Fundamentos do dissipador de calor:definição, operação, componentes, tipos e aplicações

Um dissipador de calor é um dispositivo usado para transferir calor de uma fonte de calor para o ambiente circundante. A transferência de calor é conseguida através de uma combinação de condução, convecção e, em menor grau, radiação. Um dissipador de calor normalmente possui uma base com múltiplas aletas na parte superior, projetadas para aumentar a área de superfície para transferência de calor para o fluido circundante. Eles podem ser resfriados passivamente (usando convecção natural) ou ativamente (com convecção forçada de um ventilador ou bomba).

Este artigo descreverá o que é um dissipador de calor, como funciona, os vários componentes que o compõem e algumas aplicações comuns de dissipadores de calor.

O que é um dissipador de calor?

Um dissipador de calor é um tipo de trocador de calor usado para transferir calor de um dispositivo ou fonte de calor para um fluido circundante. Este fluido é geralmente ar, mas também pode ser água em circuitos selados ou fluidos de transferência térmica não condutores especializados, como misturas de glicol ou óleos dielétricos. O resfriamento pode ocorrer passivamente por convecção natural ou ativamente por fluxo de ar forçado, normalmente de um ventilador. Os dissipadores de calor são geralmente feitos de cobre ou alumínio.

Qual é a aparência de um dissipador de calor?

Um tipo comum de dissipador de calor é mostrado na Figura 1 abaixo:

Uma ilustração mostrando como funciona um dissipador de calor

Como funciona um dissipador de calor?

Um dissipador de calor utiliza os princípios de transferência de calor condutiva, convectiva e radiativa para mover o calor de uma fonte mais quente para um fluido de temperatura mais baixa. O calor é conduzido desta fonte para o dissipador. Os dissipadores de calor são feitos de materiais com alta condutividade térmica, como cobre ou alumínio, permitindo-lhes conduzir rapidamente o calor para longe da fonte. Esse calor então é transferido do dissipador para o fluido circundante por meio de convecção e radiação. A taxa de transferência de calor é aumentada por ter uma grande área superficial em contato com o fluido de troca de calor. A área de superfície pode ser aumentada drasticamente cortando aletas no material de base do dissipador de calor.

Dependendo das necessidades de resfriamento, os dissipadores de calor funcionam através de convecção natural (resfriamento passivo) ou convecção forçada fornecida por um ventilador ou bomba de líquido (resfriamento ativo).

Qual é a finalidade de um dissipador de calor?

Um dissipador de calor é projetado para dissipar o calor residual causado pela operação de dispositivos elétricos ou mecânicos. Este calor residual pode acumular-se e causar falhas ou degradar o desempenho se não for removido.

Quais são os principais componentes de um dissipador de calor?

Um dissipador de calor é um dispositivo relativamente simples. Listados abaixo estão os cinco componentes que constituem um dissipador de calor típico:

1. Base

A base do dissipador de calor é normalmente um bloco plano ou folha de material com excelente condutividade térmica. A base normalmente tem uma espessura transversal consistente, mas também pode ser projetada para ter um perfil transversal que otimiza a transferência de calor para a geometria específica da fonte de calor. A base normalmente é montada na fonte de calor com ferramentas de montagem e pasta térmica.

2. Barbatanas

As aletas salientes da base do dissipador de calor são responsáveis pela transferência de calor para o fluido circundante. Essas aletas aumentam a área de superfície do dissipador de calor em contato com o ar ou com o líquido refrigerante, o que aumenta a taxa de dissipação de calor.

As aletas podem formar parte integrante da base ou podem ser fixadas separadamente utilizando diversas técnicas, por exemplo, através de um processo de compressão. A forma e a disposição das aletas podem melhorar drasticamente a taxa de transferência de calor.

