Sebuah chip isotermal berbentuk persegi dengan panjang sisi $w = 5 \text{ mm}$ dipasang pada substrat sedemikian rupa sehingga permukaan samping dan belakangnya terisolasi dengan baik; permukaan depannya terpapar aliran fluida pendingin pada suhu $T_{\infty} = 288,15 \text{ K}$. Berdasarkan pertimbangan keandalan, suhu chip tidak boleh melebihi $T = 358,15 \text{ K}$.
Jika fluida pendinginnya adalah udara dan koefisien konveksi yang bersesuaian adalah $h = 200 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$, berapakah daya maksimum yang diizinkan untuk chip tersebut? Jika fluida pendinginnya adalah cairan dielektrik dengan $h = 2000 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$, berapakah daya maksimum yang diizinkan?
Pada kondisi tunak (steady-state), seluruh daya listrik maksimum yang dibangkitkan oleh chip ($P_{\text{max}}$) disipasi sepenuhnya melalui perpindahan panas konveksi dari permukaan depan chip ke fluida pendingin ($q$).
$$P_{\text{max}} = q$$
Kita identifikasi data yang diperlukan
- Panjang Persegi ($w$): $5 \times 10^{-3} \text{ m}$
- Suhu Fluida Pendingin ($T_{\infty}$): $288,15 \text{ K}$
- Suhu Maksimal Chip ($T_s$): $358,15 \text{ K}$
- Koefisien Konveksi Udara ($h_{udara}$): $h = 200 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$
- Koefisien Konveksi Cairan ($h_{cairan}$): $h = 2000 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$
Daya Maksimum dengan Fluida Pendingin ($P_{udara}$)
Kita hitung luas permukaan persegi
$$A = w \cdot w$$
$$A = 5 \times 10^{-3} \cdot 5 \times 10^{-3}$$
$$A = 2,5 \times 10^{-5}$$
Kita hitung kalor konveksi dengan menggunakan hukum konveksi Newton
$$q = h \cdot A \cdot (T_s – T_{\infty})$$
$$q = 200 \cdot 2,5 \times 10^{-5} \cdot (358,15 – 278,15)$$
$$q = 5 \times 10^{-3} \cdot 70$$
$$q = 0,35 \text{ W}$$
Kalor konveksi bisa dianggap sama dengan daya maksimum
$$\mathbf{P_{max,udara} = 0,35 \text{ W}}$$
Daya Maksimum dengan Cairan Dielektrik ($P_{cairan}$)
Kita hitung luas permukaan persegi
$$A = w \cdot w$$
$$A = 5 \times 10^{-3} \cdot 5 \times 10^{-3}$$
$$A = 2,5 \times 10^{-5}$$
Kita hitung kalor konveksi dengan menggunakan hukum konveksi Newton
$$q = h \cdot A \cdot (T_s – T_{\infty})$$
$$q = 2000 \cdot 2,5 \times 10^{-5} \cdot (358,15 – 288,15)$$
$$q = 5 \times 10^{-2} \cdot 70$$
$$q = 3,5 \text{ W}$$
Kalor konveksi bisa dianggap sama dengan daya maksimum
$$\mathbf{P_{max,cairan} = 3,5 \text{ W}}$$
