Essenciais do Design de Dissipador de Calor: Fatores-Chave e Métodos de Cálculo

Dissipadores de calor são o componente mais fácil de ignorar em máquinas e circuitos elétricos. Mas este não é o caso ao projetar hardware porque dissipadores de calor servem uma função muito crucial. Quase toda tecnologia incluindo CPUs, diodos e transistores gera energia térmica que pode diminuir o desempenho térmico e tornar operações ineficientes.

Para superar os desafios de dissipação de calor, diferentes tipos de dissipadores de calor são projetados para atender diferentes elementos e mantê-los operando em suas temperaturas mais adequadas.

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia (especialmente nano-tech) e tornando as coisas o mais compactas e eficientes possível, o design correto de dissipador de calor tornou-se um freio e contrapeso na fabricação de produtos elétricos. Então, este artigo discutirá os detalhes e considerações de design dos dissipadores de calor.

O que é um Dissipador de Calor?

Um dissipador de calor é um dispositivo que remove calor excessivo de outro componente. Em um circuito integrado, um dissipador de calor é feito de um material com alta condutividade térmica para dissipar calor indesejado. Funciona através da expansão da área de superfície e permitindo que ar ou fluido mais frio passe através de sua área de superfície.

De acordo com a lei de Fourier, o calor transfere de uma área mais quente para uma mais fria. Um dissipador de calor baseado nesta lei opera através de um gradiente de temperatura. Ele pega o calor indesejado gerado em um componente elétrico e o transfere para ar ou fluido mais frio através de métodos de transferência de calor como condução ou convecção natural.

Tipos de Dissipadores de Calor

O primeiro passo na identificação do design de dissipadores de calor é determinar o tipo de configuração. Existem dois tipos populares de dissipadores de calor.

Dissipadores de Calor Passivos

Dissipadores de calor passivos são a opção convencional, eles usam fluxo de ar natural. Convecção natural se estabelece através do dissipador de calor que move calor para longe do componente. São mais baratos para operar e não requerem energia elétrica extra para funcionar.

Dissipadores de Calor Ativos

Dissipadores de calor ativos são mais eficientes e potentes, mas requerem convecção forçada que usa ar ou fluido para tornar a transferência de calor possível. Podem ser facilmente identificados porque usam dispositivos alimentados eletricamente como um ventilador perto do dissipador de calor.

Escolher qualquer tipo de dissipador leva a uma variação no design. Por exemplo, dissipadores de calor ativos que dependem de ventiladores precisam de uma área de superfície menor e material mais leve para dissipar a mesma quantidade de calor que um condutor passivo.

Fatores e Considerações no Design de Dissipador de Calor

Qualquer dissipador de calor funciona no mesmo princípio geral. Primeiro, calor é produzido em um componente e o dissipador de calor auxilia na dissipação de dito calor. Um dissipador de calor anexado ao componente ou circuito recebe calor via condução ou através de heat pipes. A condutividade térmica do material do dissipador de calor afeta este processo significativamente.

Em seguida, a transferência de calor dentro de todo o dissipador de calor ocorre. O trocador de calor passivo ou dissipador de calor é mais quente perto da fonte de calor e mais frio em direção à outra extremidade, como tal a condução natural transfere o calor de forma desigual pela superfície.

Depois disso, o calor dissipa-se através de convecção natural e forçada. Ar ou fluido passando diretamente acima da superfície do dissipador de calor remove o calor gerado usando difusão e o transfere para o ar ambiente.

Neste ponto, é evidente que muitos fatores impactam o desempenho do dissipador de calor incluindo material, geometria e tipo de refrigerante. O design do dissipador de calor antes de fazer um deve considerar estes parâmetros.

1. Resistência Térmica

Resistência térmica pode ser simplesmente definida como a resistência térmica combinada que o calor gerado enfrenta ao mover-se através de um gradiente de temperatura. Isso inclui resistência térmica dentro da montagem do dissipador de calor, qualquer atrito, e desperdícios de energia térmica por causa de resistência entre o refrigerante e a superfície do trocador de calor.

Resistência térmica pode ser calculada usando o valor de resistência térmica. É extremamente útil para descobrir a resistência térmica mais eficaz para componentes e CIs.

2. Tipos de Materiais

O design do dissipador de calor é amplamente afetado pelo material de escolha. Materiais populares para dissipadores de calor incluem ligas de alumínio como AA 6063-T6 e tungstênio de cobre ou molibdênio de cobre. Dissipadores de calor de cobre oferecem excelente condutividade térmica e resistência à corrosão, mas são mais pesados e caros que alumínio. Além disso, Diamantes CVD (Diamantes de Deposição Química de Vapor), diamantes cultivados em laboratório são usados devido à sua condutividade térmica proveniente de vibrações dentro de sua estrutura de rede.