3. Tubos de calor

Um tubo de calor é projetado para transferir calor ao longo de seu eixo. Os tubos de calor podem ser incorporados dentro de dissipadores de calor e espalhadores de calor padrão por meio de encaixe por pressão, soldagem e epóxi termicamente condutor para melhorar sua eficiência de transferência de calor. Eles funcionam transferindo calor por meio de um mecanismo de mudança de fase que faz com que o fluido vaporize na fonte de calor e, em seguida, viaje ao longo do eixo do tubo de calor até o ponto onde ele esfria e volta a ser líquido por meio de condensação.

4. Material de interface térmica

Materiais de interface térmica, ou pastas térmicas, são usados para melhorar significativamente a transferência de calor entre a fonte de calor e a base do dissipador de calor, preenchendo quaisquer vazios de ar entre a fonte de calor e o dissipador de calor. O ar é um mau condutor de calor, portanto, preencher as lacunas de ar com um material mais termicamente condutor aumenta a eficiência de resfriamento de um dissipador de calor. As pastas térmicas podem ser à base de cerâmica, óxido metálico ou silicone. As pastas térmicas à base de metal oferecem alta condutividade térmica, mas são eletricamente condutivas e devem ser usadas com cuidado perto de componentes sensíveis.

5. Hardware de montagem

Os dissipadores de calor podem ser fixados com segurança às fontes de calor alvo usando vários métodos de montagem diferentes. Para dissipadores de calor menores, um adesivo com alta condutividade térmica é usado para colar diretamente o dissipador de calor em uma fonte de calor. Este método é normalmente usado em componentes de PCB menores. Para dissipadores de calor maiores, podem ser usados ​​parafusos normais ou, alternativamente, pinos com mola são usados ​​para otimizar a pressão de contato entre a fonte de calor e o dissipador de calor.

De que materiais são feitos os dissipadores de calor?

Os dissipadores de calor são feitos de materiais com alta condutividade térmica. Os mais comuns estão listados abaixo.

1. Alumínio:O alumínio é um material leve, de baixo custo e com boa condutividade térmica. É comumente usado em dissipadores de calor para dispositivos eletrônicos, como computadores e luzes LED.
2. Cobre:O cobre tem excelente condutividade térmica e pode ser usado em componentes mais sensíveis, como CPUs de computador.
3. Ligas de alumínio:O alumínio puro é macio e difícil de usinar, portanto, ligas de alumínio são frequentemente usadas. Ligas de alta pureza como 1050 retêm excelente condutividade térmica, enquanto ligas mais fortes como 6061 oferecem resistência mecânica aprimorada ao custo de condutividade térmica reduzida.
4. Grafite:Certas formas de grafite projetada, como a grafite pirolítica, têm uma condutividade térmica no plano muito alta, rivalizando ou excedendo o cobre, e são significativamente mais leves. No entanto, a grafite a granel ou isotrópica tem desempenho térmico inferior.
5. Diamante:O diamante tem uma condutividade térmica muito maior que o cobre e é usado em aplicações especializadas de semicondutores. No entanto, seu alto custo o limita a usos de nicho, como dissipadores de calor de alto desempenho ou resfriamento de diodo laser.

Quais são os tipos de dissipadores de calor?

Existem três tipos básicos de dissipadores de calor. Eles são descritos com mais detalhes abaixo:

1. Dissipadores de calor passivos

Um dissipador de calor passivo é o tipo mais simples de dissipador de calor. É simplesmente uma base com barbatanas. O calor é transferido principalmente por convecção natural. À medida que o ar ao redor das aletas aquece por condução, o ar quente sobe, fazendo com que o ar mais frio o substitua. Este é um processo contínuo. Esses tipos de dissipadores de calor não são os mais eficazes.

2. Dissipadores de calor híbridos

Um dissipador de calor híbrido utiliza um sistema de controle para decidir quando empregar comportamento passivo ou ativo. Quando a fonte de calor produz baixos níveis de calor, o ventilador ou bomba não é ligado, porque a convecção natural é suficiente para transferir a quantidade necessária de calor para longe da fonte de calor. Quando a convecção natural não é adequada, o ventilador é acionado e a convecção forçada ajuda a aumentar a quantidade de calor transferido para longe da fonte.

