O básico dos dissipadores de calor:como eles funcionam?

Você não precisa ser um graduado do MIT para saber que dispositivos e máquinas eletrônicos geram calor ao operar. Quando não supervisionada, essa situação pode levar rapidamente ao superaquecimento do dispositivo, causando mau funcionamento. Então, a menos que você reaja com rapidez suficiente, esse mau funcionamento pode levar a danos permanentes.

Para evitar o superaquecimento, a maioria dos dispositivos incorpora dissipadores de calor, componentes responsáveis ​​pelo gerenciamento de calor dentro do dispositivo. Eles funcionam dissipando o calor de áreas vitais da máquina ou de um dispositivo, como a unidade central de processamento (CPU), mantendo-a fresca e funcionando.

Curiosamente, embora desempenhando um papel fundamental na manutenção de seus dispositivos eletrônicos funcionando corretamente, os dissipadores de calor são muitas vezes esquecidos, provavelmente devido ao seu tamanho bastante pequeno. Se você quiser saber mais sobre esses componentes milagrosos, este guia fornecerá todas as informações essenciais necessárias para entender o que são dissipadores de calor e como eles funcionam.

Vamos afundar direto (trocadilho intencional).

O que é um dissipador de calor?

Vamos começar explicando com mais detalhes o que é um dissipador de calor. Em termos simples, é um componente que funciona como um trocador de calor passivo, regulando a temperatura de um dispositivo mecânico ou eletrônico.

Ele faz isso aumentando a área de superfície de trabalho do dispositivo, transferindo o calor de um componente gerador de calor para um fluido de baixa temperatura. Dessa forma, o calor se dissipa para longe do dispositivo, garantindo que ele funcione sem superaquecimento.

Devido às suas fantásticas propriedades de resfriamento, os dissipadores de calor são usados ​​em inúmeras indústrias, incluindo usinagem CNC. Normalmente, eles são usados ​​para resfriar componentes de computador – geralmente, uma CPU e GPU – e transistores ou lasers de energia.

Como são construídos os dissipadores de calor?

A necessidade de uma área de superfície maior afeta significativamente a forma como os dissipadores de calor são construídos. Um dissipador de calor típico consiste em uma base conectada a aletas ou pinos muito estreitos. Dessa forma, os dissipadores de calor podem caber a maior área de superfície possível em um volume específico.

No entanto, o tamanho e a forma das aletas variam entre os diferentes dissipadores de calor. Além disso, eles têm um impacto significativo no desempenho do dissipador de calor. Podemos distinguir entre:

• Pin-fin dissipadores de calor. Tais dissipadores de calor têm pinos que se estendem de sua base. Eles vêm com a maior área de superfície entre os diferentes tipos de dissipadores de calor e funcionam melhor em casos de baixo fluxo de ar. Os pinos geralmente vêm em formato cilíndrico, elíptico ou quadrado.
• Dissipadores de calor com aletas de placa. Um dissipador de calor de placa tem aletas retangulares que se estendem de sua base. Esses dissipadores de calor são mais comuns do que os sistemas pin-fin e funcionam melhor com fluxo de ar unidirecional.
• Dissipadores de calor com aletas alargadas. Os sistemas de aleta alargada são uma variação dos dissipadores de calor de aleta de placa. Eles têm um arranjo de aletas alargadas (daí o nome) que diminui a resistência ao fluxo.

Alguns dissipadores de calor também possuem ventiladores e ventiladores acoplados. Estes são chamados de dissipadores de calor ativos. Falaremos mais sobre eles mais adiante no artigo.

Como funciona um dissipador de calor?

Os dissipadores de calor usam um condutor térmico que retira o calor da fonte de calor e o atrai para sua área de superfície, que então entra em contato com o ar ou fluido de resfriamento. Todo o processo envolve quatro etapas básicas:

1. A fonte gera calor. A fonte pode ser qualquer sistema que gere calor durante a operação e requeira resfriamento para o funcionamento adequado. Pode ser um sistema mecânico, elétrico, químico, nuclear, solar ou de fricção.
2. O calor é transferido para longe da fonte. Por condução natural, o calor se move para o dissipador de calor e para longe da fonte. Este processo está diretamente associado à condutividade térmica do material do dissipador de calor. Essa é a razão pela qual materiais como alumínio ou cobre são frequentemente usados ​​para construir dissipadores de calor. Eles têm propriedades de alta condutividade térmica.
3. O calor é distribuído por todo o dissipador de calor. O calor então viajará através do dissipador de calor, movendo-se de um ambiente de alta temperatura para um ambiente de baixa temperatura. O que isso significa para o dissipador de calor é que seu perfil de calor não será consistente. Portanto, os dissipadores de calor geralmente são mais quentes em direção à fonte e mais frios em suas extremidades.
4. O dissipador de calor afasta o calor. A etapa final envolve o calor se afastando do dissipador de calor. Ele depende muito do gradiente de temperatura da pia e de seu fluido de resfriamento (normalmente ar ou fluido eletricamente condutivo). O fluido passa pela superfície do dissipador de calor e remove o calor para o ambiente circundante usando difusão térmica e convecção. O que é importante observar aqui é que, se a temperatura ambiente não for mais fria que o dissipador de calor, o dissipador não removerá o calor.

Os diferentes tipos de dissipadores de calor

Ao falar sobre dissipadores de calor, diferenciamos três tipos básicos de dissipadores de calor – passivos, ativos e híbridos. Mais sobre eles abaixo.

