sistema es igual a la salida de energía del sistema. Teniendo en cuenta que la única forma de energía que sale del dispositivo electrónico es el calor generado por los flujos de corriente a través de elementos resistivos, llegamos a la conclusión de que la disipación de calor o enfriamiento entregado de un dispositivo electrónico es igual a su consumo de energía. Que es, como se muestra en la Fig. 15–11. La excepción a esta regla es el equipo que también da salida a otras formas de energía, tales como los tubos emisores de una instalación de radar, la radio o la televisión que emite la radiofrecuencia (RF) de radiación electromagnética. En tales casos, la demanda de enfriamiento será igual a la diferencia entre el consumo de energía y la emisión de potencia de RF. Una manera equivalente pero es engorrosa para determinar la demanda de enfriamiento de un dispositivo electrónico es determinar el calor disipado por cada componente en el dispositivo y luego sumarlas. El descubrimiento de materiales superconductores que pueden operar a temperatura ambiente causará cambios drásticos en el diseño de dispositivos electrónicos y técnicas de enfriamiento, ya que tales dispositivos casi no van a generar calor. Como resultado, más componentes pueden ser embalados en un volumen más pequeño, lo que resulta en velocidad y confiabilidad mejorada sin tener que recurrir a técnicas de enfriamiento exóticos! Una vez que la demanda de enfriamiento se ha determinado, es una práctica común aumentar este número para dejar un poco de margen de seguridad, o un "colchón", y para hacer un poco de margen para el crecimiento futuro. No es raro añadir otra tarjeta a un sistema existente (tales como la adición de una tarjeta de fax / módem a un PC) para llevar a cabo una tarea adicional.

Pero no se debe exceder en ser conservador, ya que un sistema de enfriamiento de gran tamaño va a costar más, ocupan más espacio, más pesado, y consumimos más energía. Por ejemplo, no hay necesidad de instalar un ventilador grande y ruidoso en un sistema electrónico para estar "seguro" cuando será uno más pequeño. Por la misma razón, no hay necesidad de utilizar un sistema de enfriamiento líquido caro y propenso a fallas cuando el enfriamiento de aire es adecuado. Siempre debemos tener en cuenta que la forma más deseable de enfriamiento es enfriamiento por convección natural, ya que no requiere de partes móviles, por lo que es inherentemente confiable, tranquilo, y lo mejor de todo, gratis. El sistema de enfriamiento de un aparato electrónico debe ser diseñado teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento reales de campo. En aplicaciones críticas, como las de los militares, el dispositivo electrónico debe someterse a pruebas exhaustivas para satisfacer estrictos requisitos de seguridad y fiabilidad. Existen varios tipo de códigos para especificar las normas mínimas que deben cumplirse en algunas aplicaciones. El ciclo de trabajo es otra consideración importante en el diseño y la selección de un método de refrigeración.

FIGURA 15-11 En ausencia de otras interacciones de energía, la salida de calor de un dispositivo electrónico en funcionamiento estable es igual a la potencia de entrada al dispositivo. La potencia real disipada por un dispositivo puede ser mucho menos de la potencia nominal, dependiendo de su ciclo de trabajo (la fracción de tiempo que está encendido). Un transistor de potencia de 5 W, por ejemplo, disipará un promedio de 2 W de potencia si está activo sólo el 40 por ciento del tiempo. Si el chip de este transistor es de 1,5 mm de ancho, 1,5 mm de alto y 0,1 mm de espesor, entonces el flujo de calor en el chip será (2 W) / (0,15 cm)2 =89 W/cm2. Un dispositivo electrónico no se está ejecutando en equilibrio térmico con los alrededores, por lo tanto está a la temperatura del medio circundante. Cuando el dispositivo está encendido, la temperatura de los componentes del dispositivo comienza a crecer como resultado de la absorción del calor generado. La temperatura del dispositivo se estabiliza en algún momento, cuando el calor generado es igual al calor eliminado por el mecanismo de enfriamiento. En este punto, se dice que el dispositivo ha alcanzado condiciones de

operación constantes. El periodo de calentamiento durante el cual la temperatura del componente se eleva, se llama etapa de operación transitoria. (Figura 15-12).

FIGURA 15-12 El cambio de temperatura de un componente electrónico con el tiempo, a medida que alcanza la temperatura de funcionamiento estable después de que se enciende.

Otro factor térmico que disminuye la confiabilidad de los dispositivos electrónicos son las tensiones térmicas causadas por los ciclos de temperatura. En un estudio experimental (ver Hilbert y Kube, 1969), la tasa de falla de los dispositivos electrónicos sometidos a ciclos de temperatura deliberada de más de 20 ° C se observa a que aumenta ocho veces. Golpes y vibraciones son otras causas comunes de falla para dispositivos electrónicos y deben ser considerados en el diseño y proceso de fabricación para aumentar la confiabilidad. La mayoría de los dispositivos electrónicos funcionan durante largos períodos de tiempo y por lo tanto su mecanismo de enfriamiento está diseñado para un funcionamiento estable. Pero los dispositivos electrónicos en algunas aplicaciones no se quedan el tiempo suficiente para llegar a las condiciones de operación constantes. En tales casos, puede ser suficiente utilizar una técnica de enfriamiento limitado, tales como almacenamiento de energía térmica durante un corto período, o no usar ninguno en absoluto. La operación transitoria también es causada por grandes oscilaciones en las condiciones ambientales. Un método común de enfriamiento para la operación transitoria es usar una construcción de doble pared para el recinto del equipo electrónico, con el espacio entre las paredes relleno de una cera con una temperatura de fusión adecuada. A medida que la cera se derrite, se absorbe una gran cantidad de calor y por lo tanto retrasa considerablemente el sobrecalentamiento de componentes de la electrónica . Durante los períodos de descanso, la cera se solidifica rechazando el calor al medio ambiente.

15-4 Ambiente térmico Una consideración importante en la selección de un método de enfriamiento es el entorno; en el que el equipo electrónico operará. La ventilación simple por medio de agujeros puede ser todo lo que necesitamos para la ventilación de electrónicos de bajo consumo energía, como un televisor o un reproductor de DVD en una habitación, y un ventilador puede ser adecuado para el funcionamiento seguro de una computadora personal (Fig. 15-13). Pero el control térmico de la electrónica de una aeronave será un desafío para los diseñadores térmicos, habrá oscilaciones de las condiciones ambientales en este caso, de un extremo a otro en cuestión de minutos. La duración prevista de la operación en un medio ambiente hostil es también una consideración importante en el proceso de diseño. El diseño térmico de la electrónica para un avión que opera por horas, será muy diferente que el de un misil que tiene un tiempo de operación de unos pocos minutos.

FIGURA 15-13 Orificios de ventilación estratégicamente situados, adecuados para ventilar la electrónica de baja potencia, como un televisor o un reproductor de DVD.

El ambiente térmico en aplicaciones marinas es relativamente estable, ya que el sumidero final de calor en este caso es agua, con un intervalo de temperatura de 0 ° C a 30 ° C. En aplicaciones terrestres, sin embargo, el sumidero final de calor es el aire atmosférico, cuya temperatura oscila de -50°C en regiones polares a 50°C en regiones desérticas, cuya presión varía de aproximadamente 70 kPa (0,69 atm) a 3,000 m de elevación, a 107 kPa (1,06 atm) a 500 m bajo el nivel del mar.

El cambio térmico del ambiente de la nave espacial ocurre en un periodo corto de tiempo y esto complica el control térmico dela temperatura

, cuya temperatura varía de los -50°C en las regiones polares a los 50°C en climas desérticos, y cuyo rango de presión va de los 70kPa (o.69 atm) a 3000 m de elevación, a los 107 kPa (1.06 atm) a 500 m bajo el nivel del mar. La convección combinada y el coeficiente de transferencia de radiación del calor puede variar desde 10 W/m2.°C en un clima tranquilo a 80W/m2..°C en vientos de 100 Km/h. También, las superficies de los dispositivos expuestos a la luz del sol directa pueden ser sujetos a un flux de calor de radiación solar de 1000W/m2 en un día despejado. En aplicaciones de vuelo, el ambiente térmico puede cambiar desde 1 atm y 35°C en tierra a 19 kPa (0.2 atm) y -60°C en una altura típica de crucero de 12,000 m en minutos (Fig. 15-14). A velocidades supersónicas, la temperatura Superficial de algunas partes de la aeronave puede elevarse 200°C sobre la temperatura ambiental.

Los dispositivos electrónicos son raramente expuestos directamente a condiciones medioambientales no controladas debido a las grandes variaciones en las variables ambientales. En lugar de eso, un fluido acondicionado como el aire, agua o un fluido dieléctrico es usado como un disipador de calor local y como un intermediario entre el equipamiento electrónico y el ambiente, tal como el aire acondicionado en un edificio provee confort térmico al cuerpo humano. Aire acondicionado es el método de enfriamiento favorito, dado que es benigno, presto, y no propenso a derrames. Pero su uso es limitado al equipamiento con densidades de poder bajas, debido a la baja conductividad térmica del aire. El diseño térmico del equipamiento electrónico en aplicaciones militares debe cumplir con estrictos estándares militares para satisfacer los mayores requerimientos de confiabilidad.

15-5 Enfriamiento electrónico en diferentes aplicaciones Las técnicas de enfriamiento usadas en equipos electrónicos varían ampliamente, dependiendo de su aplicación particular. El equipo electrónico diseñado para aplicaciones de vuelo, tales como aviones, satélites, vehículos espaciales, y misiles, presenta retos a los diseñadores porque debe encajar en espacios irregulares debido a la forma curveada de los cuerpos, y sin embargo ser capaz de proporcionar vías adecuadas para el flujo del calor y los fluidos. La mayoría de esos equipos electrónicos son enfriados por convección forzada usando aire presurizado de un compresor. Este aire comprimido se encuentra usualmente a alta temperatura, y por ello es enfriado en primer lugar, expandiéndolo a través de una turbina. La humedad en el aire es igualmente removida antes de que sea dirigido a las cajas electrónicas. Pero el proceso de remoción puede no ser adecuado bajo condiciones de lluvia. Por eso, en algunos casos la electrónica es situada en cajas selladas que son enfriadas externamente para eliminar cualquier contacto directo con componentes electrónicos. La electrónica de los misiles de corto alcance no necesita ningún enfriamiento debido a los cortos tiempos de viaje (Fig. 15-15). Los misiles alcanzan sus destinos antes de que la electrónica alcance temperaturas riesgosas. Los misiles de largo alcance tales como los misiles crucero, sin embargo, pueden tener un tiempo de vuelo de varias horas. Por eso, deben utilizar algún mecanismo de enfriamiento. Lo primero que viene a la mente es usar convección forzada con el aire que choca con el misil utilizando su gran presión dinámica. Sin embargo, la temperatura dinámica del aire, que es el aumento en la temperatura del aire como resultado del efecto de choque, puede ser mayor a los 50°C a velocidades cercanas a la velocidad del sonido (Fig. 15-16)

Pag. 12 Por ejemplo, a una velocidad de 320 m/s, la temperatura dinámica del aire es:

Por ello, la temperatura del aire a una velocidad de 320 m/s y a una temperatura de 30°C se elevará a 81°C como resultado de la conversión de la energía cinética a energía interna. El aire a tan altas temperaturas no es adecuado para usarse como medio de enfriamiento. En su lugar, los misiles de crucero son frecuentemente enfriados tomando ventaja de la capacidad de enfriamiento de las grandes cantidades de combustible líquido que cargan. La electrónica en este caso es enfriada por el paso del combustible a través de la placa fría de la caja electrónica mientras fluye hacia la cámara de combustión. El equipo electrónico en vehículos espaciales es comúnmente enfriado por un líquido circulando a través de los componentes, en donde el calor se recoge, y, mediante un radiador espacial, donde el calor el irradiado hacia el espacio profundo a unos 0 K. Nótese que esa radiación es el único mecanismo de transferencia de calor para eliminar calor hacia el vacío del espacio, y el intercambio de radiación depende mucho de las propiedades de la superficie. Las propiedades deseables de radiación en las superficies pueden ser obtenidas por medio de revestimientos especiales y tratamientos en las superficies. Cuando la electrónica que está en cajas selladas es enfriada por un líquido fluyendo a través de la capa externa de dicha caja, es importante usar un ventilador en la caja para hacer circular el aire, ya que no existen corrientes naturales de convección en el espacio debido a la ausencia de un campo gravitatorio. El equipo electrónico en barcos y submarinos son comúnmente situados en fuertes gabinetes para protegerlo de vibraciones y golpes durante un clima de tormenta. Gracias al fácil acceso al agua, los intercambiadores de calor enfriados por agua son comúnmente usados para refrigerar la electrónica a bordo del barco. Esto es usualmente hecho enfriando el aire en un intercambiador de calor de lazo cerrado -o abierto- aire-agua y forzando el aire frío al gabinete electrónico por medio de un ventilador. Cuando es usado el enfriamiento forzado por aire, es importante establecer una vía de flujo para el aire, de tal forma que no queden bolsas de aire caliente atrapadas en los gabinetes. Los sistemas de comunicación localizados en lugares remotos presentan retos a los diseñadores térmicos debido a las condiciones extremas bajo las cuales operan. Estos sistemas electrónicos operan por largos periodos de tiempo bajo condiciones adversas tales como lluvia, nieve, vientos fuertes, radiación solar, grandes altitudes, alta humedad y

temperaturas extremas. Grandes sistemas de comunicación son instalados en lugares especialmente construidos. A veces es necesario enfriar el aire en estos lugares para disipar de manera segura las grandes cantidades de calor emitido por la electrónica de los sistemas de comunicación. Los componentes electrónicos usados en equipos de microondas de alta potencia tales como radares, generan enormes cantidades de calor debido a la baja eficiencia de conversión de energía eléctrica a energía de microondas. Los tubos Klystron de los sistemas de radares de alta potencia donde la energía de radio-frecuencia es generada, pueden producir flujos de calor local tan altos como 2000 W/cm2, lo cual es cercano a un tercio del flujo de calor en la superficie del sol. La disipación segura y confiable de estos grandes flujos de calor, normalmente requiere de la inmersión de tales equipos en un fluido dieléctrico adecuado que pueda remover las grandes cantidades de calor por radiación. Los fabricantes de equipos electrónicos usualmente especifican el rango de disipación de calor y la temperatura máxima permitida para una operación confiable. Estos dos indicadores nos ayudan a determinar las técnicas de enfriamiento que son adecuadas para el dispositivo en cuestión. Los flujos de calor alcanzables a determinadas diferencias de temperatura son graficados en la Fig. 15-17 para algunos mecanismos comunes de transferencia de calor. Los flujos de calor que se pueden lograr en diferencias de temperatura especificados con diversos mecanismos de transferencia de calor y fluidos. (De Kraus y Bar-Cohen, 1983, p 22.; reproducido con permiso)

Cuando la potencia de un dispositivo o componente está dada, el flujo de calor es determinado dividiendo la potencia entre el área de la superficie expuesta del dispositivo o

componente. Entonces los mecanismos adecuados de transferencia de calor pueden ser determinados por la Fig. 15-17 donde requerimos que la diferencia de temperatura entre la superficie del dispositivo y el medio circundante no exceda el valor máximo permitido. Por ejemplo, un flujo de calor de 0.5 W/cm2 para un componente electrónico resultaría en una diferencia de temperatura de unos 500°C entre la superficie y el aire circundante si es utilizada la convección natural del aire. Considerando que la diferencia máxima de temperatura permitida es típicamente inferior a los 80°C, el enfriamiento por convección natural de este componente en el aire no es cuestionable. Pero la convección forzada con aire es una opción viable si se permite el uso de un ventilador. Nótese que los flujos de calor mayor que 1 W/cm2 incluso con convección forzada del aire serían inadecuada, y debemos usar un disipador de calor lo suficientemente grande o cambiar a un fluido de enfriamiento diferente, como el agua. La convección forzada con agua puede ser usada efectivamente para el enfriamiento de componentes electrónicos con altos flujos de calor. También nótese que los líquidos dieléctricos tales como fluoroquímicos pueden disipar altos flujos de calor por la inmersión directa de los componentes en ellos. 15-6 Enfriamiento de conducción El calor es generado en componentes electrónicos siempre que una corriente eléctrica fluye a través de ellos. El calor generado causa que se eleve la temperatura de los componentes, y la diferencia de temperatura resultante conduce al calor lejos de los componentes a través del camino de menor resistencia térmica. La temperatura de los componentes se estabiliza cuando el calor disipado se iguala al calor generado. Para minimizar el aumento de temperatura de los componentes, se deben Establecer vías efectivas de transferencia de calor entre los componentes y el mejor disipador que es el aire atmosférico. La selección de un mecanismo de enfriamiento para un equipo electrónico depende de la magnitud de calor generado, requisitos de confiabilidad, condiciones ambientales y costo. Para equipo electrónico de bajo costo, es común utilizar mecanismos de enfriamiento económicos tales como la convección natural o forzada con aire. Para equipo electrónico de alto costo y alto rendimiento, sin embargo, frecuentemente es necesario recurrir a técnicas de enfriamiento caras y complicadas.