3. Dissipadores de calor ativos

Um dissipador de calor ativo utiliza convecção forçada para transferir calor. Quando um ventilador ou bomba causa fluxo de fluido sobre o dissipador de calor, esse fluxo constante continua substituindo o fluido quente ao redor do dissipador de calor por fluido mais frio. Quanto maior a taxa de fluxo, maior a taxa de transferência de calor. Os dissipadores de calor ativos são mais eficazes que os dissipadores de calor passivos.

Quais são as aplicações dos dissipadores de calor?

Os dissipadores de calor são usados sempre que o calor residual tem o potencial de danificar o equipamento. Alguns exemplos estão listados abaixo:

1. Processadores de computador

Os processadores de computador (CPUs) produzem uma grande quantidade de calor residual durante a operação. As CPUs costumam usar sistemas de resfriamento ativo com dissipadores de calor de cobre para gerenciar altas cargas térmicas durante a operação. CPUs legais podem operar com mais eficiência.

2. Iluminação LED

As luzes LED não emitem muito calor radiante como as lâmpadas incandescentes, mas a própria junção do LED gera energia térmica significativa durante a operação. Este calor deve ser dissipado, normalmente através de dissipadores de calor passivos em LEDs menores.

3. Eletrônica de Potência

Eletrônicos de potência, como conversores CA-CC, geram calor residual de componentes como MOSFETs e reguladores de tensão. Dissipadores de calor de alumínio são comumente usados ​​nessas aplicações, às vezes combinados com ventiladores ativos para cargas térmicas mais exigentes.

4. Indústria Automotiva

Além dos dissipadores de calor usados nos circuitos de controle dos veículos, os dissipadores de calor também são usados para manter os motores elétricos resfriados durante a operação, bem como para resfriar os carregadores de bordo dos veículos elétricos.

5. Indústria Aeroespacial

Os sistemas aeroespaciais usam dissipadores de calor em circuitos de controle e eletrônicos integrados. Nas naves espaciais, onde não há atmosfera para convecção, dissipadores de calor especializados irradiam calor para o espaço usando superfícies de alta emissividade e muitas vezes incluem tubos de calor para transportar calor para radiadores.

6. Eletrônicos de consumo

Os produtos eletrônicos de consumo fazem uso extensivo de dissipadores de calor para manter os dispositivos resfriados e operando com eficiência. Exemplos típicos incluem dissipadores de calor em computadores e telefones celulares.

Quais dispositivos em um computador usam dissipadores de calor?

Muitos componentes de um computador utilizam dissipadores de calor. Por exemplo, a CPU (unidade de processamento central) e a GPU (unidade de processamento gráfico) normalmente usam dissipadores de calor para melhorar a eficiência e a vida útil operacional. Módulos de RAM de alto desempenho e componentes internos da PSU também podem incorporar dissipadores de calor, dependendo dos requisitos térmicos. SMDs individuais (dispositivos montados em superfície) na placa-mãe também podem usar pequenos dissipadores de calor para permanecerem frios.

Como escolho o dissipador de calor certo para minha aplicação?

Para selecionar o dissipador de calor correto para sua aplicação, é importante entender quanto calor seu dispositivo irá produzir, bem como o ambiente em que irá operar. Uma vez conhecidos, o dissipador de calor pode ser projetado calculando a taxa de transferência de calor necessária para manter o dispositivo na temperatura ideal e, em seguida, projetando uma configuração de dissipador de calor para atingir essa temperatura.

Quais são os benefícios dos dissipadores de calor?

Listados abaixo estão alguns benefícios comuns do uso de dissipadores de calor:

1. Maior confiabilidade:os dissipadores de calor ajudam a manter uma temperatura operacional consistente, o que ajuda a melhorar a confiabilidade de um dispositivo.
2. Vida útil estendida:os dissipadores de calor removem o calor residual de um dispositivo que, de outra forma, reduziria sua vida útil.
3. Desempenho melhorado:dispositivos como CPUs, por exemplo, funcionam de forma mais eficaz quando estão frios. Um dissipador de calor eficaz pode melhorar o desempenho de um dispositivo.
4. Ruído reduzido:Se um dissipador de calor passivo puder ser usado, um ventilador de resfriamento pode não ser necessário. Em última análise, isso reduzirá o ruído do dispositivo.
5. Economia de custos:os dissipadores de calor melhoram o gerenciamento térmico, o que pode estender a vida útil dos componentes e reduzir a necessidade de sistemas de resfriamento adicionais, contribuindo para possíveis economias no projeto do sistema e nos custos de manutenção.