Outros dispositivos geradores de calor afetados por resistência térmica incluem baterias de íon-lítio usadas em carros e transferir calor para longe destas baterias é crucial, caso contrário, fuga térmica pode levar a uma reação em cadeia destruindo a bateria. Um dissipador de calor de fibra de carbono com condutividade mais alta oferece uma solução de gerenciamento térmico para a indústria automotiva.

3. Aletas do Dissipador de Calor

Aletas são o componente de um dissipador de calor que permite transferência de calor para longe do dissipador em direção à temperatura ambiente. A forma e localização podem afetar amplamente como o dissipador de calor transfere energia enquanto o tamanho e o número puro destas aletas determinam sua eficiência.

3.1 Arranjo, Forma, Tamanho e Localização das Aletas

As aletas são onde o fluido de resfriamento como ar passa sobre o dissipador de calor permitindo dissipação de calor. Assim, arranjo e tamanho são importantes na construção do dissipador de calor. Melhorar estes fatores pode levar a melhor dissipação de calor e fluxo de calor mais fácil. Em um estudo no Science Direct, os achados de um relatório discutiram como a forma pode afetar o gerenciamento térmico de dissipadores de calor.

"Os resultados mostraram que as aletas circulares melhoraram o desempenho térmico do dissipador de calor e reduziram a resistência térmica em 25% e 12% do que as outras duas formas" — Case Studies in Thermal Engineering

3.2 Eficiência das Aletas

Componentes elétricos em unidades de tecnologia extensas como servidores produzem calor excessivo. Transferência de calor lenta pode reduzir desempenho e vida útil. Um heat pipe e resfriamento líquido têm grande potencial, mas um trocador de calor com aletas é essencial para dissipar calor de forma confiável e contínua.

Aletas ampliam a superfície para dissipação de potência em componentes elétricos, e fatores como espessura, altura e resistência térmica impactam a eficiência da aleta. Para melhorar eficiência, a camada limite térmica é tornada mais fina, e a direção do ar é definida no ângulo ótimo com o próprio dissipador de calor feito de um material com alta condutividade térmica.

4. Material de Interface Térmica

O dissipador de calor tem que ser anexado a componentes e circuitos elétricos. Ao fazer isso, a interface entre os trocadores de calor e componentes elétricos típicos é chamada de material de interface térmica.

Resistência de interface térmica pode reduzir a eficiência dos dissipadores de calor e rugosidade superficial, e ar aprisionado e vazios podem aumentar resistência de contato térmico. Naturalmente, com estas falhas na interface, a transferência de calor é pobre e para baixar resistência térmica vários materiais de interface térmica como os de mudança de fase são usados. A resistência térmica do componente é diminuída à medida que o ar é removido e os vazios são preenchidos, garantindo contato completo.

5. Métodos de Fixação do Dissipador de Calor

Um dissipador de calor é usado em uma variedade de lugares incluindo componentes mecânicos. A escolha de fixação do dissipador de calor pode melhorar significativamente a dissipação de potência máxima e dissipar mais energia térmica. Os métodos amplamente usados incluem fita térmica, epóxi, clipes e push-pins.

Muitos fatores no design do dissipador de calor afetam a escolha de fixação. Por exemplo, dissipadores de calor grandes e pesados não podem ser suportados por fitas térmicas. Epóxi é uma ótima escolha em soluções de gerenciamento térmico mas é custoso e requer habilidade para aplicar.

Design de Dissipador de Calor: Cálculo de Resistência Térmica

O design do dissipador de calor completa a geometria e funcionalidade para seu uso pretendido. No entanto, para avaliar o desempenho de quão bem dissipadores de calor dissipam calor, alguns cálculos de resistência térmica são necessários.

Poucos termos a saber:

T_junção: Temperatura máxima de operação da junção

T_ambiente: Temperatura do ar ambiente

_Q: Calor Gerado

T_{junção-caixa}: Resistência junção-caixa

T_interface: Resistência do material de interface

T_dissipador: Resistência térmica do dissipador de calor

A resistência térmica total é a resistência ao fluxo de calor da junção ao invólucro, resistência térmica do material de interface, e resistência entre o dissipador de calor e ar circundante.

Os cálculos acima também são usados na etapa de design para fazer comparações entre diferentes materiais, interfaces e encontrar a resistência térmica adequada que corresponde à temperatura máxima de operação do componente.

Design de Dissipador de Calor: Cálculo de Tamanho

O primeiro passo no dimensionamento de um dissipador de calor é determinar suas dimensões. Uma vez que as dimensões são definidas, o próximo passo é seguir alguns cálculos simplificados por calculadora de dissipador de calor.