El Enfriamiento de conducción está basado en la difusión de calor a través de un sólido, líquido o gas como resultado de interacciones moleculares en ausencia de cualquier volumen de fluido en movimiento. La conducción continúa a una dimensión a través de un medio plano de grosor L, área de transferencia de calor A, y la conductividad térmica K, están dadas por:

Es la resistencia térmica del medio y AT is la diferencia de temperatura a través del medio. Nótese que esto es análogo a la corriente eléctrica siendo igual al voltaje dividido entre la resistencia eléctrica. El concepto de resistencia térmica nos permite resolver problemas de transferencia de calor de manera análoga a problemas de circuitos eléctricos usando la red de resistencia térmica, tratado en el Capítulo 3. Cuando la proporción de la conducción de calor Q es conocida, la caída de temperatura a lo largo de un medio cuya resistencia térmica es R es determinada por:

Por ello, grandes caídas de temperatura a lo largo de una vía de conducción de calor ocurrirán a través de porciones del flujo de calor con las más altas resistencias térmicas.

Conducción en Circuitos integrados El análisis de la conducción de un dispositivo electrónico inicia con la circuitería o unión de un chip, que es el lugar de la generación de calor. Para entender los mecanismos de transferencia de calor al nivel del chip, consideramos el circuito integrado de tipo DIP (paquete dual en línea) mostrado en la Fig. 15-19. El calor generado en las uniones se extiende a través del circuito integrado y es conducido por medio del grosor del chip. La propagación del calor desde la unión al cuerpo del chip es de naturaleza tridimensional, pero puede realizarse el estudio en una dimensión añadiendo un arreglo de resistencia térmica a la red de resistencia térmica. Para un área pequeña de

diámetro d de generación de calor en un cuerpo más grande, el arreglo de resistencia está dado por:

En donde K es la conductividad térmica del cuerpo más grande. Esquema interno de la geometría y la vista en sección transversal de un DIP (dual inline package) tipo dispositivo electrónico con 14 cables

El chip está incrustado al marco conductor con un material de unión de alta conductividad que provee una baja resistencia al flujo de calor del chip al marco conductor. No hay una conexión metálica entre el marco y las terminales ya que esto causaría un corto circuito en el chip. Por eso, el flujo de calor desde el marco a las terminales se da por medio del revestimiento dieléctrico, de plástico o cerámica. El calor es entonces transportado fuera del dispositivo electrónico por medio de las terminales. Cuando se trata de resolver un problema de transferencia de calor, con frecuencia es necesario hacer algunos supuestos simplificadores con relación al flujo primario de calor y las magnitudes de transferencia de calor en otras direcciones (Fig. 15-20). En el circuito integrado tratado arriba, por ejemplo, la transferencia de calor en la parte superior no se toma en cuenta, dado que es muy pequeña debido a la gran resistencia El calor generado en la unión de un térmica del aire atrapado entre el chip y la dispositivo electrónico fluye a través de la tapa. La transferencia de calor desde la base camino de menor resistencia del dispositivo electrónico es también pasada por alto debido a la baja conductividad térmica del material de la caja y a la falta de convección efectiva en la base.

EJEMPLO 15-3 Análisis de la conducción de calor en un chip Un chip disipa 0.6 W de poder en un DIP con 12 terminales. Los materiales y las dimensiones de varias secciones de este dispositivo electrónico están dadas en la tabla inferior. Si la temperatura de las terminales es 40°C, calcula la temperatura en la unión del chip.

Sección y material

Conductividad térmica W/m . °C

Grosor Mm

Constricción de la unión Chip de silicón Ligadura eutéctica Marco conductor de cobre Separador plástico

---

---

Área de transferencia de calor Diámetro 0.4 mm

120* 296 386

0.4 0.03 0.25

3 mm x 3 mm 3 mm x 3 mm 3 mm x 3 mm

1

0.2

12 x 1 mm x 0.25 mm 12 x 1 mm x 0.25 mm

Conductores cobre

de 386

5

*La conductividad térmica del silicón varía enormemente desde 153.5 W/m . °C a 27°C hasta 113.7 W/m . °C a 100°C, y el valor 120 W/m . °C refleja la predicción de que la temperatura del chip de silicón será cercana a los 100°C SOLUCIÓN Las dimensiones y el poder de disipación del chip están dadas. Se debe determinar la temperatura de la unión del chip. Suposiciones 1. Existen condiciones estables de operación. 2. La transferencia de calor a través de diversos componentes es en una dimensión. 3 La transferencia de calor a través de la brecha de aire y la tapa superior del chip es despreciable debido a la gran resistencia térmica involucrada en su camino. Análisis La geometría del dispositivo está mostrada en la Fig. 15-20. Tomamos el flujo primario de calor en este orden; el chip, la ligadura eutéctica, el marco conductor, el aislante plástico, y las 12 terminales. Cuando se considera la resistencia entre la unión y el chip, la red de resistencia térmica para este problema es como se muestra en la Fig. 15-21. Las diversas resistencias térmicas en el camino primario del flujo de calor se determinan como sigue:

Red de resistencia térmica para el dispositivo electrónico considerado en el Ejemplo 15-3.

Nótese que para propósitos de transferencia de calor, las 12 terminales pueden ser consideradas como una sola cuya sección transversal es 12 veces más larga. La alternativa es encontrar la resistencia de una sola terminal y calcular la resistencia equivalente para 12 resistencias conectadas en paralelo. Ambos métodos dan el mismo resultado.

Todas las resistencias dadas aquí están en serie. Así, la resistencia térmica total entre la unión y las terminales se determina simplemente sumándolas: Rtotal = Runión-terminal = Rconstricción + Rchip + Rligadura + Rmarco conductor + Rplástico + Rterminales

La transferencia de calor a través del chip se puede expresar como:

Resolviendo Tunión y sustituyendo los valores dados, la temperatura de la unión es: Tunión = Tterminales + QRunión-terminales = 40°C + (0.6W)(83.19°C/W) = 89.9°C Nótese que la capa de plástico entre el marco conductor y las terminales representa 66.67/83.19 = 80 por ciento de la resistencia térmica total y así el 80 por ciento de la caída de temperatura (0.6 x 66.67 = 40°C) entre la unión y las terminales. En otras palabras, la temperatura de la unión sería 89.9 – 40 = 49.9°C si la resistencia térmica del plástico fuera eliminada. Discusión El análisis simplificado expuesto aquí señala que cualquier intento de reducir la resistencia térmica en el circuito integrado y así optimizar el flujo de calor, debería comenzar con la capa de plástico. También notamos que las magnitudes de las resistencias individuales de algunas secciones, como la ligadura eutéctica y el marco conductor, son insignificantes, y cualquier intento de mejorarlas no tendrá ningún efecto en la temperatura de unión del chip. La determinación analítica de la resistencia térmica de la unión-a-la-caja de un dispositivo electrónico puede ser complicada y puede llevar consigo una considerable incertidumbre, como ya se ha mostrado. Por eso, los fabricantes de dispositivos electrónicos determinan este valor experimentalmente y lo incluyen como parte de las especificaciones del producto. Cuando la resistencia térmica se conoce, la diferencia de temperatura entre la unión y la superficie exterior del dispositivo se puede determinar desde:

En donde Q es la potencia consumida por el dispositivo.

La determinación de la temperatura de unión real, depende de la temperatura ambiental T ambiental, así como la resistencia térmica R caja-ambiente, entre la caja y el ambiente (Fig. 15-22). La magnitud de esta resistencia depende del tipo de ambiente (aire o agua) y de la velocidad del fluido. Las dos resistencias térmicas discutidas arriba están en serie, y la resistencia total entre la unión y el ambiente se determina simplemente sumándolas:

Muchos fabricantes de dispositivos electrónicos van un paso más allá e incluyen la resistencia total entre la unión y el ambiente para varias configuraciones del chip y condiciones ambientales que pueden presentarse. Una vez que la resistencia total está disponible, la temperatura de la unión correspondiente al consumo especificado de potencia (o el grado de disipación de calor) de Q está determinado por: Una gráfica típica de la resistencia térmica total uniónambiente para un dispositivo electrónico de tipo DIP, montado en una caja de circuitos, está dada en la Fig. 1523 para varias velocidades del aire y número de terminales. Los valores en las intersecciones de las curvas y el eje vertical representan la resistencia térmica correspondiente a condiciones de convección naturales (velocidad del aire cero). Nótese que la resistencia térmica y la temperatura de la unión descienden con el incremento de la velocidad del aire y el número de terminales del dispositivo electrónico, como es esperado.

La temperatura de la unión de un chip en este caso depende de la resistencia térmica externa, así como resistencia térmica interna.

Resistencia total térmica entre el unión de un dispositivo DIP plástico montado en una placa de circuito (Cortesía de Motorola Semiconductor

Ejemplo 15-4 Calculo dela temperatura de la unión de un dispositivo Un ventilador sopla aire a 30°c a velocidad de 200 m/min sobre un plástico DIP 1.2 w con 16 cables montados en un circuito impreso, como se muestra en la fig 15-24. Usando los datos de la fig 15-23, determina la temperatura de la unión de los componentes electrónicos. ¿Cuál sería la temperatura dela unión si el ventilador fallara? Solución El plástico DIP con 16 cables es enfriado con aire forzado, utilizando los datos proporcionados por el fabricante, determinaremos la temperatura de la unión. Asumiendo: condiciones estables de operación Analizando: La unión del ambiente con la resistencia térmica uniónambiente del dispositivo con 16 terminales corresponde a una velocidad de 200 m/min y se determina a partir de la fig 15-23 Runion-ambiente= 55°c/w Entonces la temperatura de unión puede ser determinada de la ecuación 15-9: Tunion- = Tambiente +QRunión-ambiente=30°c+( 1.2W)(55°c/w)=96°c

Cuando el ventilador falla, la velocidad del aire sobre el dispositivo se vuelve cero. La resistencia térmica total en este caso es determinada en la misma grafica tomando la lectura del valor de intersección de la curva y el eje vertical R unión-ambiente= 70°c/w Lo que resulta Tunion= Tambiente + QRunion-ambiente= 30°c+ (1.2)(70°c/w)=114°c Discusión: Nótese que la temperatura de la unión aumentara 18°c cuando el ventilador falla. Por supuesto, en este análisis asumimos que la temperatura del aire alrededor sigue siendo de 30°c, podría no ser así. Cualquier incremento en la temperatura ambiente dará como resultado un flujo de aire insuficiente lo cual se verá reflejado en la temperatura de la unión, esto pondrá en peligro seriamente la seguridad del dispositivo electrónico. La conducción en circuitos impresos Los dispositivos electrónicos son comúnmente montados en placas delgadas, usualmente de tamaño de 10 x 15 cm, fabricadas de materiales aislantes tales como laminados de vidrio-epoxi, y que no conducen el calor. Las placas de circuito impresos son enfriadas normalmente por medio del soplado de aire o haciendo circular un líquido dieléctrico a través de ellos. En otros casos los componentes de la PCBs (circuito impreso) son enfriados directamente y no nos preocupamos por la conducción de calor a través de PCBs. Pero en algunas aplicaciones críticas tales como las militares los PCBs son contenidos en circuitos cerrados en donde los bordes proporcionan el único camino de disipación de calor entre los componentes y el circuito sellado. En estos casos la transferencia de calor para las caras laterales de los pCBs es insignificante, y la generación de calor en los componentes debe ser conducida hacia lo largo de sus bordes, los cuales son sujetados a las placas frías para la disipar el calor externamente. La transferencia de calor a través de un PCB es naturalmente complicada debido a los efectos multidimensionales y a la generación de calor no uniforme en las superficies. Podemos obtener aun resultados suficientemente precisos su utilizamos la red de resistencia térmica en una o más dimensiones. Revestimiento de cobre o aluminio, marcos de calor o núcleo se utilizan comúnmente para mejorar la conducción de calor a través del circuito impreso. El espesor del revestimiento de cobre en el circuito impreso es usualmente expresado en términos de onzas de cobre, que es el espesor de 1 ft2 de una lámina de cobre hecha de una onza de cobre. Una onza de cobre es equivalente a 0.03556 mm (1.4 milésima de pulgada) de espesor de una lámina de cobre.

Al analizar la conducción de calor a través de un circuito impreso con revestimiento de cobre (o aluminio) en uno o ambos lados, a menudo nos planteamos la pregunta de si la transferencia de calor a través de la lámina epoxi puede ser relativamente ignorada con respecto a que a lo largo de la capa de cobre, debido a que la conductividad eléctrica del cobre es 1500 veces mayor al epoxi. La respuesta depende del área relativa de sección transversal de cada capa, debido a que la conducción de calor es proporcional al área de sección trasversal y también a la conductividad térmica. Considerando un PCB (circuito impreso) bañado en cobre de ancho W y largo L a través del cual la diferencia de temperatura es AT como se muestra en la fig 15-25. Suponiendo que la conducción de calor es solo a través de la longitud L y que la condición de calor en otras dimensiones es despreciable, la velocidad de conducción de calor a través de este PCB es la suma de la conductividad de calor a través de la capa epoxy y de la lámina de cobre y se expresa de la siguiente manera:

En donde t denota al espesor, por lo tanto las magnitudes relativas de conducción de calor a través de 2 capas depende de la magnitud del producto de la conductividad térmica por el espesor de la capa (K*t). Por lo tanto si el producto K*T del cobre es 100 veces mayor que la capa epoxi, entonces despreciamos la conductividad térmica de la capa epoxi, esto implicara un error tan solo del 1 %, lo cual es insignificante. También podemos definir una conductividad térmica efectiva para los PCB de metal recubierto como

Copper- cobre PCB- TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO de manera que la tasa de conducción de calor a lo largo de la PCB se puede expresar como

Donde APCB = w(tepoxy + tcopper) es el área normal a la dirección de transferencia de calor. Cuando hay agujeros o discontinuidades a lo largo del recubrimiento de cobre, el análisis anterior necesita ser modificado para tener en cuenta su efecto.

EXAMPLE 15–5 Conducción de Calor largo de una PCB con recubrimiento de cobre Calor es conducido a lo largo de un PCB con recubrimiento de cobre en un lado. El PCB es 10 cm de largo y 10 cm de ancho, y el espesor de las capas de cobre y epoxi son 0,04 mm y 0,16 mm, respectivamente, como se muestra en la figura. 15-26. Sin tener en cuenta la transferencia de calor de las superficies laterales, determinar los porcentajes de la conducción de calor a lo largo de las capas de cobre (K = 386 W / m · ° C) y epoxi (k = 0,26 W / m · ° C). Además, determinar la conductividad térmica efectiva de la PCB.

Esquema para el ejem. 15-5 SOLUCIÓN Se da una PCB con recubrimiento de cobre. Los porcentajes de la conducción de calor a lo largo de las capas de cobre y epoxi, así como la conductividad térmica efectiva de la PCB se han de determinar. SUPOSICIONES 1 La conducción de calor a lo largo de la PCB es unidimensional ya que la transferencia de calor de las superficies laterales es insignificante. 2 Las propiedades térmicas de epoxi y capas de cobre son constantes. ANÁLISIS La longitud y la anchura de ambas capas son la misma, y también lo es la diferencia de temperatura a través de cada capa. La conducción de calor a lo largo de una capa es proporcional al producto KT del espesor de la conductividad térmica, que se determina para cada capa y todo el circuito impreso:

Por lo tanto, la conducción de calor a lo largo de la tabla de epoxy constituirá:

ó 0.26 por ciento de la conducción térmica a lo largo de la PCB, que es insignificante. Por lo tanto, la conducción de calor a lo largo de la capa de epoxi en este caso puede ser descartado sin ninguna reserva. La conductividad térmica efectiva de la placa se determinó a partir de la ecuación. 15-11:

Es decir, toda la PCB puede ser tratada como una capa homogénea de solo 0,20 mm de espesor cuya conductividad térmica es 77,4 W / m · ° C para la transferencia de calor a lo largo de su longitud. DISCUSIÓN Tenga en cuenta que una capa muy delgada de recubrimiento de cobre sobre un PCB mejora la conducción de calor a lo largo de la PCB drásticamente, y por lo tanto se utiliza comúnmente en dispositivos electrónicos con conducción de enfriamiento. Marcos de calor En aplicaciones en las que el enfriamiento directo de las placas de circuitos hacen pasar aire o un dieléctrico líquido sobre los componentes electrónicos no está permitido, y la unión de las temperaturas se van a mantener relativamente baja para satisfacer estrictos requisitos de seguridad, el espesor de un marco de calor se utiliza en lugar de una fina capa de revestimiento de cobre. Este es especialmente el caso de los PCB de múltiples capas que están llenas de chips de salida de alta potencia. El esquema de un circuito impreso que es la conducción refrigerado a través de un marco de calor se muestra en la figura. 15-27. Enfriamiento de la conducción de una placa de circuito impreso con un marco de calor, y la distribución de la temperatura típica a lo largo del marco.