Quais são as limitações dos dissipadores de calor?

Listadas abaixo estão algumas limitações comuns do uso de dissipadores de calor:

1. Capacidade de resfriamento limitada:devido às limitações de espaço e material, um dissipador de calor só pode remover calor em uma determinada taxa. Tentar fazer dissipadores de calor que removam ainda mais calor com ainda mais rapidez torna-se impraticável e antieconômico.
2. Restrições de espaço:em alguns casos, o espaço necessário para um dissipador de calor adequado pode ser maior do que o espaço disponível.
3. Requisitos de manutenção:Os dissipadores de calor, especialmente dentro de um PC, geralmente acumulam poeira. Eles devem ser limpos regularmente para evitar uma queda na taxa de transferência de calor.
4. Ruído:dissipadores de calor ativos podem exigir um ventilador barulhento para funcionar de maneira eficaz. Mesmo ventiladores silenciosos adicionarão algum ruído.
5. Custo:Os dissipadores de calor de cobre são eficazes, mas caros e podem não ser economicamente viáveis para o dispositivo. Materiais mais baratos, como o alumínio, estão disponíveis, mas podem não ter o mesmo desempenho que o cobre.

Quais são os fatores que afetam o desempenho de um dissipador de calor?

O desempenho de um dissipador de calor pode depender de vários fatores, conforme explicado abaixo:

1. Condutividade térmica:A condutividade térmica do material do dissipador de calor é um dos fatores mais importantes que afetam o desempenho. Materiais com maior condutividade térmica, como cobre ou diamante, podem transferir o calor do componente eletrônico com mais eficiência.
2. Design das aletas:O aumento da contagem de aletas geralmente melhora a transferência de calor, aumentando a área de superfície, mas aletas excessivamente densas podem prejudicar o fluxo de ar e reduzir o desempenho.
3. Fluxo de ar:O calor é removido do dissipador de calor pela ação de convecção natural ou forçada. Quanto maior a taxa de fluxo de ar ao redor das aletas do dissipador de calor, maior será a taxa de transferência de calor.
4. Resistência Térmica:A resistência à transferência de calor na interface entre uma fonte de calor e seu dissipador de calor pode ser causada pela existência de espaços de ar entre os componentes. O uso de pasta térmica na interface ajuda a reduzir a resistência térmica, eliminando bolsas de ar isolantes.
5. Temperatura ambiente:Uma temperatura ambiente mais alta resultará em um gradiente de temperatura menor entre a fonte de calor e o fluido circundante. Isso reduzirá o desempenho do dissipador de calor.

Perguntas frequentes sobre dissipadores de calor

Os dissipadores de calor causam aumento de calor na impressão 3D?

Não, um dissipador de calor foi projetado para eliminar o aumento do calor na impressão 3D. Ele transfere o calor da extremidade quente para o ar circundante e evita que ele suba pelo conjunto da extrusora.

Qual é a diferença entre um dissipador de calor e um dissipador de calor?

Um dissipador de calor normalmente inclui uma base e aletas e dissipa o calor no fluido circundante, muitas vezes auxiliado por convecção. Um dissipador de calor, por outro lado, não dissipa significativamente o calor, mas em vez disso o redistribui sobre uma área de superfície maior para reduzir pontos quentes locais e facilitar a transferência para outro componente de resfriamento, como um dissipador de calor, uma placa fria ou um chassi do sistema.

Resumo

Este artigo apresentou dissipadores de calor, explicou o que são e discutiu como funcionam. Para saber mais sobre dissipadores de calor, entre em contato com um representante da Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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