• Encontrando calor de convecção

_Qc = 2hA(T_componente - T_ambiente)

onde

A = HL + t(2H + L)

h = 1.42[(T_componente - T_ambiente)/H] ^0.25

_Qc = 2hA(T_componente - T_ambiente)

• Você encontrará outra superfície onde o calor pode dissipar, encontrando o calor de convecção em A₂

_Qc = 2h₂A₂(T_componente - T_ambiente)

onde

A₂ = L[2(H - b) + sb] + tL

s = 2.71 [gβ(T_componente - T_ambiente)/Lαv]

• Encontrando calor emitido por radiação.

Assim como convecção, o calor pode escapar por radiação das duas superfícies.

_Qr = 2ϵσA₁(T⁴_componente - T⁴_ambiente)

_Qr2 = 2ϵσA₂(T⁴_componente - T⁴_ambiente)

onde

A₂ = L(t + s) + 2(tH + sb)

• Finalmente número de aletas é dado por

_Fn = 1 + [(_Q - _Qr2 - _Qc2) / (_Qr1 + _Qc1)]

• Largura de cada aleta é dada por

W = (N - 1) + Nt

Aplicações de Dissipadores de Calor

Dissipadores de calor são usados onde algo está produzindo calor e precisa ser regulado constantemente para manter a temperatura de operação dentro das temperaturas máximas permitidas. Em unidades elétricas, dissipadores de calor são encontrados quase em todo lugar que você vê LEDs e transistores. Isso é para mantê-los funcionando em ambientes de temperatura ambiente sem superaquecimento.

Aplicações de dissipadores de calor são amplamente caracterizadas pela velocidade na qual conduzem calor. Portanto, materiais de maior condutividade térmica são usados para processos onde aumento de temperatura é um risco para a operação.

CPUs

Quando computadores são usados e chips de CPU são overclockados, calor significativo é produzido. Um dissipador de calor termicamente acoplado a uma CPU não só pode armazenar este calor, removendo-o rapidamente do chip, mas também transferi-lo através de sua superfície, eventualmente dissipando-o para o ar ambiente.

Amplificadores de Potência

Em transistores de potência, o calor produzido pode levar a vazamento de corrente. Este aumento na corrente de coletor pode por sua vez aumentar potência dissipada, que pode aumentar ainda mais a temperatura. Isso pode levar a um loop de fuga térmica destruindo o transistor. Um dissipador de calor pode transferir rapidamente o calor produzido através de sua superfície, prevenindo qualquer dano.

Optoeletrônica

Dissipadores de calor são comumente usados com LEDs pois o componente em si é incapaz de moderar sua temperatura operacional.

Métodos Comuns de Fabricação para Design de Dissipador de Calor

Para criar um design eficaz de dissipador de calor, engenheiros devem considerar muitos fatores diferentes, como seleção de material, e alumínio é o material mais comum usado para fabricar dissipadores de calor. Nesta seção, discutiremos os 3 métodos mais comuns de fabricação de dissipadores de calor de alumínio.

Extrusão de Dissipador de Calor

O processo de extrusão é adequado para designs de dissipador de calor mais simples, que são caracterizados por altas quantidades de produção, menor investimento, ciclos de desenvolvimento curtos e baixos custos de produção.

Material de extrusão de alumínio comumente usado é alumínio 6063, que tem boa condutividade térmica. O princípio de funcionamento é aquecer o lingote de alumínio a 520-540℃ em alta pressão para deixar o alumínio líquido fluir através do molde de extrusão com ranhuras para fazer o embrião do dissipador de calor. E então cortar o embrião do dissipador de calor, ranhura de perfil e outros processamentos são feitos da aleta do dissipador de calor que comumente vemos.

Usinagem CNC de Dissipador de Calor

Usinagem CNC envolve uma variedade de processos, como torneamento, furação, fresamento e retificação. Este processo pode ser aplicado flexivelmente de acordo com a estrutura das peças, o uso da maioria das peças estruturais, como formação de placa, ranhura do dissipador de calor, preparação de superfície inferior, etc. Este método é particularmente adequado para o design de dissipadores de calor com geometria complexa.

Fundição sob Pressão de Dissipador de Calor

O princípio de fundição sob pressão de dissipador de calor de alumínio é similar a moldagem por injeção. A matéria-prima de liga de alumínio é dissolvida em líquido em alta pressão, e então o material líquido é rapidamente preenchido no molde. De acordo com o modelo, a máquina de fundição sob pressão começou a trabalhar, e fundição única, após resfriamento e tratamento subsequente, foi feita em um dissipador de calor monômero. O processo pode ser integrado em um design de aleta de dissipador de calor fino, denso ou complexo.

Conclusão

Os usos de dissipadores de calor continuarão a expandir à medida que mais avanços técnicos são feitos e melhores soluções são encontradas para tornar um processo mais útil. O design do dissipador de calor também será mais diversificado e personalizado.

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