El calor generado en los chips se lleva a cabo a través del circuito, a través del adhesivo epoxi, para el centro del marco de calor, a lo largo del marco de calor, y a un disipador de calor o placa fría, donde se elimina el calor externamente. El marco de calor proporciona una trayectoria de baja resistencia para el flujo de calor desde la placa de circuito para el disipador de calor. El más grueso el marco de calor, menor es la resistencia térmica, y por lo tanto menor es la diferencia de temperatura entre el centro y los extremos del bastidor de calor. Cuando la carga de calor se distribuye uniformemente en el PCB, habrá simetría térmica sobre la línea central, y la distribución de temperatura a lo largo del marco de calor y el PCB

será parabólica en la naturaleza, con las fichas en el centro de la PCB (más alejado de los bordes) que funcionan en las altas temperaturas y los chips de cerca de los bordes que operan a bajas temperaturas. Además, cuando el PCB se enfría a partir de dos bordes, el calor generado en la mitad izquierda de la PCB fluirá hacia el borde izquierdo y el calor generado en la mitad derecha fluirá hacia el borde derecho del marco de calor. Pero cuando el PCB se enfría desde los cuatro bordes, la transferencia de calor a lo largo del marco de calor, así como la red de resistencia será bidimensional. Cuando se utiliza un marco de calor, la conducción de calor en la capa de epoxi de la PCB es a través de su espesor en lugar de a lo largo de su longitud. La capa de epoxi en este caso ofrece una resistencia mucho menor al flujo de calor debido a la corta distancia en cuestión. Esta resistencia se puede hacer aún más pequeño mediante la perforación de agujeros en el epoxi y llenándolos con cobre, como se muestra en la figura. 15-28.

La plantación de la junta epoxi con rellenos de cobre disminuye la resistencia térmica a través de su espesor considerablemente

Estos rellenos de cobre son por lo general 1 mm de diámetro y sus centros son unos pocos milímetros de distancia. Tales rellenos altamente conductoras proporcionar pasos fáciles para el calor de un lado de la PCB a la otra y dan lugar a una reducción considerable en la resistencia térmica de la junta a lo largo de su espesor, como se muestra en los Ejemplos 15-6, 15-7 y 15-8. Ejemplo 15- 6 Resistencia térmica de una Junta de epoxi de cristal Considere un laminado de vidrio epoxi de 10 cm x 15 cm (k = 0.26 W / m • º C) cuyo espesor es de 0,8 mm, como se muestra en la figura 15-29. Determinar la resistencia térmica de esta capa de epoxi para el flujo de calor (A) a lo largo del lado 15 cm de largo y (B) a través de su espesor.

Esquema para el Ejemplo 15-6

SOLUCIÓN Se dan las dimensiones de un laminado del vidrio-epoxi. Las resistencias térmicas para el flujo de calor a lo largo de las capas y a través del espesor se han de determinar. Suposiciones 1 La conducción de calor en el laminado es unidimensional en cualquiera de los casos. 2 Propiedades térmicas del laminado son constantes. Análisis La resistencia térmica de un medio de plano paralelo en la dirección de conducción de calor está dada por.

Donde L es la longitud en la dirección del flujo de calor, k es la conductividad térmica y A es el área normal de los valores dados, las resistencias térmicas de la placa para ambos casos se determinan.

Discusión Tenga en cuenta que la conducción de calor a una velocidad de 1 W a lo largo de este PCB podría causar una diferencia de temperatura de 7212 ° C a través de una longitud de 15 cm. Pero la misma velocidad de conducción de calor podría causar una diferencia de temperatura de sólo 0,21 ° C a través del espesor de la placa de epoxi.

Ejemplo 15-7 Plantar cilíndrico de cobre rellenos en una placa de epoxi Reconsiderar el laminado de vidrio - epoxi de 10 cm x 15 cm (k = 0.26 W / m • º C) de un grosor de 0,8 mm discutidos como en el Ejemplo 15-6. Con el fin de reducir la resistencia térmica a través de su espesor a partir del valor actual de 0,21 ° C / W, rellenos de cobre cilíndricos (k = 386 W / m • º C) de 1 mm de diámetro han de ser plantadas a lo largo de la junta con un centro -a- centro de la distancia de 2,5 mm, como se muestra en la figura. 15-30. Determinar el nuevo valor de la resistencia térmica de la junta epoxi para la conducción de calor a través de su espesor como resultado de esta modificación.

Esquema para el ejemplo 15-7

SOLUCIÓN cilindros rellenosde cobre se plantan a lo largo de una placa de vidrio epoxi. La resistencia térmica de la junta directiva a través de su espesor se determinará. Suposiciones 1 La conducción de calor a lo largo de la junta es unidimensional. 2 Propiedades térmicas de la junta son constantes.

Análisis El flujo de calor a través del espesor de la junta, en este caso se llevará a cabo en parte a través de los rellenos de cobre y en parte a través de la epoxi en caminos paralelos. El grosor de ambos materiales es el mismo y se va a ser 0,8 mm. Pero también tenemos que saber que la superficie de cada material antes de que podamos determinar las resistencias térmicas.Se afirma que la distancia entre los centros de los rellenos de cobre es 2,5 mm. Es decir, sólo hay un 1 mm de diámetro de llenado de cobre en cada 2.5 mm 2.5 mm de sección cuadrada de la junta. El número de estas plazas y por lo tanto el número de rellenos de cobre en el tablero son. (100 𝑚𝑚)(150 𝑚𝑚) = 2400 (2.5 𝑚𝑚)(2.5 𝑚𝑚) Área de una plaza A continuación, las áreas de superficie de los rellenos de cobre y la capa de epoxi restante se convierten. 𝑛=

Área de la junta

=

La resistencia térmica de cada material es:

Teniendo en cuenta que estas dos resistencias están en paralelo, la resistencia térmica equivalente de toda la junta se determina a partir.

Lo que da

Discusión Tenga en cuenta que la resistencia térmica de la junta epoxi se ha reducido de 0,21 ° C / W por un factor de casi 200 a sólo 0,00109 ° C / W, como resultado de la implantación de rellenos de cobre de 1 mm de diámetro en el mismo. Por lo tanto, la implantación de los pins de cobre en el laminado epoxi ha eliminado prácticamente la resistencia térmica de la resina epoxi a través de su espesor.

Ejemplo 15-8

La conducción de refrigeración de los PCB por un marco de calor. Una placa de circuito de disipación de 10 cm x 12 cm de 24 W de calor ha de ser enfriado por conducción por un marco de calor de cobre de 1,2 mm de espesor (k = 386 W / m •°C) 10 cm x 14 cm de tamaño. El laminado epoxi (K = 0,26 W / m • º C) tiene un espesor de 0,8 mm y se fija al bastidor de calor con adhesivo epoxi conductor (k = 1,8 W / m • º C) de 0,13 mm de espesor, como se muestra en la figura. 15-31. El PCB está unido a un disipador de calor por pinzamiento de una porción de ancho de 5 mm del borde hasta el disipador de calor de ambos extremos. La temperatura del bastidor de calor en este punto es 20 ° C. El calor se genera uniformemente en el PCB a una velocidad de 2 W por 1 cm de 10 cm de la tira.Teniendo en cuenta sólo la mitad de la placa PCB debido a la simetría, determinar la temperatura máxima en la PCB y la distribución de temperatura a lo largo del marco de calor.

La red de resistencia esquemática y térmica para el Ejemplo 15-8. SOLUCIÓN Un circuito de placa con la generación de calor uniforme es el que hace la conducción de enfriamiento por un marco de calor de cobre. Distribución de la temperatura a lo largo del marco de calor y la temperatura máxima en el PCB se están por determinar.

Suposiciones Existen: 1 condiciones de funcionamiento estable. 2 Propiedades térmicas son constantes. 3 No hay disipación de calor directa desde la superficie de la PCB, y por lo tanto todo el calor generado se lleva a cabo por el bastidor de calor al disipador de calor.

Análisis El PCB considerado posee simetría térmica sobre la línea central. Por lo tanto, el calor generado en la mitad izquierda de la PCB se llevó a cabo para el disipador de calor a la izquierda, y el calor generado en la mitad derecha se llevó a cabo para el disipador de calor derecha. Por lo tanto tenemos que considerar sólo la mitad de la tabla en el análisis.La temperatura máxima se producirá en un lugar más alejado de los disipadores de calor, que es la línea de simetría. Por lo tanto, la temperatura de los componentes electrónicos situados en el centro de la PCB será el más alto, y su fiabilidad será la más baja.El calor generado en los componentes en cada tira se lleva a cabo a través de la capa de epoxi debajo. El calor es conducido luego a través del adhesivo epoxi y para la media del bastidor de calor de cobre. Finalmente, el calor es conducido a lo largo del marco de calor al disipador de calor. La red de resistencia térmica asociada con el flujo de calor en la mitad derecha de la PCB también se muestra en la figura. 15-31. Tenga en cuenta que todas las resistencias verticales son idénticos y son iguales a la suma de las tres resistencias en serie. Tenga en cuenta también que la conducción de calor hacia el disipador de calor se supone que es predominantemente a lo largo del marco de calor, y la conducción a lo largo del adhesivo epoxi se considera que es insignificante. Este supuesto es bastante razonable, ya que el producto conductividad de espesor del marco de calor es mucho más grande que los de las otras dos capas. Las propiedades y dimensiones de los distintos sectores de la PCB se resumen en esta tabla. Sección y material Conductividad Espesor Transferencia de térmica mm calor en una W/m*°C superficie tablero de epoxi 0.26 0.8 10 mm x 100 mm adhesivo epoxídico

1.8

Marco de calor de 386 cobre, ḻ (normal a fotograma) Marco de calor de 386 cobre, ll (a lo largo del marco)

0.13

10 mm x 100 mm

0.6

10 mm x 100 mm

10

1.2 mm x 100 mm

Usando los valores de la tabla, las diversas resistencias térmicas se determinan para ser

La resistencia combinada entre los componentes electrónicos en cada banda y el marco de calor se puede determinar, mediante la adición de las tres resistencias en serie, para ser

Las diversas temperaturas a lo largo del marco de calor se pueden determinar a partir de la relación

Donde es la resistencia térmica entre dos puntos especificados, es la velocidad de transferencia de calor a través de que la resistencia, y es la diferencia de temperatura a través de que la resistencia. La temperatura en la ubicación en la que el marco de calor se sujeta al disipador de calor se da como T0 = 20 ° C. Tomando nota de que todo el calor generado de 12 W en la mitad derecha de la PCB debe pasar a través de la última resistencia térmica adyacente al disipador de calor, la temperatura T1 puede ser determinada a partir Siguiendo la misma línea de razonamiento, las temperaturas en los lugares especificados a lo largo de del marco de calor se determina que

Finalmente, T7, que es la temperatura máxima en el PCB, se determina a partir

Discusión La diferencia máxima de temperatura entre la PCB y el disipador de calor es sólo 15,37 ° C, lo cual es muy impresionante teniendo en cuenta que el circuito impreso no tiene contacto directo con el medio de refrigeración. Las temperaturas de la unión en este caso se pueden determinar mediante el cálculo de la diferencia de temperatura entre la unión y los conductores del portador de chip en el punto de contacto de la PCB y la adición de 35,37 ° C a la misma. El aumento máximo de temperatura de 15,37 ° C se puede reducir, si es necesario, mediante el uso de un marco de calor más grueso. Conducción de enfriamiento también se puede utilizar cuando los componentes electrónicos están montados en ambos lados de la PCB mediante el uso de una placa de núcleo de cobre o de aluminio en el centro de la PCB, tal como se muestra en la figura. 15-32. Una placa de circuito impreso de dos caras con un núcleo de metal para la refrigeración de conducción. La carga de calor en este caso será el doble de la de un circuito impreso que tiene componentes en un solo lado. Una vez más, el calor generado en los componentes se llevará a cabo a través del espesor de la capa de epoxi para el núcleo de metal, que sirve como un canal para la eliminación de calor eficaz. El grosor del núcleo se selecciona de tal manera que las temperaturas máximas de componentes permanecen por debajo de los valores especificados para satisfacer un criterio de fiabilidad prescrito. Los coeficientes de dilatación térmica del aluminio y el cobre son aproximadamente dos veces tan grande como la del vidrio - epoxi. Esta gran diferencia en los coeficientes de expansión térmica puede causar deformaciones en los PCBs si el epoxi y el metal no se unen correctamente. Una forma de evitar la deformación es el uso de los PCB con componentes en ambos lados, como se discute. El cuidado extremo debe ser ejercido durante el proceso de unión y curado cuando los componentes se montan en un solo lado de la PCB. El Módulo de Conducción térmica (TCM) El flujo de calor para chips de lógica ha ido aumentando constantemente como resultado de la densidad del circuito cada vez mayor en los chips. Por ejemplo, el flujo máximo a nivel de chip se ha incrementado de 2 W/cm2 en IBM System 37020 W/cm2 en IBM System 3081, que fue presentado a principios de 1980. La técnica de enfriamiento por aire forzado convencional que se utiliza en las máquinas anteriores es insuficiente para eliminar esos altos flujos de calor, y era necesario desarrollar una técnica de refrigeración nueva y más eficaz. El resultado fue el módulo de conducción térmica, que se muestra en la figura. 15-3. El TCM era

diferente de embalaje anterior chip de diseños, ya que incorpora tanto las consideraciones eléctricas y térmicas en las primeras etapas de diseño de chips. Anteriormente, un chip sería diseñado principalmente por los diseñadores eléctricos, y el diseñador térmico se le diría que llegar a un esquema de refrigeración para el chip. Este enfoque dio lugar a temperaturas de unión innecesariamente altos, y fiabilidad reducida, ya que el diseñador térmico no tenía acceso directo al chip. El TCM refleja una nueva filosofía en el empaquetado electrónico en que se dan los aspectos térmicos y eléctricos igualdad de trato en el proceso de diseño, y un diseño térmico éxito comienza en el nivel del chip.

Vista de corte del módulo de conducción térmica (TCM), y la red de resistencia térmica entre un solo chip y el fluido de refrigeración. En el Módulo de Conducción térmica, un lado del chip está reservado para las conexiones eléctricas y el otro lado para el rechazo de calor. El chip se enfría por contacto directo con el sistema de refrigeración para reducir al mínimo la resistencia térmica - unión.Las casas de TCM 100 a 118 chips de lógica, que están unidos a un sustrato de múltiples capas de cerámica 90 mm x 90 mm de tamaño con bolas de soldadura , que también proporciona las conexiones eléctricas entre los chips y el sustrato. Cada chip disipa alrededor de 4 W de potencia. La trayectoria de flujo de calor desde el chip a la carcasa de metal es proporcionado por un pistón, que se presiona contra la superficie posterior del chip por un resorte. La punta del pistón está curvada ligeramente para asegurar un buen contacto térmico incluso cuando el chip está inclinada o mal alineados. La conducción de calor entre el chip y el pistón se produce principalmente a través del espacio de gas entre el chip y el pistón debido a la limitada área de contacto entre ellos. Para maximizar la conducción de calor a través del gas, el aire en la cavidad de TCM se evacua y se sustituye por gas helio, cuya conductividad térmica es de aproximadamente seis veces la del aire. El calor es conducido a continuación a través del pistón, a través de la capa de gas helio que rodea, a través de la carcasa del módulo, y finalmente para el agua de refrigeración que circula a través de la placa fría unido a la superficie superior del Módulo de Conducción térmica.El resistencia interna total térmica Rint del TCM está

a unos 8 ° C / W, que es bastante impresionante. Esto significa que la diferencia de temperatura entre la superficie del chip y la superficie exterior de la carcasa del módulo será sólo 24 ° C durante un chip 3 - W. El Rext resistencia térmica externa entre la carcasa del módulo y el fluido de enfriamiento es generalmente comparable en magnitud a Rint. También, la resistencia térmica entre la unión y la superficie del chip puede ser tomado como 1 ° C / W. El diseño compacto de la TCM reduce significativamente la distancia entre los chips, y por lo tanto el tiempo de transmisión de la señal entre los chips. Esto, a su vez, aumenta la velocidad de funcionamiento del dispositivo electrónico.

Ejemplo 15-9 El enfriamiento de chips por el Módulo de Conducción térmica Considere la posibilidad de un módulo de conducción térmica con 100 fichas, cada una disipación de 3 W de potencia. El módulo es enfriado por agua a 25 ° C que fluye a través de la placa fría en la parte superior del módulo. Las resistencias térmicas en el camino del flujo de calor son Rchip = 1 ° C / W entre la unión y la superficie del chip, Rint = 8 ° C / W entre la superficie del chip y la superficie exterior del módulo de conducción térmica, y Rext = 6 ° C / W entre la superficie exterior del módulo y el agua de refrigeración. Determinar la temperatura de la unión del chip. Red de resistencia térmica para el Ejemplo 15-9. SOLUCIÓN A los módulos de conducción térmica con TCM 100 fichas está refrigerado por agua. La temperatura de la unión de la viruta se va a determinar. Suposiciones 1 Existen condiciones de funcionamiento estable. 2 La transferencia de calor a través de varios componentes es unidimensional. Análisis Debido a la simetría, vamos a considerar sólo uno de los chips en nuestro análisis. La red de resistencia térmica para el flujo de calor se da en la figura. 15-34. Tomando nota de que todas las resistencias están en serie, la resistencia térmica total entre la unión y el agua de enfriamiento es

Tomando nota de que la potencia total disipada por el chip es de 3 W y la temperatura del agua es de 25 ° C, la temperatura de la unión del chip en funcionamiento constante puede determinarse a partir

La solución para

y sustituyendo los valores especificados da

Por lo tanto, los circuitos del chip funcionarán a aproximadamente 70 º C, que se considera para ser una temperatura de funcionamiento seguro para los chips de silicio. Platos fríos son generalmente hechos de placas de metal con canales de fluido que se ejecutan a través de ellos, o los tubos de cobre conectados a ellos mediante soldadura fuerte. El calor transferido a la placa fría se lleva a cabo a los tubos, y de los tubos para el fluido que fluye a través de ellos. El calor transportado lejos por el fluido es finalmente disipa al ambiente en un intercambiador de calor.