Dissipadores de calor passivos

Dissipadores de calor passivos dependem de convecção natural. Isso significa que é apenas a flutuabilidade do ar quente que gera o fluxo de ar na superfície do dissipador de calor. Por causa disso, os dissipadores de calor passivos não requerem energia secundária ou sistemas de controle ao remover o calor. Por outro lado, eles não são tão eficientes e eficazes na transferência de calor de um sistema quanto os dissipadores de calor ativos.

Dissipadores de calor ativos

Ao contrário dos dissipadores de calor passivos, os dissipadores de calor ativos não dependem apenas da convecção natural. Eles usam ar forçado para aumentar o fluxo de fluido na área aquecida. Eles fazem isso usando um ventilador, soprador ou um movimento de objeto inteiro.

Um exemplo típico de como funciona um dissipador de calor ativo é o ventilador do seu PC ligando quando o computador começa a esquentar. O ventilador força o ar a fluir pelo dissipador de calor, permitindo que o ar não aquecido se mova por sua superfície. Por causa disso, o gradiente térmico total em todo o sistema do dissipador de calor aumenta, removendo mais calor do dispositivo.

Dissipadores de calor híbridos

Como o nome sugere, os dissipadores de calor híbridos combinam as propriedades dos sistemas de dissipadores de calor passivos e ativos. Curiosamente, os sistemas híbridos não são tão populares quanto os dissipadores de calor passivos ou ativos. Eles também costumam contar com sistemas de controle dedicados para resfriar o dispositivo com base em requisitos específicos de temperatura.

Quando o sistema opera em níveis de temperatura mais frios, a fonte de ar forçado (ventilador ou soprador) permanece inativa, resfriando o sistema passivamente. O sistema ativo começa a funcionar apenas quando o dispositivo começa a atingir temperaturas mais altas, aumentando a capacidade de refrigeração do dissipador de calor no processo.

Que materiais são usados ​​para fazer dissipadores de calor?

Como dito, o material do dissipador de calor precisa fornecer condutividade térmica natural. É por isso que os dissipadores de calor são normalmente produzidos usando alumínio ou cobre, com o material sendo determinado pela aplicação, intensidade do calor, método de produção e orçamento.

• Alumínio. Normalmente, os fabricantes de dissipadores de calor usam alumínio 1050, 6060, 6061 ou 6063. O primeiro é muito condutivo termicamente, mas carece de resistência, enquanto os três restantes são menos condutivos, mas oferecem propriedades mecânicas mais fortes. Quanto ao custo-benefício, os dissipadores de calor mais acessíveis são produzidos com liga de alumínio.
• Cobre. O cobre fornece excelente condutividade térmica. Na verdade, é duas vezes mais propício que o alumínio. Além disso, é resistente à corrosão, antimicrobiana e oferece outras propriedades desejáveis. É por isso que os dissipadores de calor de cobre são considerados de alta qualidade, sendo mais caros que os dissipadores de calor de alumínio e geralmente mais difíceis de fabricar.

Como são feitos os dissipadores de calor?

A fabricação de dissipadores de calor envolve diversos processos e tecnologias de produção, como extrusão de alumínio, fundição sob pressão ou fresagem CNC. Eles são normalmente fabricados usando:

• Fresagem. Fresamento é o processo subtrativo de cortar material de uma peça em bruto. Também é uma maneira acessível de produzir dissipadores de calor mais rapidamente.
• Extrusão. É o processo de forçar tarugos de metal quente através de uma matriz de aço. A extrusão é a forma mais comum de fazer dissipadores de calor, pois é considerada rápida, eficaz e, portanto, mais econômica.
• Fundição. A fundição envolve derramar metal fundido em um molde e é outra maneira popular de fazer dissipadores de calor de cobre e alumínio. Esses dissipadores de calor têm um nível mais alto de complexidade e fornecem propriedades mecânicas aprimoradas.
• Esquecendo. Também conhecido como scarfing, skiving é um processo de corte de material em fatias. O skiving geralmente é usado na produção de dissipadores de calor de aletas de placa e aletas alargadas, oferecendo um posicionamento mais fino e preciso das aletas.
• Impressão 3D. Os dissipadores de calor impressos em 3D tornaram-se uma alternativa viável aos seus homólogos produzidos tradicionalmente. A principal razão para isso é o recente avanço na fabricação de aditivos de cobre, que tornou a impressão 3D um método mais acessível ao fazer dissipadores de calor.

Quais fatores afetam o desempenho do dissipador de calor?

Vários fatores podem afetar o desempenho de um dissipador de calor e se ele pode efetivamente dissipar o calor de um componente específico (por exemplo, uma CPU ou GPU). Essas variáveis ​​são:

• Tamanho do dissipador de calor,
• A condutividade térmica do material do dissipador de calor (alumínio vs. cobre),
• A forma, o volume e a disposição das barbatanas,
• A taxa de fluxo de ar,
• O tamanho dos dutos entre as aletas.

O desempenho também pode depender do tipo do dissipador de calor. Os dissipadores de calor ativos são considerados mais eficazes, por isso costumam ser usados ​​em dispositivos que exigem resfriamento mais rápido.

Principais conclusões

Espero que, depois de ler nosso guia, você entenda melhor a importância dos dissipadores de calor e como eles funcionam. Eles podem ser pequenos em tamanho, mas seu impacto no desempenho de um dispositivo elétrico ou mecânico é incrível, evitando que eles superaqueçam e garantindo que funcionem no nível mais alto possível.