15-7 Refrigeración por aire: convección natural y radiación. Sistemas electrónicos de baja potencia están convenientemente enfriados por convección natural y radiación. Refrigeración por convección natural es muy deseable, ya que no implica fans que pueden descomponer. La convección natural se basa en el movimiento del fluido causado por las diferencias de densidad en un líquido debido a una diferencia de temperatura. Un fluido se expande cuando se calienta y se hace menos densa. En un campo gravitatorio, este fluido más ligero se eleva y se inicia un movimiento en el fluido llamado corrientes de convección naturales (Fig. 15-35). Corrientes de convección naturales alrededor de un objeto caliente en el aire. El enfriamiento por convección natural es más eficaz cuando la trayectoria del fluido es relativamente libre de obstáculos, que tienden a reducir la velocidad del fluido, y es menos eficaz cuando el fluido tiene que pasar a través de los pasajes de flujo estrechos y durante muchos obstáculos. La magnitud de la transferencia de calor por convección natural entre una superficie y un fluido está directamente relacionada con la velocidad de flujo del fluido. Cuanto mayor sea el caudal, mayor es la tasa de transferencia de calor. En la convección natural, no hay sopladores se utilizan y por lo tanto la velocidad de flujo no pueden ser controlados externamente.

La velocidad de flujo en este caso se establece por el equilibrio dinámico de la flotabilidad y la fricción. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el fluido adyacente a una superficie caliente y el fluido lejos de él, la mayor es la fuerza de flotabilidad, y la más fuerte de las corrientes de convección naturales, y por lo tanto mayor es la tasa de transferencia de calor. También, siempre que dos cuerpos en contacto movimiento uno respecto al otro, una fuerza de fricción se desarrolla en la superficie de contacto en la dirección opuesta a la del movimiento.Esta fuerza de oposición se ralentiza el fluido, y por lo tanto reduce la velocidad de flujo del fluido. En condiciones estables, la tasa de flujo de aire impulsado por la flotabilidad se establece en el punto donde estos dos efectos se equilibran entre sí. La fuerza de fricción aumenta a medida que más y más superficies sólidas se introducen, perturbando seriamente el flujo de fluidos y transferencia de calor. Los componentes electrónicos o los PCB colocados en recintos tales como un televisor o un reproductor de DVD se enfrían por convección natural, proporcionando un número suficiente de orificios de ventilación en el caso para permitir que el aire frío para entrar y el aire caliente para dejar el caso libremente, como se muestra en la figura. 15-36 Refrigeración por convección natural de componentes electrónicos en un recinto con aberturas de ventilación. Desde el punto de vista de transferencia de calor, las rejillas de ventilación deben ser tan grande como sea posible para minimizar la resistencia al flujo y se debe colocar en la parte inferior de la caja de entrada de aire y en la parte superior de aire que sale. Pero el equipo de seguridad y de humanos establece que las rejillas de ventilación deben ser bastante estrecho para desalentar el ingreso involuntario en la caja. Además, la preocupación por los hábitos humanos tales como poner una taza de café en la superficie plana más cercana que sea muy arriesgado lugar rejillas de ventilación en la superficie superior. El aclaramiento ocasiones autorizadas por el caso también ofrece resistencia al flujo de aire.Por lo tanto, rejillas de ventilación en los recintos de equipos electrónicos naturales refrigerado por convección se colocan generalmente en la parte inferior de la parte lateral o posterior de las superficies de entrada de aire y en la parte superior de esas superficies de salida de aire. La transferencia de calor desde una superficie en Ts de temperatura para un fluido a temperatura Tfluido por convección se expresa como

Dónde hconv es el coeficiente de transferencia de calor por convección y As es el área de superficie de transferencia de calor. El valor de hconv depende de la geometría de la superficie y del tipo de flujo de fluido, entre otras cosas. Corrientes de convección naturales comienzan como laminar (suave y ordenada) y

se vuelven turbulentos cuando la dimensión del cuerpo y de la diferencia de temperatura entre la superficie caliente y el líquido es grande. Para el aire, el flujo sigue siendo laminar cuando las diferencias de temperatura implicados son menos de 100 ° C y la longitud característica del cuerpo es menor que 0,5 m, lo que es casi siempre el caso en los equipos electrónicos. Por lo tanto, el flujo de aire en el análisis de equipo electrónico puede ser asumido para ser laminar. Por lo tanto, el flujo de aire en el análisis de equipo electrónico puede ser asumido como laminar. El coeficiente de transferencia de calor por convección natural para flujo laminar de aire a presión atmosférica está dada por una relación simplificada de la forma

Donde DeltaT = Ts - Tfluid es la diferencia de temperatura entre la superficie y el líquido, Lc es la longitud característica (la longitud del cuerpo a lo largo de la trayectoria de flujo de calor), y K es una constante cuyo valor depende de la geometría y la orientación del cuerpo. Las relaciones de los coeficientes de transferencia de calor se dan en la Tabla 15-1 para algunas geometrías comunes encontradas en los equipos electrónicos, tanto en sistemas de unidades SI y Sistemas de unidades inglesas. Una vez que hconv, ha sido determinado a partir de una de estas relaciones, la tasa de transferencia de calor se puede determinar a partir de la ecuación. 15-13. Las relaciones de la Tabla 15-1 también se pueden usar a presiones distintas de 1 atm multiplicándolos por , donde P es la presión de aire en atm (1 atm= 101,325 kPa= 14.696 psia). Es decir,

Transferencia de calor simultánea por Convección natural al aire y la transferencia de calor por radiación a las superficies circundantes de un componente electrónico caliente montado en la pared de un recinto.

Cuando las superficies calientes están rodeadas por superficies frías tales como las paredes y los techos de una habitación o simplemente el cielo, las superficies también se enfrían por la radiación, como se muestra en la figura. 15-37. La magnitud de la transferencia de calor por radiación, en general, es comparable a la magnitud de la transferencia de calor por convección natural. Este es especialmente el caso de las superficies cuya emisividad es cercano a la unidad, tales como plásticos y superficies pintadas (independientemente del color). La transferencia de calor por radiación es insignificante para metales pulidos debido

a su muy baja emisividad y para los cuerpos rodeados de superficies con aproximadamente a la misma temperatura. La transferencia de calor por radiación entre una superficie e de temperatura Ts completamente rodeado por una superficie mucho más grande con temperatura Tsurr se puede expresar como Tsurr- envolvente (circundante)

Donde E es la emisividad de la superficie, As es el área de superficie de transferencia de calor, y es la constante de Stefan-Boltzmann, cuyo valor es de = 5.67 Exp -8 W/m2 · K ^ 4 = 0.1714 Exp -8 Btu / h · ft ^ 2 · R ^ 4. Aquí, las temperaturas deben ser expresadas en K o R. Además, si la superficie caliente analizada tiene una visión parcial de la superficie más fría que rodea al Tsurr, el resultado obtenido de la ecuación. 15-16 debe ser multiplicado por un factor considerado (view factor), que es la fracción considerada de la superficie caliente bloqueada por la superficie más fría. El valor del factor considerado va de 0 (la superficie caliente no tiene visión directa de la superficie más fría) a 1 (la superficie caliente está completamente rodeada por la superficie más fría). En el análisis preliminar, generalmente se asume que la superficie está completamente rodeada por una sola superficie hipotética cuya temperatura es la temperatura media equivalente de las superficies circundantes. Arreglos de PCB de baja potencia a menudo se enfrían por convección natural por su montaje dentro de un chasis con aberturas adecuadas en la parte superior y en la parte inferior para facilitar el flujo de aire, como se muestra Un chasis con una serie de PCB de orientación vertical enfriado por convección en la figura. 15-38. natural.

El aire entre las PCB se eleva cuando se calienta por los componentes electrónicos y se sustituye por el aire más frío que entra desde abajo. Esto inicia el flujo de convección natural a través de los pasadizos de flujo paralelos formados por los PCBs.

TABLA 15-1 Relaciones simplificadas para los coeficientes de transferencia de calor por convección natural para diversas geometrías en el aire a presión atmosférica para las condiciones de flujo laminar.

Las matrices de PCB de bajo consumo son a menudo enfriados por convección natural su montaje dentro de un chasis con aberturas adecuadas en la parte superior y en la parte inferior para facilitar el flujo de aire, como se muestra en la figura. 15-38. El aire entre las PCB se eleva cuando se calienta por los componentes electrónicos y se sustituye con el enfriador de aire que entra desde abajo. Esto inicia el flujo de convección natural a través de los conductos de flujo paralelos formados por los PCB. Los PCBs se deben colocar verticalmente para aprovechar las corrientes de convección naturales y minimizar las burbujas de aire atrapadas (Fig. 15-39).

La colocación de los PCBs demasiado lejos unos de otros reducen valioso espacio en el gabinete, y de colocarlos demasiado cerca tiende a "estrangular" el flujo debido a la mayor resistencia. Por lo tanto, debe haber una separación óptima entre las PCB. Resulta que una distancia de unos 2 cm entre los PCB proporciona un flujo de aire adecuado para un enfriamiento eficaz por convección natural. En el análisis de transferencia de calor de los PCB, la transferencia de calor por radiación se tiene en cuenta, ya que la vista de los componentes está bloqueada en gran medida por otros componentes generadores de Los PCB en un chasis deben estar orientados calor. Como resultado, los componentes calientes se verticalmente y espaciadas adecuadamente enfrentan a otras superficies calientes en lugar de una para maximizar la transferencia de calor por convección natural. superficie más fría. Las excepciones son los dos PCB en los extremos del chasis que ven las superficies laterales más frescas. Por lo tanto, es aconsejable montar los componentes de alta potencia sobre los PCBs se enfrentan las paredes del chasis para tomar ventaja del enfriamiento adicional proporcionada por la radiación. Las placas de circuitos que disipan hasta aproximadamente 5 W de potencia (o que tienen una densidad de potencia de alrededor de 0,02 W/cm2) se pueden enfriar efectivamente por convección natural. La transferencia de calor desde los PCB puede ser analizada mediante el tratamiento de ellos como placas rectangulares con fuentes de calor distribuidos de manera uniforme en un lado, y aislado en el otro lado, puesto que la transferencia de calor desde las superficies posteriores de los PCB es generalmente pequeña. Para los PCB con componentes electrónicos montados en ambos lados, la tasa de transferencia de calor y la superficie de transferencia de calor será el doble de grande. Hay que recordar que las corrientes de convección naturales ocurren solamente en los campos gravitatorios. Por lo tanto, no puede haber una transferencia de calor en el espacio por convección natural. Este también será el caso cuando los conductos de aire están bloqueados y el aire caliente no puede subir. En tales casos, no habrá ningún movimiento de aire, y la transferencia de calor a través del aire será por convección. La transferencia de calor desde las superficies calientes por convección natural y radiación puede mejorarse uniendo aletas a las superficies. La transferencia de calor en este caso puede determinarse mejor mediante el uso de los datos suministrados por los fabricantes, como se discute en el Capítulo 3, especialmente para geometrías Esquema para el Ejemplo 15complejas. 10.

EJEMPLO 15-10 El enfriamiento de una caja electrónica sellada Considere una caja electrónica sellada cuyas dimensiones son 15 cm×30 cm× 40 cm colocado en la parte superior de un soporte en una habitación a 35 º C, como se muestra en la figura. 15-40. La caja está pintada, y la emisividad de su superficie exterior es 0,85. Si los componentes electrónicos en la caja disipan 75 W de potencia y la temperatura de la superficie exterior de la caja no debe exceder los 65 ° C, determine si esta caja puede ser enfriada por convección natural y radiación solamente. Supongamos que la transferencia de calor desde la superficie inferior de la caja al soporte es insignificante. SOLUCIÓN La temperatura de la superficie de una caja electrónica sellada colocada encima de un soporte no debe exceder los 65 ° C. Debe determinarse si esta caja puede ser enfriada por convección natural y radiación solamente. SUPOCICIONES 1 La caja se encuentra a nivel del mar de modo que la presión atmosférica local es 1 atm. 2 La temperatura de las superficies de los alrededores es la misma que la temperatura del aire en la habitación. ANALISIS La caja electrónica sellada perderá calor de las superficies laterales de la parte superior por convección natural y radiación. Las cuatro superficies laterales de la caja pueden ser tratados como superficies verticales de 0.15 m de altura. A continuación, la transferencia de calor por convección natural a partir de estas superficies se determina que es:

Del mismo modo, la transferencia de calor desde la superficie superior horizontal por convección natural se determina que es:

Por lo tanto, la l transferencia de calor por convección natura desde la caja entera es:

La caja está completamente rodeada por las superficies de la habitación, y se afirma que la temperatura de las superficies enfrentadas de la caja es igual a la temperatura del aire en la habitación. Entonces, la tasa de transferencia de calor de la caja por la radiación puede determinarse a partir:

Tenga en cuenta que tenemos que utilizar las temperaturas absolutas en cálculos de radiación. Luego de la transferencia de calor total de la caja es simplemente:

Que es superior a 75 W. Por lo tanto, este cuadro puede ser enfriado por convección natural y radiación combinadas, y no hay necesidad de instalar ningún ventilador. Hay incluso un cierto margen de seguridad a la izquierda para ocasiones cuando la temperatura sube por encima de 35°C. EJEMPLO 15-11 El enfriamiento de un componente por convección natural Un resistor cilíndrico pequeño de 0.2-W montado en una PCB es 1 cm de largo y tiene un diámetro de 0,3 cm, como se muestra en la figura. 15-41. La vista de la resistencia está bloqueada en gran medida por la PCB frente a él, y la transferencia de calor desde los cables de conexión es insignificante. El aire es libre de fluir a través de los conductos de flujo paralelos entre el PCB. Si la temperatura del aire en el entorno de la resistencia es de 50 ° C, determinar la temperatura de la superficie de la resistencia. SOLUCIÓN Un resistor cilíndrico pequeño montado sobre un circuito impreso está siendo enfriado por convección natural y radiación. La temperatura de la superficie de la resistencia se va a determinar. SUPOCICIONES 1 Existen condiciones de funcionamiento estable. 2 El dispositivo se encuentra en el nivel del mar por lo que la presión atmosférica local es 1 atm. 3 La radiación es insignificante en este caso, ya que la resistencia está rodeada por las superficies que están en aproximadamente la misma temperatura, y la transferencia de calor por radiación neta entre dos superficies a la misma temperatura es cero. Esto deja la convección natural como el único mecanismo de transferencia de calor de la resistencia. ANALISIS Usando la relación de componentes en una placa de circuito de la Tabla 15-1, el coeficiente de transferencia de calor por convección natural para este componente cilíndrico puede determinarse a partir: Esquema para el Ejemplo 15-11.

Esquema para el Ejemplo 15-12.

Donde el diámetro D= 0.003 m, que es la longitud en la trayectoria de flujo de calor, es la longitud característica. No podemos determinar hconv todavía ya que no sabemos la temperatura de la superficie del componente y por lo tanto ∆T. Pero podemos sustituir esta relación en la relación de transferencia de calor para obtener:

El área de superficie de transferencia de calor del componente es: Sustituyendo esta y otras cantidades conocidas en unidades apropiadas (W para 𝑄̇ , °C para T, m2 para A, y m para D) en esta ecuación y despejando rendimientos Ts:

Por lo tanto, la temperatura de la superficie de la resistencia en el PCB será 113 ° C, que se considera al ser una temperatura de funcionamiento segura para las resistencias. Tenga en cuenta que el soplado de aire a la placa de circuito reducirá esta temperatura considerablemente como resultado de aumentar el coeficiente de transferencia de calor por convección y la disminución de la temperatura del aire en las proximidades de los componentes debido a la velocidad de flujo mayor de aire.

EJEMPLO 15-12 El enfriamiento de un PCB en una caja por convección natural Un PCB de 15 cm × 20-cm tiene componentes electrónicos en un lado, disipando un total de 7 W, como se muestra en la figura. 15-42. El PCB está montado en un bastidor verticalmente junto con otros PCB. Si la temperatura de la superficie de los componentes no es superior a 100 ° C, determinar la temperatura máxima del medio ambiente en el que este PCB puede funcionar con seguridad a nivel del mar. ¿Cuál sería su respuesta si este bastidor se encuentra en una ubicación a 4000 m de altitud donde la presión atmosférica es de 61,66 kPa? SOLUCIÓN La temperatura de la superficie de un PCB no debe exceder de 100 ° C. Las temperaturas máximas de entorno para operación de seguridad en el nivel del mar y en 4000 m de altitud se han de determinar.

SUPOCICIONES 1 Existen condiciones de funcionamiento estable. 2 La transferencia de calor por radiación es despreciable ya que el PCB está rodeado de otros PCB más o menos a la misma temperatura. 3 La transferencia de calor desde la superficie posterior de la PCB será muy pequeña y por lo tanto insignificante. ANALISIS Toda la carga de calor de la PCB se disipa al aire ambiente por convección natural desde su superficie frontal, que puede ser entendido como una placa plana vertical. El uso de la relación simplificada de una superficie vertical de la Tabla 15-1, el coeficiente de transferencia de calor por convección natural para este PCB se puede determinar a partir de:

La longitud característica en este caso es la altura (L=0,15 m) de la PCB, que es la longitud en la trayectoria del flujo de calor. No podemos determinar h conv todavía, ya que no sabemos la temperatura ambiente y por lo tanto ∆T. Pero podemos sustituir esta relación en la relación de transferencia de calor para obtener:

El área de superficie de transferencia de calor de la PCB es:

Sustituyendo esta y otras cantidades conocidas en unidades apropiadas (W para Q ̇, °C para T, m2 para As, y m para L) en esta ecuación y despejando rendimientos T fluid:

Por lo tanto, la PCB funcionará con seguridad en entornos con temperaturas de hasta 59,5 º C basándose únicamente en la convección natural. A una altitud de 4000 m, la presión atmosférica es 61,66 kPa, que es equivalente a:

El coeficiente de transferencia de calor en este caso se obtiene multiplicando el valor a nivel del mar por √𝑃 donde P está en atm. Sustituyendo:

Que es de unos 10 ° C más baja que el valor obtenido en 1 atm de presión. Por lo tanto, el efecto de la altitud en la convección debe considerarse en aplicaciones de alta altitud. 15-8 Refrigeración por aire: convección forzada Se mencionó anteriormente que la transferencia de calor por convección entre una superficie sólida y un fluido es proporcional a la velocidad del fluido. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor es la tasa de flujo y la más alta es la tasa de transferencia de calor. Las velocidades de fluido asociados con las corrientes de convección naturales son naturalmente bajas, y por lo tanto el enfriamiento por convección natural es limitado a los sistemas electrónicos de baja potencia. Cuando el enfriamiento por convección natural no es adecuado, simplemente se añade un ventilador y sople aire a través del recinto que alberga los componentes electrónicos. En otras palabras, se recurre a la convección forzada con el fin de mejorar la velocidad y por lo tanto la velocidad de flujo del fluido, así como la transferencia de calor. Al hacerlo, podemos aumentar el coeficiente de transferencia de calor en un factor de hasta aproximadamente 10, dependiendo del tamaño del ventilador. Esto significa que podemos eliminar el calor a tasas mucho más altas para una diferencia de temperatura especificada entre los componentes y el aire, o se puede reducir la temperatura de la superficie de los componentes de forma considerable para una disipación de potencia especificada. La transferencia de calor por radiación en los sistemas electrónicos de convección forzadaenfriado es por lo general ignorada por dos razones. En primer lugar, la transferencia de calor por convección forzada es generalmente mucho mayor que la debida a la radiación, y la consideración de la radiación no causa ningún cambio significativo en los resultados. En segundo lugar, los componentes electrónicos y tarjetas de circuitos en sistemas de refrigeración por convección se montan tan cerca uno del otro que un componente está casi completamente rodeado por otros componentes aproximadamente a la misma temperatura alta. Es decir, los componentes tienen casi ninguna visión directa de una superficie más fría. Esto da como resultado poca o ninguna transferencia de calor por radiación desde los componentes. Los componentes cerca de los bordes de las placas de circuitos con una gran vista de una superficie más fría pueden beneficiarse tanto de la refrigeración adicional por la radiación, y es una buena práctica de diseño de reservar esos puntos para componentes de alta potencia para tener un sistema térmicamente equilibrado. Cuando la transferencia de calor desde la superficie exterior de la carcasa del equipo electrónico es insignificante, la cantidad de calor absorbido por el aire se hace igual a la

cantidad de calor rechazado (o potencia disipada) por los componentes electrónicos en el gabinete, y se puede expresar como (Fig. 15-43):

Donde 𝑄̇ es la tasa de transferencia de calor del aire; Cp es el calor específico del aire; Tin y Tout son las temperaturas medias del aire en la entrada y salida del recinto, respectivamente; y 𝑚̇ es la tasa de flujo másico de aire. Tenga en cuenta que para una tasa de flujo másico especificado y la disipación de energía, el aumento de la temperatura del aire, Tout = Tin, permanece constante a medida que fluye a través del recinto. Por lo tanto, cuanto mayor sea la temperatura de entrada del aire, mayor será la temperatura de salida, y por lo tanto cuanto mayor es la temperatura de la superficie de los componentes. Se considera una buena práctica de diseño para limitar el aumento de temperatura de aire a 10 ° C y la temperatura máxima de la salida de aire a 70 ° C. En un sistema forzado de aire refrigerado adecuadamente diseñado, esto se traduce en una temperatura máxima de la superficie de componentes de bajo 100 ° C. La tasa de flujo másico del aire necesario para la refrigeración de una caja electrónica depende de la temperatura de aire disponible para la refrigeración. En ambientes fríos, tales como una sala con aire acondicionado, una velocidad de flujo menor será la adecuada. Sin embargo, en ambientes calurosos, es posible que necesitemos utilizar una velocidad de flujo mayor para evitar el sobrecalentamiento de los componentes y los problemas potenciales asociados.

El flujo interno a través de un tubo y flujo externo circular sobre ella.

En funcionamiento constante, el calor absorbido por el aire por unidad de tiempo a medida que fluye a través de una caja electrónica es igual a la potencia consumida por los componentes electrónicos en la caja.

La convección forzada se trata en detalle en un capítulo aparte. Para aquellos que se saltó ese capítulo debido a limitaciones de tiempo, aquí se presenta una breve revisión de los conceptos y relaciones básicas. El flujo de fluido sobre un cuerpo tal como un transistor se llama flujo externo, y el flujo a través de un espacio cerrado, como en el interior de un tubo oa través de la zona de paso paralelo entre dos placas de circuito en un recinto que se llama flujo interno (Fig. 15-44). Se encuentran Ambos tipos de flujo en un sistema electrónico típico. El flujo de fluido también se clasifica como laminar (liso y aerodinámico) o turbulento (corrientes parásitas intensos y movimiento aleatorio de trozos de líquidos). Numerosos estudios experimentales han demostrado que la turbulencia tiende a ocurrir a velocidades mayores, durante el flujo a través de cuerpos más grandes o fluir a través de los canales más grandes, y con líquidos que tienen viscosidades más pequeñas.

Estos efectos se combinan en el número de Reynolds adimensional, que se define como

V= Velocidad de la (velocidad libre corriente de fluido para el flujo externo y medio velocidad de flujo interno), m / s Lc= Longitud característica de la geometría (la longitud que el fluido fluye sobre en flujo externo, y el diámetro equivalente en flujo interno), M Viscosidad cinemática del fluido, m2 / s El número de Reynolds en el cual el flujo cambia de laminar a turbulento es llamado el número de Reynolds crítico, cuyo valor es 2,300 para el flujo interno, 500.000 para el flujo sobre una placa plana, y 200.000 para el flujo sobre un cilindro o esfera.

El diámetro equivalente (o hidráulico) para el flujo interno se define como

Donde Ac es el área de sección transversal del paso de flujo y P es el perímetro. Tenga en cuenta que para un tubo circular, el diámetro hidráulico es equivalente a la ordinaria de diámetro. La transferencia de calor por convección se expresa por la ley de enfriamiento de Newton como Donde H= Promedio de coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2 · º C As= Superficie de transferencia de calor, m2 Ts= La temperatura de la superficie, ° C Tfluido= Temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie externa para fluir, y la temperatura promedio del fluido en una ubicación especificada en flujo interno, ° C Cuando la carga de calor se distribuye uniformemente sobre las superficies con una constante flujo de calor q ·, la tasa total de transferencia de calor también se puede expresar como: En el flujo totalmente desarrollado a través de una tubería o conducto (es decir, cuando los efectos de entrada son insignificantes) sometido a flujo de calor constante en las superficies, la convección coeficiente de transferencia de calor h se mantiene constante. En este caso, tanto la

temperatura de la superficie Ts y la temperatura del fluido Tfluido aumentan de forma lineal, como se muestra en la figura. 15-45, pero la diferencia entre ellos, Ts-- Tfluido, restos constante. A continuación, el aumento de la temperatura de la superficie por encima de la temperatura del fluido puede ser determinado a partir de la ecuación. 15-20 está por

Tenga en cuenta que el aumento de la temperatura de la superficie es inversamente proporcional a la convección coeficiente de transferencia de calor. Por lo tanto, cuanto mayor es el coeficiente de convección , más baja es la temperatura de la superficie de los componentes electrónicos. Cuando se conoce la temperatura de salida del fluido, Tout,, la superficie más alta temperatura que se producirá al final del canal de flujo se puede determinar de la ecuación.

15-21 está por

Si esta temperatura está dentro del rango seguro, entonces no tenemos que preocuparnos por temperaturas en otros lugares. Pero si no es así, puede ser necesario utilizar un mayor ventilador para aumentar la velocidad de flujo del fluido. En el análisis de la convección, el calor de convección coeficiente de transferencia h suele ser expresado en términos de la dimensión de Nusselt número Nu como

Bajo condiciones de flujo de calor constante, la superficie y la temperatura del fluido aumentan de forma lineal, pero su diferencia permanece constante en la región plenamente desarrollada.

donde k es la conductividad térmica del fluido y D es la característica longitud de la geometría. Relaciones para el número de Nusselt promedio basado en los datos experimentales se dan en la Tabla 15-2 para el flujo externo y en la Tabla 15-3 para laminar (2300 Re) flujo interno en una condición de flujo de calor uniforme, que está estrechamente aproximarse por el equipo electrónico. Para flujo turbulento (Re 10.000) a través de tubos lisos y canales, el número de Nusselt puede ser determinado a partir de la correlación Dittus-Boelter,

Para cualquier geometría . Aquí Pr es el número de Prandtl sin dimensiones, y su valor es de aproximadamente 0,7 para el aire a temperatura ambiente. Las propiedades de los fluidos en las relaciones anteriores se han de evaluar en el media Tmed temperatura del fluido a granel Tavg=1/2 ( Tin + Tout ) para el flujo interno , que es la media aritmética de las temperaturas medias del fluido en la entrada y la salida del tubo , y a la temperatura Tfilm =1/2 ( Ts + Tfluido ) para el flujo externo ,que es la media aritmética de la temperatura de la superficie y el libre flujo de temperatura del fluido . Las relaciones de la Tabla 15-3 para el flujo interno asumen flujo totalmente desarrollado sobre la sección de paso entero, y no tener en cuenta la mejora de la transferencia de calor efectos de la región de desarrollo a la entrada. Por lo tanto, los resultados obtenidos a partir de estas relaciones están en el lado conservador. No nos importa este mucho, sin embargo , puesto que es práctica común en el diseño de ingeniería para tener cierto margen de seguridad para caer de nuevo a "por si acaso ", siempre y cuando ello no suponga en un sistema extremadamente mal diseñado . También, a veces puede ser necesario hacer algunos análisis locales para componentes críticos con superficies pequeñas para asegurar fiabilidad y para incorporar soluciones a los problemas locales, tales como la fijación de calor hunde a los componentes de alta potencia. Tabla 15-2 Correlaciones empíricas para el número de Nusselt promedio para convección forzada sobre una placa plana y cilindros circulares y no circulares en flujo cruzado

Tabla15-3 Número de Nusselt de totalmente desarrollado flujo laminar en tubos circulares y canales rectangulares

Selección de ventilador El aire puede ser suministrado a los equipos electrónicos por uno o varios ventiladores. Aunque el aire es libre y abundante, los fans no lo son. Por lo tanto, algunas palabras sobre la selección del ventilador están en orden. Un ventilador a una velocidad fija (o rpm fijo) entregará un volumen fijo de aire sin tener en cuenta de la altitud y la presión. Pero la tasa de flujo de masa de aire será menor a alta altitud como resultado de la menor densidad del aire. Por ejemplo, la presión atmosférica del aire baja en más de un 50 por ciento a una altitud de 6.000 m de su valor a nivel del mar. Esto significa que el ventilador suministrará un medio de masa de aire tanto a esta altitud al mismo rpm y la temperatura, y por lo tanto el aumento de la temperatura de refrigeración por aire se duplicará. Esto puede crear serios problemas de fiabilidad y catastróficas fallas de equipos electrónicos si no se toman las precauciones adecuadas. Ventiladores de velocidad variable que aumentan automáticamente la velocidad cuando la densidad del aire disminuye están disponibles para evitar este tipo de problemas. Sistemas

electrónicos caros son generalmente equipados con interruptores de corte térmico para evitar el sobrecalentamiento debido a insuficiente tasa de flujo de aire o el fallo del ventilador de refrigeración. Los aficionados se basan no sólo en el aire de refrigeración, sino también todo tipo de contaminantes que son presentes en el aire, tales como pelusa , polvo, humedad , e incluso aceite. Si desatendida, estos contaminantes pueden acumularse en los componentes y tapan los estrechos pasillos, causando el recalentamiento. Hay que recordar que el polvo que se deposita sobre los componentes electrónicos actúa como una capa de aislamiento que hace que sea muy difícil para el calor generado en el componente de escapar. Para reducir al mínimo la contaminación problema, se utilizan comúnmente los filtros de aire. Es una buena práctica utilizar el más grande del filtro de aire práctico para reducir al mínimo la caída de presión de aire y para maximizar la capacidad de polvo. A menudo surge la pregunta sobre si se debe colocar el ventilador en la entrada o la salida de una caja electrónica. La ubicación preferida generalmente es el de entrada. Un ventilador colocado en la entrada de aire en sorteos y presuriza la caja electrónica y evita la infiltración de aire dentro de la caja de grietas u otras aberturas. Tener un solo lugar para entrada de aire hace que sea práctico instalar un filtro en la entrada para limpiar el aire de todo el polvo y la suciedad antes de entrar en la caja. Esto permite que la electrónica sistema para operar en un ambiente limpio. También, un ventilador colocado en la entrada maneja el aire más frío y más denso de este modo, lo que resulta en una tasa de flujo de masa mayor para la tasa de flujo mismo volumen o rpm . Como el ventilador está siempre sometido a enfriar aire, esto tiene el beneficio añadido de que se aumentó la fiabilidad y se extiende la vida del ventilador. La desventaja principal asociada con tener un ventilador montado en la entrada es que el calor generado por el ventilador y su motor es recogido por el aire en su camino en la caja, que se suma a la carga de calor del sistema. Cuando el ventilador se coloca en la salida, el calor generado por el ventilador y su motor Es inmediatamente desechada a la atmósfera sin ser volado por primera vez en la caja electrónica. Sin embargo, un ventilador en la salida crea un vacío dentro de la caja, que atrae aire a la caja a través de respiraderos de entrada, así como las grietas y aberturas (Fig. 15-46 ). Por lo tanto, el aire es difícil de filtrar, y la suciedad y de polvo que se acumulan en los componentes socavar la fiabilidad del sistema. Hay varios tipos de ventiladores disponibles en el mercado para la refrigeración electrónica equipos, y la elección correcta depende de la situación en la mano . Hay dos consideraciones principales en la selección del ventilador: la cabeza de presión estática del sistema, que es la resistencia total de un sistema electrónico ofrece al aire como que pasa a través de , y la tasa de flujo de volumen del aire . Los ventiladores axiales son simples, pequeño, ligero y de bajo costo , y pueden ofrecer un gran caudal .

Sin embargo , son convenientes para los sistemas con relativamente pequeñas cabezas de presión. Además, axial los ventiladores que generalmente se ejecuta a velocidades muy altas , y por lo tanto son ruidosos . La radial o ventiladores centrífugos , por otro lado , pueden entregar caudales moderados a los sistemas con cabezales de presión alta estáticos a velocidades relativamente bajas. Pero ellos son más grandes, más pesado, más complejo y más caro que los ventiladores axiales . El rendimiento de un ventilador está representada por un conjunto de curvas de la característica de llamada curvas, que son proporcionados por los fabricantes de ventiladores para ayudar a los ingenieros con la selección de los aficionados. Una curva de carga de presión estática típica de un ventilador es dada en la figura. 15-47 junto con una curva de resistencia de flujo del sistema típico trazado en contra de la velocidad de flujo de aire. Tenga en cuenta que un ventilador crea la presión más alta dirigirse a caudal cero. Esto corresponde al caso de limitación de salida bloqueado rejillas de ventilación del recinto. Los aumentos de las tasas de flujo con la disminución de la carga estática y alcanza su valor máximo cuando el ventilador no encuentra resistencia de flujo. Por ejemplo, la presión atmosférica del aire baja en más de un 50 por ciento de su valor a una altitud de 6.000 m al valor que tiene al nivel del mar. Esto significa que el ventilador suministrará un medio de masa de aire esta altitud, a las mismas rpm y temperatura, y por lo tanto el aumento de la temperatura de enfriamiento por aire se duplicará. Esto puede crear serios problemas de fiabilidad y fallas catastróficas de los equipos electrónicos si no se toman las precauciones adecuadas. Ventiladores de velocidades variables que aumentan automáticamente la velocidad cuando disminuye la densidad del aire están disponibles para evitar tales problemas. Los sistemas electrónicos equipados con interruptores de corte térmico para evitar el sobrecalentamiento debido a la tasa de flujo de aire inadecuado o la falla del ventilador para el enfriamiento generalmente son caros. Los ventiladores utilizados, se basan no sólo en el aire de enfriamiento, sino también todo tipo de contaminantes que están presentes en el aire, tales como pelusa, polvo, humedad, e incluso aceite. Si no son removidos, estos contaminantes pueden acumularse en los componentes y tapan los estrechos pasillos, causando el recalentamiento. Hay que recordar que el polvo que se deposita sobre los componentes electrónicos actúa como una capa de aislamiento que hace que sea muy difícil escapar para el calor generado en el componente. Para minimizar el problema de la contaminación, se utilizan comúnmente los filtros de aire. Es una buena práctica utilizar el más grande filtro para reducir al mínimo la caída de presión de aire y para maximizar la capacidad de captación de polvo. A menudo surge la pregunta sobre si se debe colocar el ventilador en la entrada o la salida de una caja de electrónica . La ubicación preferida generalmente es el de entrada . Un ventilador colocado en la entrada de aire presuriza la caja de electrónica y evita la infiltración de aire dentro de ella por medio de grietas u otras aberturas . Tener una única ubicación para la entrada de aire hace que sea práctico instalar un filtro en la entrada para limpiar el aire de todo el polvo y la suciedad antes de entrar en la caja. Esto permite que el sistema electrónico opere en un ambiente limpio. También , un ventilador colocado en la

entrada maneja el aire más frío y más denso, de este modo, se produce una tasa de flujo de masa mayor para el mismo volumen o rpm . Como el ventilador está siempre enfriando aire, se tiene el beneficio añadido de que se aumentó la confiabilidad y se extiende la vida del ventilador . La desventaja principal asociada con tener un ventilador montado en la entrada es que el calor generado por el ventilador y su motor es recogido por el aire en su camino hacia la caja, que se suma a la carga de calor del sistema. Cuando el ventilador se coloca en la salida, el calor generado por el ventilador y su motor se desecha inmediatamente a la atmósfera sin ser soplado dentro de la caja de electrónica. Sin embargo, un ventilador en la salida crea un vacío dentro de la caja, que atrae aire a la caja a través de respiraderos de entrada, así como las grietas y aberturas (Figura 15-46). Por lo tanto, el aire es difícil de filtrar, y la suciedad y polvo que se acumulan en los componentes socavan la confiabilidad del sistema.

FIGURA 15-46 Un ventilador colocado en la salida de una caja electrónica extrae el aire, así como los contaminantes en el aire a través de las grietas.

Hay varios tipos de ventiladores disponibles en el mercado para enfriamiento de equipos de electrónica , y la elección correcta depende de la situación. Hay dos consideraciones principales en la selección del ventilador: la cabeza de presión estática del sistema, que es la resistencia total que un sistema electrónico ofrece al aire que pasa a través de él, y la tasa de flujo de volumen del aire. Los ventiladores axiales son simples, pequeños, ligeros y de bajo costo, y pueden ofrecer un gran caudal. Sin embargo, son convenientes para los sistemas con cabezas de presión relativamente pequeñas. Además, existen ventiladores axiales que generalmente se ejecutan a velocidades muy altas, y por lo tanto son ruidosos. Los ventiladores radiales o ventiladores centrífugos, pueden entregar caudales moderados a los sistemas con cabezales de presión alta, estáticos a velocidades relativamente bajas. Pero ellos son más grandes, más pesado, más complejo y más caro que los ventiladores axiales.

El rendimiento de un ventilador está representado por un conjunto de curvas llamado: curvas características, que son proporcionados por fabricantes de ventiladores para ayudar a los ingenieros con la selección de ventiladores. El rendimiento de un ventilador está representado por un conjunto de curvas llamadas curvas características, que son proporcionados por los fabricantes de ventiladores para ayudar a los ingenieros con la selección de ventiladores. La curva de carga de presión estática típica de un La tasa de flujo de aire de un ventilador ventilador es dada en la figura. 15-47 junto con una que entrega a una caja electrónica curva de resistencia al flujo de un sistema típico depende de la resistencia al flujo de dicho sistema, así como la variación de la presión trazado en contra de la velocidad de flujo de aire. estática del ventilador con velocidad de flujo. Tenga en cuenta que un ventilador crea la carga de presión más alta a una velocidad de flujo cero. Esto corresponde el caso límite de que las rejillas de salida de ventilación del recinto estén bloqueadas. La velocidad del flujo aumenta con la disminución de la carga estática y alcanza su valor máximo cuando el ventilador no encuentra resistencia al flujo. Cualquier caja de la electrónica ofrecerá cierta resistencia a fluir. La resistencia del sistema es una curva en forma parabólica, y la presión o pérdida de carga debido a esta resistencia es casi proporcional al cuadrado de la velocidad de flujo. El ventilador debe superar esta resistencia para mantener el flujo a través del recinto. El diseño de un sistema de refrigeración por convección forzada requiere la determinación de la curva característica de la resistencia total del sistema. Esta curva puede ser generada exactamente mediante la medición de la caída de presión estática a diferentes caudales. Esta también puede ser determinada aproximadamente mediante la evaluación de las caídas de presión. Un ventilador operará en el punto donde la curva de carga estática del ventilador y la curva de resistencia del sistema se intersectan. Tenga que un ventilador entregará un caudal mayor a un sistema con una baja resistencia al flujo. La tasa de flujo de aire necesario para un sistema puede determinarse a partir de los requisitos de transferencia de calor solamente, utilizando la carga de calor de diseño del sistema y el aumento de la temperatura admisible del aire. Entonces la resistencia del flujo del sistema en este caudal puede ser determinado analíticamente o experimentalmente. Conociendo la velocidad de flujo y la cabeza de presión necesaria, es fácil para seleccionar un ventilador de los catálogos de los fabricantes que satisfagan ambos requisitos. A continuación se presentan algunas pautas generales asociadas con la refrigeración por aire forzado de los sistemas electrónicos. 1. Antes de decidir sobre la refrigeración por aire forzado, compruebe si el enfriamiento por convección natural es adecuado. Si lo es, puede ser el caso de sistemas de baja potencia, incorporarlo y evitar todos los problemas asociados con

2.

3.

4.

5.

6.

7. 8.

los ventiladores tales como el coste, el consumo de energía, el ruido, la complejidad, el mantenimiento, y posible fracaso. Seleccionar un ventilador que no es ni demasiado pequeño ni demasiado grande. Un ventilador de tamaño insuficiente puede hacer que el sistema electrónico se recaliente y falle. Un ventilador de gran tamaño sin duda proporcionará una enfriamiento adecuado, pero lo hará sin necesidad de ser más grande y más caro y consumirá más energía. Si el aumento de temperatura del aire debido a la potencia consumida por el motor del Instalación del ventilador en la entrada ventilador es aceptable, monte el ventilador mantiene fuera la suciedad y el polvo, pero el calor generado por el motor del en la entrada de la caja para presurizar la caja ventilador dentro. y filtrar el aire para mantener fuera la suciedad y el polvo (Fig. 15-48). La Posición y el tamaño de la salida de aire de los respiraderos de modo que haya flujo de aire adecuado a lo largo de toda la caja. Más aire puede ser dirigido a una cierta área ampliando el tamaño de la rejilla de ventilación en esa área. La salida total de áreas deben ser al menos tan grande como el área de flujo de entrada para evitar la asfixia del flujo de aire, lo que puede resultar en una tasa de flujo de aire reducida. Coloque los componentes electrónicos más importantes, cerca de la entrada, donde el aire es más fresco. Coloque los componentes no críticos que consumen una gran cantidad de potencia cerca de la salida (Fig. 15-49). Organizar las tarjetas de circuitos y los componentes electrónicos en la caja de tal manera que la resistencia de la caja al flujo de aire se reduzca al mínimo y por lo tanto la velocidad de flujo de aire a través de la caja se maximiza para la misma velocidad del ventilador. Asegúrese de que no queden bolsas de aire caliente se forman durante la operación. Considere el efecto de la altitud en aplicaciones a gran altitud. Trate de evitar cualquier sección de flujo que aumente la resistencia al flujo de los sistemas, tales como esquinas innecesarias, curvas cerradas, expansiones y contracciones súbitas, y velocidades muy altas (mayores que 7 m / seg), ya que la resistencia al flujo es casi proporcional a la velocidad del flujo. Además, evite las velocidades muy bajas ya que esto resulta en un pobre rendimiento de la transferencia de calor y permite que la suciedad y el polvo en el aire se establezcan en los componentes.

9. Organizar el sistema de tal forma que la convección natural ayude convección forzada en vez de afectarla. Por ejemplo, montar los PCBs (tarjetas de circuito impreso) verticalmente y soplar el aire desde la parte inferior hacia la parte superior en lugar de al revés. 10. Cuando el diseño requiere el uso de dos o más ventiladores, se necesita decidir sobre el montaje de los ventiladores en paralelo o en serie. Los ventiladores montados en serie impulsarán la carga de presión disponible y son los más adecuados para los sistemas con una alta resistencia al flujo. Los ventiladores conectados en paralelo aumentarán la velocidad de flujo de aire y son los más adecuados para los sistemas con pequeña resistencia del flujo. Enfriamiento De Ordenadores Personales La introducción del chip 4004, el primer microprocesador para fines generales, por Intel Corporation en la década de 1970 marcó el inicio de la era electrónica en los artículos de consumo, desde calculadoras y lavadoras a computadoras personales. El microprocesador, que es el "cerebro" del personales ordenador, es básicamente un paquete de LSE de tipo Los componentes sensibles deben estar ubicados cerca de los DIP que incorpora una componentes de entrada y los de unidad central de alta potencia cerca de la salida. procesamiento (CPU), la memoria, y algunas capacidades de entrada / salida. Una computadora personal de escritorio con monitor y teclado. Una típica computadora personal de escritorio consiste en un par de placas de circuito conectado a una placa madre, que alberga el microprocesador y los chips de memoria, así como la red de interconexiones cerrados en un formado chasis de metal de hoja, que también alberga el disco y las unidades de CD-ROM y DVD. Conectado a esta caja "magia" están el monitor, un teclado, una impresora, y otros equipos auxiliares (Fig. 15-50). Los PCB se montan normalmente verticalmente en un tablero de madre, ya que esto facilita un mejor enfriamiento. Un ventilador pequeño y tranquilo se monta en la parte trasera o lateral del chasis para enfriar los componentes electrónicos. También hay rejillas y aberturas de las superficies laterales para facilitar la circulación del aire. Tales aberturas no se colocan en la superficie superior, ya que muchos usuarios podrían bloquearlas por los libros que ponen u otras cosas allí, que pongan en peligro la seguridad, y un derrame de café o refrescos pueden causar daños importantes en el sistema.

EJEMPLO 15-13 Enfriamiento por aire forzado de un PCB Hollow-Core Algunas especificaciones estrictas de equipos electrónicos requieren que el aire de enfriamiento no entre en contacto directo con los componentes electrónicos, con el fin de protegerlos de la exposición a los contaminantes en el aire. En tales casos, el calor generado en los componentes en una PCB debe ser conducido un largo camino por las paredes de la carcasa a través una tira de núcleo de metal o un marco de calor conectado a la PCB. Una solución alternativa es el PCB de núcleo hueco, que es básicamente un conducto estrecho de sección transversal rectangular de tablero de vidrio-epoxi delgada con componentes electrónicos montado en ambos lados, como se muestra en la figura. 15-51. El calor generado en los componentes es conducido al núcleo hueco a través de una fina capa de tablero de epoxi y se eliminó entonces por el aire enfriamiento que fluye a través del núcleo. El sellado efectivo se proporciona para evitar fugas de aire en la cámara del componente. Considere la posibilidad de un PCB de núcleo hueco 12 cm de alto y 18 cm de largo, disipando un total de 40 W. La anchura del hueco de aire entre los dos lados del PCB es de 0,3 cm. El aire de enfriamiento entra en el núcleo a 20 ° C a una velocidad de 0,72 L/s. Suponiendo que el calor generado se distribuya de manera uniforme sobre las dos superficies laterales de la PCB, determinar a) la temperatura a la que el aire sale del núcleo hueco y b) la temperatura más alta en la superficie interior del núcleo. SOLUCIÓN Una PCB de núcleo hueco es enfriada por aire forzado. La temperatura de salida del aire y la temperatura de la superficie máxima que deben determinarse. SUPOCICIONES 1 Existen condiciones de funcionamiento estable. 2 Las superficies interiores del conducto son lisas. 3 El aire es un gas ideal. 4 La operación está a nivel del mar y por lo tanto la presión atmosférica es 1 atm. 5 Todo el calor generado en los componentes electrónicos se elimina por el aire que fluye a través del núcleo hueco. El PCB de núcleo hueco

PROPIEDADES La temperatura del aire varía a medida discutido en el ejemplo 15-13. que fluye a través del núcleo, y así hacen sus propiedades. Vamos a realizar los cálculos utilizando valores de las propiedades a 40 ° C de la Tabla A-15 ya que el aire entra a 20 ° C y su temperatura aumentará.

Después se calcula la temperatura de salida del aire, podemos repetir los cálculos, si es necesario, utilizando las propiedades de la temperatura media.

ANALISIS El área de sección transversal del canal y su diámetro hidráulico son:

Height= altura; Width= anchura.

La velocidad media y la velocidad de flujo de másico del aire son:

(a) La temperatura del aire a la salida del núcleo hueco puede ser determinada a partir de:

Despejando Tout y sustituyendo los valores dados, obtenemos:

La temperatura media del aire es de (20 + 69) / 2= 44,5 ° C, la cual es suficientemente cerca del valor supuesto de 40 ° C. Por lo tanto, no hay necesidad de repetir los cálculos. (b) La temperatura de la superficie de la canal en cualquier ubicación puede determinarse a partir de:

Donde el área de superficie de transferencia de calor es:

Para determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección, primero tenemos que calcular el número de Reynolds:

Por lo tanto, el flujo es laminar, y, suponiendo flujo totalmente desarrollado, el número de Nusselt para el flujo de aire en esta sección transversal rectangular correspondiente a la relación de aspecto a/b= (12 cm)/(0.3 cm) = 40 ≈  se determina a partir de la Tabla 15-3 para ser:

Y por lo tanto:

Entonces la temperatura de la superficie del núcleo hueco cerca de la salida se convierte en:

DISCUCIÓN Tenga en cuenta que la diferencia de temperatura entre la superficie y el aire a la salida del núcleo hueco es 24,7 ° C. Esta diferencia de temperatura entre el aire y la superficie se mantiene en ese valor en todo el núcleo, ya que el calor generado en las superficies laterales Esquema para el Ejemplo es uniforme y el coeficiente de transferencia de calor por 15-14. convección es constante. Por lo tanto, la temperatura de la superficie del núcleo en la entrada será de 20° C + 24.7° C = 44.7° C. En realidad, sin embargo, esta temperatura será algo menor debido a los efectos de entrada, que afectan transferencia de calor favorable. La suposición de flujo totalmente desarrollado da resultados un tanto conservadores pero se usa comúnmente en la práctica, ya que proporciona una simplificación considerable en los cálculos. EJEMPLO 15-14 Enfriamiento por aire forzado de un transistor Montado sobre un PCB Un transistor TO 71 con una altura de 0,53 cm y un diámetro de 0,44 cm está montado en una placa de circuito, como se muestra en la figura. 15-52. El transistor es enfriado por el aire que fluye sobre él a una velocidad de 90 m / min. Si la temperatura del aire es de 65 ° C y la temperatura de la carcasa del transistor no debe exceder de 95 ° C, determinar la cantidad de energía que este transistor puede disipar de manera segura.

SOLUCIÓN Un transistor montado en una placa de circuito es enfriado por el aire que fluye sobre ella. La potencia disipada cuando su temperatura es 90 ° C se va a determinar. SUPOCICIONES 1 Existen condiciones de funcionamiento estable. 2 El aire es un gas ideal. 3 La operación está a nivel del mar y por lo tanto la presión atmosférica es de 1 atm. PROPIEDADES Las propiedades del aire a 1 atm de presión y la temperatura de la película de Tf = (Ts + Tfluid)/2 = (95 + 65)/2 = 80° C son:

ANALISIS El transistor se enfría por convección forzada a través de su superficie cilíndrica, así como sus superficies superior e inferior planas. La longitud característica para el flujo sobre un cilindro es el diámetro D= 0,0044 m. Entonces el número de Reynolds se convierte en

Que cae en el rango de 40 a 4000. Usando la relación correspondiente de la Tabla 15-2 para el número de Nusselt, obtenemos:

Y

También Entonces, la tasa de transferencia de calor desde la superficie cilíndrica se convierte:

Ahora repetimos los cálculos de las superficies superior e inferior del transistor, que pueden ser tratadas como placas planas de longitud L= 0,0044 m en la dirección del flujo (que es el diámetro), y, usando la relación apropiada de la Tabla 15-2.

Y

También

Por lo tanto, la tasa total de calor que se puede disipar de todas las superficies del transistor es:

Que parece ser bajo. Este valor puede ser aumentado considerablemente uniendo un disipador de calor para el transistor para mejorar el área de superficie de transferencia de calor y por lo tanto la transferencia de calor, o mediante el aumento de la velocidad del aire, lo que aumentará el coeficiente de transferencia de calor. EJEMPLO 15-15 La elección de un ventilador para enfriar una computadora La computadora de escritorio se muestra en la figura. 15-53 es para ser enfriado por un ventilador. El sistema electrónico de la computadora consume 75 W de potencia en condiciones de plena carga. El ordenador tiene que funcionar en entornos con temperaturas de hasta 40 ° C y en elevaciones de hasta 2.000 m, donde la presión atmosférica es de 79,50 kPa. La temperatura de salida del aire no debe exceder de 70 ° C para cumplir con los requisitos de confiabilidad. Además, la velocidad promedio del aire no debe exceder de 75 m/min a la salida de la carcasa del ordenador, donde se instala el ventilador, para mantener el nivel de ruido. Determinar la velocidad de flujo del ventilador que necesita ser instalado y el diámetro de la carcasa del ventilador. SOLUCIÓN Un equipo de escritorio debe ser enfriado por un ventilador con seguridad en ambientes calientes y altas elevaciones. La tasa de flujo de aire del ventilador y el diámetro de la carcasa se han de determinar. SUPOCICIONES 1 Se considera el funcionamiento estable bajo las peores condiciones. 2 El aire es un gas ideal. PROPIEDADES El calor específico del aire a la temperatura media de (40+ 70) / 2 = 55 ° C es de 1.007 J / kg · ° C. ANALISIS Tenemos que determinar la velocidad de flujo de aire para el peor de los casos. Por lo tanto, suponemos que la temperatura de entrada de aire es 40 ° C y la presión atmosférica de 79,50 kPa y despreciar cualquier transferencia de calor desde superficies exteriores de la carcasa del ordenador. Tenga en cuenta que cualquier Esquema para el Ejemplo 15-15. pérdida de calor directo de la carcasa del ordenador proporcionará un margen de seguridad en el diseño. Por el aire, la tasa de flujo másico de aire requerida para absorber el calor a una velocidad de 75 W puede ser determinada a partir

Despejando 𝑚̇ y sustituyendo los valores dados, obtenemos:

En el peor de los casos, el ventilador de escape se encargará del aire a 70 ° C. A continuación, la densidad del aire que entra en el ventilador y la tasa de flujo de volumétrico se convierten:

Por lo tanto, el ventilador debe ser capaz de proporcionar una velocidad de flujo de 0.183 m3/min o 6,5 cfm (pies cúbicos por minuto). Tenga en cuenta que si el ventilador se instaló en la entrada en lugar de la salida, entonces tendríamos que determinar la velocidad de flujo utilizando la densidad del aire a la temperatura de entrada de 40 ° C, y que tendríamos que añadir la potencia consumida por el motor del ventilador a la carga de calor de 75 W. El resultado puede ser un ventilador ligeramente menor o mayor, dependiendo de qué efecto domina. Para una velocidad media de 75 m / min, el diámetro del conducto en el que está instalado el ventilador puede determinarse a partir

Despejando D y sustituyendo los valores conocidos, obtenemos

Por lo tanto, un ventilador con un diámetro de carcasa de 17,6 cm y un flujo de 0.183 m3/min cumplirá con los requisitos de diseño. EJEMPLO 15-16 El enfriamiento de una computadora por un ventilador Un equipo enfriado por un ventilador contiene seis PCB, cada uno de disipación de 15 W de potencia, como se muestra en la figura. 15-54. La altura de los PCBs es de 15 cm y la longitud es de 20 cm. El espacio libre entre las puntas de los componentes en el PCB y la superficie posterior de la PCB adyacente es de 0,4 cm. El aire de enfriamiento se suministra por un ventilador de 20-W montado en la entrada. Si el aumento de la temperatura del Esquema para el Ejemplo 15-16.

aire a medida que fluye a través de la carcasa del ordenador no debe exceder los 10 ° C, determine (a) la tasa de flujo del aire que el ventilador tiene que entregar, (b) la fracción de la elevación de la temperatura del aire debido al calor generado por el ventilador y su motor, y (c) la temperatura del aire de entrada permisible más alta si la temperatura de la superficie de los componentes no exceda de 90 ° C en cualquier lugar en el sistema. SOLUCIÓN Un equipo enfriado por un ventilador, y el aumento de la temperatura del aire es limitada a 10 ° C. La tasa de flujo del aire, la fracción de la elevación de la temperatura de aire causado por el ventilador y su motor, y la temperatura máxima de entrada de aire admisible deben ser determinados. SUPOCICIONES 1 Existen condiciones de funcionamiento estable. 2 El aire es un gas ideal. 3 El equipo se encuentra a nivel del mar por lo que la presión atmosférica local es 1 atm. 4 Todo el calor generado por los componentes electrónicos se elimina por el aire que fluye a través de la abertura entre las PCB. 5 Toda la potencia consumida por el motor del ventilador se transfiere como calor hacia el aire de refrigeración. Este es un enfoque conservador ya que el ventilador y su motor se montan generalmente en el chasis del sistema electrónico, y una parte del calor generado en el motor puede llevarse a cabo al chasis a través de los soportes de montaje. PROPIEDADES Utilizamos propiedades del aire a 30 ° C ya que el aire entra a temperatura ambiente, y el aumento de la temperatura del aire se limita a 10 ° C. (Tabla A-15).

ANALISIS Debido a la simetría, consideramos el área de flujo entre los dos únicos PCB adyacentes. Asumimos que el velocidad de flujo de aire a través de los seis canales es idéntico, y que es igual a una sexta parte de la velocidad de flujo total. (a) Tomando nota de que el aumento de temperatura de aire se limita a 10 ° C y que la potencia consumida por el ventilador también es absorbido por el aire, la tasa de flujo másico total de aire a través de la computadora puede determinarse a partir

Despejando 𝑚̇ y sustituyendo los valores dados, obtenemos:

Entonces, la tasa de flujo volumétrico de aire y la velocidad del aire se convierten:

Por lo tanto, el ventilador necesita suministrar aire a una velocidad de 0,563 m3/min, o acerca 20 pies cúbicos por minuto. (b) El aumento de la temperatura del aire debido a la potencia consumida por el motor del ventilador se puede determinar asumiendo todo a 20 W de potencia consumida por el motor para ser transferido al aire en forma de calor:

Por lo tanto, 18% de la elevación de la temperatura del aire es debido al calor generado por el motor del ventilador. Tenga en cuenta que la fracción de la potencia consumida por el ventilador es también 18% del total, como se esperaba. (c) La temperatura de la superficie del canal en cualquier ubicación puede determinarse a partir:

Donde el área de superficie de transferencia de calor es:

Para determinar el coeficiente de transferencia de calor por convección, primero tenemos que calcular el número de Reynolds. El área de sección transversal del canal y su diámetro hidráulico son:

Entonces el número de Reynolds llega a ser:

Por lo tanto, el flujo es laminar, y, suponiendo un flujo totalmente desarrollado, el número de Nusselt para el flujo de aire en esta sección transversal rectangular correspondiente a la relación de aspecto a / b= (15 cm) / (0,4 cm)= 37.5 ≈  se determina a partir Tabla 15-3 y es:

Y por lo tanto:

Sin tener en cuenta los efectos de entrada, la diferencia de temperatura entre la superficie de la PCB y el aire en cualquier lugar a lo largo del canal se determina que es:

Es decir, la temperatura de la superficie de los componentes en el PCB será 18,3 ° C más alta que la temperatura del aire que pasa por él. Las mayores temperaturas del aire y de los componentes se producen a la salida. Por lo tanto, en el caso límite, la temperatura de la superficie del componente a la salida será 90 ° C. La temperatura del aire a la salida en este caso será:

Tomando nota de que el aire experimenta un aumento de temperatura de 10 ° C entre la entrada y la salida, la temperatura de entrada de aire es:

Esta es la temperatura de entrada de aire más alta permisible si la temperatura de la superficie de los componentes no es superior a 90 ° C en cualquier lugar en el sistema. Cabe señalar que el análisis presentado anteriormente es aproximado, ya hemos hecho algunos supuestos simplificadores. Sin embargo, la exactitud de los resultados obtenidos es generalmente adecuada para los propósitos de ingeniería. ENFRIAMIENTO LÍQUIDO Los líquidos tienen normalmente muchas más altas conductividades térmicas que los gases, y los coeficientes de transferencia de calor por lo tanto mucho más altos asociados con ellos. Por lo tanto, el enfriamiento líquido es mucho más eficaz que el enfriamiento de los

gases. Sin embargo, el enfriamiento por líquido viene con sus propios riesgos y problemas potenciales, tales como fugas, corrosión, peso extra, y la condensación. Por lo tanto, el enfriamiento por líquido se reserva para aplicaciones que implican densidades de potencia que son demasiado altas para la disipación segura por enfriamiento por aire. Sistemas de enfriamiento por líquido se pueden clasificar como sistemas de enfriamiento indirectos y enfriamiento directo. En los sistemas de enfriamiento directos, los componentes electrónicos están en contacto directo con el líquido, y por lo tanto el calor generado en los componentes se transfiere directamente al líquido. En los sistemas de enfriamiento indirecto, sin embargo, no hay contacto directo con los componentes. El calor generado en este caso se transfiere primero a un medio tal como una placa fría antes de que sea arrastrada por el líquido. Sistemas de enfriamiento líquido también se clasifican como sistemas de circuito cerrado y de lazo abierto, dependiendo de si el líquido se desecha o se recircula después de que se calienta. En los sistemas de bucle abierto, el agua del grifo fluye a través del sistema de enfriamiento y se descarta en un desagüe después se calienta. El líquido calentado en sistemas de bucle cerrado se enfría en un intercambiador de calor y se recircula a través del sistema. Sistemas Closedloop facilitar un mejor control de la temperatura, mientras que la conservación del agua. Los componentes electrónicos de los sistemas de enfriamiento directos suelen ser completamente sumergidos en el líquido. La transferencia de calor desde los componentes para el líquido puede ser por convección natural o forzada o de ebullición, dependiendo de los niveles de temperatura implicados y las propiedades de los fluidos. El enfriamiento por Inmersión de dispositivos electrónicos por lo general implica coeficientes muy altos de transferencia de calor de ebullición y, por tanto, como se discute en la siguiente sección. Tenga en cuenta que sólo fluidos dieléctricos se pueden utilizar en inmersión o de enfriamiento líquido directo. Esta limitación excluye inmediatamente del agua de la consideración como un fluido prospectivo en el enfriamiento por inmersión. Fluidos de fluorocarbono tales como FC75 son muy adecuados para el enfriamiento directo y son comúnmente utilizado en tales aplicaciones. Los sistemas líquidos de enfriamiento indirecto de dispositivos electrónicos, funcionan igual que el sistema de refrigeración de un motor de automóvil, donde el agua (en realidad una mezcla de agua y etileno glicol) circula a través de los pasajes alrededor de los cilindros del bloque del motor, que absorbe el calor generado en los cilindros por la combustión. El agua caliente se encamina entonces por la bomba de agua para el radiador, donde es refrigerado por aire soplado a través de las bobinas emisoras por el ventilador de enfriemiento. El agua enfriada, es entonces transferida hacia el motor para transferir más calor. Para apreciar la eficacia del sistema de enfriamiento de un motor de un coche, será suficiente decir que las temperaturas que se encuentran en los cilindros del motor son típicamente mucho más altas que las temperaturas de fusión de los bloques de motor. En un sistema electrónico, el calor se genera en los componentes en lugar de las cámaras de combustión. Los componentes en este caso están montados en una placa metálica, hecha de un material altamente conductor tal como cobre o aluminio. La placa de metal se enfría mediante la circulación de un fluido de refrigeración a través de tubos conectados a él, como se muestra en Fig. 15-55. El líquido calentado se enfría a continuación, en un

intercambiador de calor, por lo general por aire (o agua de mar en aplicaciones marinas), y se recircula por un bombeo a través de los tubos. El tanque de expansión y almacenamiento se adapta a cualquier expansión y contracción del líquido de enfriamiento, debido a las variaciones de temperatura mientras que actúa como un depósito de líquido.

FIGURA 15-55 Esquema de un sistema indirecto de enfriamiento por líquido

Los líquidos utilizados en el enfriamiento de los equipos electrónicos deben cumplir con varios requisitos, dependiendo de la aplicación específica. Las características deseables en líquidos de enfriamiento son: alta conductividad térmica (altos coeficientes de de transferencia de calor), alto calor específico (requiere caudal de masa más pequeña), baja viscosidad (causa una caída de presión menor, y por lo tanto requiere una bomba más pequeña), alta tensión superficial (es menos probable que causen problemas de fugas), alta fuerza dieléctrica (una necesidad en la refrigeración líquida directa), inercia química (no reacciona con superficies con las que entra en contacto), la estabilidad química (no debe descomponerse en condiciones de uso prolongado), no tóxico (seguro de manejar para el personal), baja congelación y puntos de ebullición elevados (se extiende el intervalo de temperatura útil), y bajo costo. Diferentes fluidos pueden ser seleccionados en diferentes aplicaciones debido las distintas prioridades establecidas en el proceso de selección. Los disipadores de calor o placas frías de un recinto electrónico normalmente se enfrían por agua, haciéndola pasar a través de canales realizados a este efecto o a través de tubos conectados a la placa fría. Se puede lograr altas tasas de eliminación de calor mediante la circulación de agua a través de estos canales o tubos. En sistemas de alto rendimiento, se puede utilizar un refrigerante en lugar de agua para mantener la temperatura del disipador de calor en temperaturas bajo cero y por lo tanto reducir proporcionalmente las temperaturas de la unión de los componentes electrónicos. La transferencia de calor y

cálculos de caída de presión en los sistemas de refrigeración líquida se pueden realizar con las relaciones adecuadas. El enfriamiento por líquido se puede utilizar eficazmente para enfriar los grupos de dispositivos electrónicos unidos a una placa en tubo de metal (o disipador de calor), como se muestra en Fig. 15-56.

FIGURA 15-56 Liquido enfriador de paquetes A-3 colocado en la parte superior de la línea de enfriamiento. (Cortesía de Wakefield Engineering.)

Aquí recubrimientos 12 TO-3, cada uno disipando hasta de 150w de potencia, están montados en un disipador de calor equipado con tubos en la parte posterior a través del cual fluye un líquido. La resistencia térmica entre los dispositivos y el líquido se reduce al mínimo en este caso, ya que los dispositivos electrónicos están montados directamente sobre las líneas de enfriamiento. La resistencia térmica de recubrimiento líquido depende de la separación entre los dispositivos, la calidad del contacto térmico entre los dispositivos y la placa, el espesor de la placa, y la tasa de flujo del líquido, entre otras cosas. La “caja” de la resistencia térmica del líquido depende de la separación entre los dispositivos, la calidad del contacto térmico entre los dispositivos y el placa, el espesor de la placa, y la tasa de flujo del líquido, entre otras cosas. La placa metálica en tubo que se muestra es de 15,2 cm X 18 cm X 2,5 cm de tamaño y es capaz de disipar hasta 2 kW de potencia. La red de resistencia térmica de un sistema de refrigeración por líquido se muestra en la fig. 15-57. Las temperaturas de la unión de dispositivos electrónicos basados en silicio son por lo general limitada a 125 ° C. La unión a la caja de un dispositivo de una resistencia térmica está proporcionado por el fabricante. La unión de la caja de la resistencia térmica al líquido puede ser determinado experimentalmente midiendo las temperaturas de la caja y la del líquido, y dividiendo la diferencia por la potencia total disipada. El líquido toair de la resistencia térmica en el intercambiador de calor se puede determinar en formas similares. Es decir:

Donde 𝑇𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜,𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 y 𝑇𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜,ℎ𝑥 son las temperaturas de entrada del líquido al dispositivo electrónico y el intercambiador de calor, respectivamente. El caudal másico requerido del líquido corresponde a un aumento de la temperatura especificada del líquido, ya que fluye a través de los sistemas electrónicos, estos se pueden determinar a partir de la ecuación. 15-17. Los componentes electrónicos montados en placas de metal con refrigeración líquida deben ser proporcionados o montados con un buen contacto térmico con el fin de hacer mínima la resistencia térmica entre los componentes y la placa. La resistencia térmica se puede hacer mínima mediante la aplicación de grasa de silicona o de óxido de berilio para las superficies de contacto y la fijación de los componentes firmemente a la placa de metal. La refrigeración líquida de una placa fría con un gran número de componentes de alta potencia conectados a que se ilustra en el Ejemplo 15-17. Ejemplo 15-17 La refrigeración de los transistores de potencia en una placa fría por agua Una placa fría que soporta 20 transistores de potencia, cada uno disipa 40 W, es enfriado con agua, como se muestra en la figura. 15-58. La mitad de los transistores se adjuntan al lado posterior de la placa fría. Se especifica que el aumento de temperatura del agua no debe exceder de 3 ° C y la velocidad del agua debe permanecer bajo 1 m / s. Suponiendo que el 20 por ciento del calor generado se disipa a partir de los componentes a los alrededores por convección y radiación, y el restante 80 por ciento se elimina por el agua de refrigeración, determinar la taza de flujo másico de agua necesaria y el diámetro de la tubería para satisfacer la restricción impuesta en la velocidad de flujo. Además, determinar la temperatura de la carcasa en los dispositivos si la resistencia total de las cajas de líquido térmico es de 0,030 ° C / W y el agua entra en la placa fría a 35 ° C. SOLUCIÓN Una placa fría, la misma que es enfriada por agua. La tasa de flujo de masa de agua, el diámetro de la tubería, y la temperatura de la caja de los transistores son a ser determinados. Suponer

1.- Existen condiciones de funcionamiento estable. 2.- Acerca del 20 por ciento del calor generado se disipa de los componentes a los alrededores por convección y radiación. Propiedades Las propiedades del agua a temperatura ambiente son 𝜌 = 1000 kg/m3 y 𝐶𝑝 = 4180 J / kg · ° C. Análisis Teniendo en cuenta que cada uno de los 20 transistores disipa 40 W de potencia y el 80 por ciento de este debe ser removido por el agua, entonces la cantidad de calor que debe ser eliminado por el agua es:

Con el fin de limitar el aumento de temperatura del agua a 3 ° C, la tasa de flujo de masa de agua debe ser inferior a:

La tasa de flujo de masa de un fluido a través de un tubo circular se puede expresar como:

Entonces el diámetro de la tubería para mantener la velocidad del agua menos de 1 m / s se determina que es:

Tomando nota de que la resistencia total de las cajas de líquido térmico es de 0,030 ° C /W y el agua entra en la placa fría a 35 ° C, se determina la temperatura de la carcasa de los dispositivos de la ecuación. 15-25 deben estar por:

La temperatura de la unión del dispositivo se puede determinar de manera similar mediante el uso de la resistencia térmica de la unión a la caja del dispositivo suministrado por el fabricante.

15-10 INMERSIÓN DE ENFRIAMIENTO Componentes electrónicos de alta potencia se pueden enfriar efectivamente por inmersión en un dieléctrico líquido y tomar ventaja de la transferencia de calor muy alto por coeficientes asociados a ebullición. Enfriamiento por inmersión se ha utilizado desde la década de 1940 en la refrigeración de equipos electrónicos, pero durante muchos años de su uso estaba limitado en gran medida a la electrónica de los sistemas de radar de alta potencia. ENFRIAMIENTO POR INMERSIÓN Los componentes electrónicos de alta potencia se pueden enfriar efectivamente por inmersión en un líquido dieléctrico y aprovechar los coeficientes de transferencia de calor muy altos asociadas con punto de ebullición. El enfriamiento por inmersión se ha utilizado desde la década de 1940 en el enfriamiento de equipos electrónicos, pero durante muchos años su uso estaba limitado en gran parte a la electrónica de los sistemas de radar de alta potencia. La miniaturización de los equipos electrónicos y los altos flujos de calor resultantes provocaron un renovado interés en el enfriamiento por inmersión, que se había visto en gran medida como una técnica de enfriamiento exótico. Usted recordará de la termodinámica que, a una presión determinada, un líquido hierve isotérmicamente a la temperatura de saturación correspondiente. Una gran cantidad de calor se absorbe durante el proceso de ebullición, esencialmente de manera isotérmica. Por lo tanto, el enfriamiento por inmersión también proporciona un Un sistema simple de enfriamiento baño de temperatura constante para los por inmersión en lazo abierto. componentes electrónicos y elimina los puntos calientes con eficacia. El tipo más simple de sistema de enfriamiento por inmersión consiste en un depósito externo que suministra líquido continuamente a la caja electrónica. El vapor generado en el interior simplemente se deja escapar a la atmósfera, como se muestra en la figura. 1559. Una válvula de alivio de presión en la línea de ventilación del vapor mantiene la presión y por lo tanto la temperatura en el interior en el valor predeterminado, al igual que la llave de purga de una olla a presión. Tenga en cuenta que sin una válvula de alivio de presión, la presión dentro de la caja sería la presión atmosférica y la temperatura tendría que ser la temperatura de ebullición del líquido a la presión atmosférica. Del sistema de enfriamiento por inmersión de tipo lazo abierto descrito aquí es simple, pero hay varios aspectos poco prácticos asociados. En primer lugar, es pesado y voluminoso, debido a la presencia de un depósito de líquido externo, y el líquido perdido a través de la evaporación tiene que ser repuesto continuamente, que aumenta el costo. Además, la liberación del vapor a la atmósfera limita en gran medida los fluidos que se pueden utilizar en un sistema de este tipo. Por lo tanto, el uso de sistemas de inmersión en lazo abierto se

limita a aplicaciones que implican el uso ocasional y por lo tanto tienen un ciclo de trabajo ligero. Sistemas de enfriamiento por inmersión más sofisticados operan en un circuito cerrado en que el vapor se condensa y se devuelve a la caja electrónica en lugar de ser purgado a la atmósfera. Esquemas de dos de estos sistemas se dan en la figura. 15-60. El primer sistema consiste en un condensador externo a la carcasa del sistema electrónico, y el vapor que sale de la carcasa es enfriado por un fluido de enfriamiento tal como aire o agua fuera de la caja. El condensado se devuelve a la caja para su reutilización. El condensador en el segundo sistema está realmente sumergido en la caja de la electrónica y es parte del sistema electrónico. El fluido de enfriamiento en este caso circula a través del tubo del condensador, eliminando de calor del vapor. El vapor que se condensa gotea en la parte superior del líquido en el recinto y continúa para recircular deber ser prácticamente des gasificado, y se debe cuidar el proceso de llenado para evitar la introducción del aire en el sistema.

Los esquemas de dos sistemas de enfriamiento por inmersión de lazo cerrado.

Los esquemas de dos sistemas de enfriamiento por inmersión todo-líquido. a) Sistema con enfriamiento interno y b) Sistema con enfriamiento externo

El primer sistema consiste en un condensador externo que envuelve a la electrónica, y el vapor que sale de la carcasa es enfriado por un fluido que circula en el exterior de ella, tal como agua o aire. El condensado se regresa a la caja para su reutilización. En el segundo sistema el condensador esta sumergido completamente en caja y es parte del sistema electrónico. Para la disipación de calor por medio del vapor el fluido de enfriamiento circula por medio de un tubo del condensador, el vapor que es condensado en líquido gotea en el gabinete para continuar con el ciclo y ser reciclado. El rendimiento de los sistemas de enfriamiento por inmersión de circuito cerrado es más susceptible a presentar gases no condensables en el vapor. Un aumente de 0.5 % de la masa de aire en el vapor causaría que el coeficiente transferencia de calor por condensación aumentara hasta un factor de 5.por lo tanto el líquido utilizado en los sistemas de enfriamiento por inmersión deber ser prácticamente des gasificado, y se debe cuidar el proceso de llenado para evitar la introducción del aire en el sistema. Los problemas asociados con el proceso de condesar o no los gases se pueden evitar sumergiendo el condensador (en este caso tubos intercambiadores de calor) en el líquido en lugar del gabinete en el vapor, como se muestra en la fig. 15-61. El fluido de enfriamiento como el agua que circula a través de los tubos, absorbe el calor del líquido en la parte superior del gabinete y lo enfría. El líquido en contacto con los componentes electrónicos se calienta e incluso se evapora como resultado de la absorción del calor de los componentes. Pero estas burbujas de vapor colapsan mientras se mueven, dando como resultado la trasferencia de calor al líquido enfriado entrando en contacto con ellas. Este sistema puede eliminar aun altas cantidades de calor de las superficies de los componentes electrónicos de una manera isotérmica mediante la utilización del proceso de ebullición pero su capacidad total está limitada por la cantidad de calor que puede ser disipado por el fluido de enfriamiento externo en un intercambiador de calor liquido-liquido. Tomando nota de que los coeficientes de transferencia de calor asociados a la convección forzada on menores que los de condensación la inmersión de todo el sistema en líquidos no es adecuada para caja electrónicas con alta disipación de potencia por unidad de volumen. Un paso más allá del sistema de enfriamiento por inmersión completa en líquido, es remover el calor del líquido dieléctrico directamente desde la superficie exterior de la caja electrónica, como se muestra en la Fig. 15-61b. En este caso, el líquido dieléctrico dentro de la caja sellada se calienta, dando como resultado la absorción de calor disipado por los componentes electrónicos En este caso, el líquido dieléctrico dentro de la caja sellada se calienta como resultado de la absorción del calor disipado por los componentes electrónicos. Valores típicos de los coeficientes de transferencia de calor de varios fluidos dieléctricos

El calor es transferido a las paredes de la caja, donde es removido por vías externas. Esta técnica de enfriamiento por inmersión es la más confiable de todas, ya que no involucra penetración alguna en la caja electrónica y los componentes están completamente sellados, en un ambiente líquido. Sin embargo, el uso de este sistema es limitado a aplicaciones que involucran tasas moderadas de disipación. La disipación de calor es limitada por la habilidad del sistema de rechazar calor desde la superficie exterior de la caja. Para aumentar esta habilidad, las superficies exteriores de las cajas tienen disipadores, especialmente cuando son enfriadas por aire. Los valores típicos de los coeficientes de transferencia de calor para diversos fluidos dieléctricos adecuados para su uso en el enfriamiento de equipo electrónico están dados en la Fig. 15-62 para la convección natural, convección forzada y ebullición. Nótese que coeficientes extremadamente altos de transferencia de calor (desde 1500 a 6000 W/m2 . °C) pueden conseguirse con la ebullición de fluidos de fluorocarbono como el FC78 y FC86 fabricados por la compañía 3M. Los fluidos de fluorocarbono, que no se deben confundir con los fluidos fluoroclorados que dañan la capa de ozono, resultan muy adecuados para el enfriamiento por inmersión de equipos electrónicos. Tienen puntos de ebullición que van de los 30°C a los 174°C, y puntos de congelación por debajo de los -50°C. No son inflamables, son químicamente inertes, y altamente compatibles con los materiales usados en los equipos electrónicos. Los resultados experimentales para el potencial de disipación de un chip que tiene un área de transferencia de calor de 0.457 cm2 y su sustrato durante un proceso de enfriamiento por inmersión en un fluido FC86 están dados en la Fig. 15-63. El líquido FC86 es mantenido a una temperatura de 5°C durante los experimentos por medio del uso de un intercambiador de calor. La transferencia de calor desde el chip es por convección natural en régimen A-B, y la formación de burbujas y ebullición comienzan en el régimen B-C. Nótese que la temperatura de la superficie del chip cae repentinamente al comenzar la ebullición, debido a los altos coeficientes de transferencia de calor asociados con la ebullición. La transferencia de calor es por ebullición nucleada en régimen C-D, y se pueden alcanzar altas tasas de transferencia de calor con diferencias de temperatura relativamente pequeñas.

Ejemplo 15-18 Enfriamiento de un chip lógico por inmersión Un chip lógico utilizado en un ordenador IBM 3081 disipa 4 W de potencia y tiene un área superficial de transferencia de calor de 0,279 cm2, como se muestra en la figura. 15-64. Si la superficie del chip se mantiene a 80 ° C mientras es enfriada por inmersión en un fluido dieléctrico a 20 ° C, determinar el coeficiente de transferencia de calor necesario y el tipo

de mecanismo de enfriamiento que debe ser utilizado para obtener el coeficiente de transferencia de calor. SOLUCIÓN Un chip de lógica ha de ser enfriado por inmersión en un fluido dieléctrico. se han de determinar El mínimo coeficiente de transferencia de calor y el tipo de mecanismo de enfriamiento Suposiciones Existen condiciones de funcionamiento estable. Análisis El coeficiente medio de transferencia de calor sobre la superficie del chip se determina a partir de la ley de enfriamiento de Newton,

Resolviendo para h y sustituyendo los valores dados, el coeficiente de transferencia de calor por convección se determina y es:

que es bastante alto. La examinacion de la figura 15-62 revela que podemos obtener estos altos coeficientes de transferencia de calor con la de ebullición de los líquidos de fluorocarbono. Por lo tanto, una técnica de enfriamiento adecuado en este caso es enfriamiento por inmersión en dicho líquido. Una alternativa viable al enfriamiento por inmersión es el módulo de conducción térmica que se discutió anteriormente.

FIGURA 15-64 Esquema para el ejemplo 15-18

Ejemplo 15-19 Enfriamiento de un chip mediante ebullición Un chip de 8-W tiene un área superficial de 0,6 cm2 es enfriado por inmersión en líquido FC86 que se mantiene a una temperatura de 15 ° C, como se muestra en la figura. 15-65. Utilizando la curva de ebullición en la figura. 15-63, estimar la temperatura de la superficie del chip. SOLUCIÓN Un chip se enfría por ebullición en un fluido dieléctrico. se va a determinar la temperatura de la superficie del chip. Suposiciones La curva de ebullición en la figura. 15-63 está elaborada para un chip que tiene una área superficial de 0.457 cm2 y que es enfriada en FC86, se mantuvo a 5 ° C. El gráfico se puede usar para casos similares con una precisión razonable. Analisis El flujo de calor es:

En correspondencia con este valor en la tabla

Por lo tanto,

Es decir, la superficie de este chip de 8-W estará a 75 ° C, ya que se enfría por ebullición en el FC86 fluido dieléctrico.

FIGURA 15-65. Esquema para el Ejemplo 15-19.

Un sistema de refrigeración a base de líquido trae consigo la posibilidad de fugas y problemas de confiabilidad asociados. Por lo tanto, el enfriamiento por inmersión debe limitarse a las aplicaciones que requieren un control preciso de la temperatura y los que implican tasas de disipación de calor demasiado altas para eliminarse efectivamente por conducción o enfriamiento por aire. RESUMEN El flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia siempre va acompañada de la generación de calor, y la esencia del diseño térmico es la eliminación segura de este calor generado internamente, proporcionando un camino efectivo para el flujo de calor desde los componentes electrónicos a el medio circundante. En este capítulo, hemos discutido varias técnicas de enfriamiento utilizados en equipos electrónicos, tales como disolventes, conducción, convección natural, refrigeración, radiación, enfriamiento por convección de aire forzado, enfriamiento por líquido, tubos de enfriamiento de inmersión y tubos de calor. En un soporte de chip, se genera calor en la unión, el cual es transportado a lo largo del espesor de la viruta, el material de unión, el marco de plomo y el material de la caja. En una unión la resistencia térmica Runión representa la resistencia total a la transferencia de calor entre la unión de un componente y su recubrimiento. Esta resistencia debe ser tan baja como sea posible para reducir al mínimo el aumento de la temperatura de la unión por encima de la temperatura de la caja. La placa epoxi utilizado en PCB es un mal conductor de calor, y por lo tanto, es necesario utilizar revestimiento de cobre o para fijar el PCB a un marco de calor en sistemas de control de enfriamiento. Sistemas electrónicos de baja energía, se pueden enfriar efectivamente con convección natural y radiación. La transferencia de calor desde una superficie a temperatura Ts a un fluido a temperatura Tfluido por convección se expresa por: Qconvección=hAs(Ts-Tfluido) Donde h es el coeficiente de transferencia de calor y As es la superficie de transferencia de calor. El coeficiente de transferencia de calor por convección natural, para el flujo laminar de aire a presión atmosférica es dada por una relación simplificada de la forma: ∆𝑇 0.25 ℎ = 𝐾( ) 𝐿𝑐 Donde ∆T=Ts-Tfluido es la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido, Lc es la longitud característica (la longitud del cuerpo a través de donde fluye calor) y K es una constante dada en la tabla 15-1. Las relaciones en la tabla 15-1 también pueden ser utilizado a presiones distintas de 1 atm, multiplicándolos por √P, donde P es la presión del aire, en atmósferas. La transferencia de calor mediante radiación en una superficie a temperatura Ts, completamente rodeado por una superficie mucho más grande a temperatura Talrededores se puede expresar por: 4 4 radiación s s alrededores Donde ἐ es la emisividad de la superficie, As es el área de transferencia de calor y ợ es la constante de Stefan-Boltzman, cuyo valor es ợ=5.67X10-8 W/m2K4=0.1714X10-8Btu/h ft2R4. El flujo de fluido sobre un cuerpo tal como un transistor se llama flujo externo, y el flujo a través de un espacio cerrado, como en el interior de un tubo o a través de la zona de paso paralelo entre dos placas de circuito en un recinto se llama flujo interno. El flujo de fluido también se clasifica como laminar o turbulento, dependiendo del valor de el número de Reynolds. En el análisis de convección, el coeficiente de convección transferencia de calor por convección, se expresa habitualmente en términos del numero adimensional Nusselt, como:

Q

=ἐA ợ(T -T

)

𝐾 𝑁𝑢 𝐷 donde k es la conductividad térmica del fluido y D es la longitud característica de la geometría. Relaciones para la medida del número de Nusselt basadas en datos experimentales se muestran en Tabla 15-2 para flujo externo y Tabla 15-3 para flujo laminar interno bajo condiciones uniformes de flujo de calor, las cuales se aproximan a las del equipo electrónico. En sistemas refrigerados por aire forzado la transferencia de calor también se puede expresar como: Q=mCp(Tsalida-Tentrada) Donde Q es la tasa de transferencia de calor del aire, Cp es el calor especifico, Tentrada y Tsalida son las temperaturas del aire en la entrada y la salida respectivamente y m es la masa de aire que fluye. Los coeficientes de transferencia de calor asociados con los líquidos son por lo general de orden de magnitud superior a la asociada con gases. Sistemas de enfriamiento líquido se pueden clasificar como sistemas de enfriamiento indirectos y de enfriamiento directa. En los sistemas de enfriamiento directos, los componentes electrónicos están en contacto directo con el líquido, y por lo tanto el calor generado en los componentes se transfiere directamente al líquido. En los sistemas de enfriamiento indirecto, existe contacto directo con los componentes. Los sistemas de enfriamiento líquido, también se clasifican como sistemas de circuito cerrado y de lazo abierto, dependiendo de si el líquido es descargado o recircula después de que se calienta. Solamente los fluidos dieléctricos se pueden utilizar en inmersión o de refrigeración líquida directa. Componentes electrónicos de alta energía, se pueden enfriar efectivamente por inmersión en un líquido dieléctrico y aprovechando los coeficientes de transferencia de calor muy altos asociados con punto de ebullición. El tipo más simple de sistema de enfriamiento por inmersión consiste en un depósito externo que suministra líquido continuamente a la caja de electrónica. Este sistema de enfriamiento por inmersión de tipo bucle abierto es simple, pero a menudo poco práctico. Sistemas de enfriamiento por inmersión generalmente operan en un circuito cerrado, en el que el vapor se condensa y es devuelto a la caja de la electrónica en lugar de ser purgado a la atmósfera. ℎ=