Distribuidores de calor:guia completo para tipos, componentes, aplicações e fatores de desempenho

Os espalhadores de calor são objetos feitos de materiais com alta condutividade térmica que espalham o calor de uma fonte localizada por uma área de superfície maior, às vezes transferindo-o para um trocador de calor secundário, dissipador de calor ou dissipando-o no ar ambiente para evitar o superaquecimento de componentes críticos. Esses dispositivos dissipadores de calor são normalmente feitos de cobre, alumínio, grafite ou diamante. Diferentes tipos de espalhadores de calor, incluindo espalhadores de calor metálicos, dispositivos de mudança de fase, como câmaras de vapor e tubos de calor, e compostos de transferência térmica para preencher lacunas de ar, foram projetados para maximizar a eficiência da transferência de calor para diferentes aplicações. Os dissipadores de calor são comumente usados ​​em processadores de computador, dispositivos móveis e eletrônicos automotivos, entre outras coisas. Este artigo revisará o que são dissipadores de calor e explicará os diferentes tipos e aplicações para garantir que você tenha as informações necessárias para concluir seu projeto.

O que é um dissipador de calor?

Um dissipador de calor é um objeto que facilita a dissipação de calor de uma fonte de temperatura mais alta para um trocador de calor adicional ou para um meio mais frio, como o ar ambiente. Os espalhadores de calor são frequentemente usados ​​em sistemas eletrônicos e elétricos. Eles também são comumente usados ​​em sistemas HVAC, aquecedores de água, usinas de energia e outras aplicações industriais.

Ilustração de um dissipador de calor

Qual é a importância de um dissipador de calor?

Os dissipadores de calor são dispositivos importantes para evitar o superaquecimento de componentes críticos em sistemas eletrônicos e industriais. O superaquecimento prejudica o desempenho da eletrônica de duas maneiras:degrada o desempenho dos semicondutores, cuja resistividade cai com o aumento da temperatura, bem como o desempenho das conexões metálicas dos componentes eletrônicos ao restante do sistema eletrônico. Isso faz com que o disco rígido e o processador fiquem lentos. Se muito calor for desenvolvido sem ser dissipado, o calor excessivo pode causar falhas nos sistemas de computador e danificar componentes.

Como funciona um dissipador de calor?

Um dissipador de calor funciona conduzindo energia térmica de uma fonte de calor para um trocador de calor secundário ou para um meio mais frio. Isto pode ser conseguido utilizando peças sólidas de material com alta condutividade térmica ou utilizando mecanismos de mudança de fase, como aqueles encontrados em tubos de calor ou câmaras de vapor, que dependem do calor latente de vaporização.

Em dissipadores de calor sólidos, o calor é conduzido através do bloco metálico e longe da fonte. Os espalhadores de mudança de fase (como tubos de calor) usam uma câmara selada e evacuada, parcialmente preenchida com fluido de trabalho que vaporiza quando aquecido. O fluido absorve calor e vaporiza na seção do evaporador perto da fonte de calor. Esse vapor então viaja através de um tubo de calor ou câmara de vapor até um trocador de calor secundário para transportar o calor para longe da fonte. O vapor então se condensa nas superfícies internas mais frias e repete o ciclo.

Quais são os componentes de um dissipador de calor?

Os espalhadores de calor contêm um ou mais dos componentes listados abaixo:

1. Material base

O material de base forma a folha primária, bloco ou estrutura de preenchimento de lacunas de um dissipador de calor que transfere calor da fonte de temperatura mais alta para o trocador de calor secundário. Os materiais básicos devem ter alta condutividade térmica. Isso torna o cobre, o alumínio, o grafite e o diamante boas escolhas.

2. Material de interface térmica

O material de interface térmica (TIM) é uma substância colocada entre o dissipador de calor e o dispositivo gerador de calor para ajudar a melhorar a transferência de calor. TIM é normalmente uma pasta térmica à base de silicone ou pasta térmica com cargas de óxido metálico, prata ou grafite.

3. Barbatanas

As aletas são saliências do corpo primário do dissipador de calor que aumentam a quantidade de área de superfície disponível para resfriamento por convecção longe da fonte de calor. O ar ambiente flui entre as aletas e remove ainda mais o calor das aletas e, portanto, do sistema, por convecção. As aletas geralmente são feitas de metais leves e de alta condutividade, como alumínio ou cobre, embora não precisem ser do mesmo material da base.

4. Tubos de calor

Os tubos de calor são tubos fechados que consistem em uma estrutura externa termicamente condutora, um pavio e um fluido de trabalho. Uma extremidade do tubo de calor fica na zona que será resfriada e absorve calor dela. Esse calor evapora o líquido do pavio, na parede interna do tubo de calor. O gás resultante desce pelo centro do tubo até a seção do condensador, onde as paredes do resfriador recondensam o vapor no pavio. A ação capilar então puxa o líquido de volta para a zona quente (evaporador), proporcionando uma circulação contínua de fluido de resfriamento dentro do tubo selado.

5. Fãs

Os ventiladores são normalmente colocados próximos ou integrados ao dissipador de calor ou ao dissipador de calor. Os ventiladores ajudam a dissipar ainda mais o calor devido à convecção forçada.

6. Gabinete

Alguns componentes eletrônicos não têm espaço para componentes dissipadores de calor. Portanto, grandes invólucros planos feitos de cobre ou alumínio são usados ​​para dissipar o calor. Os gabinetes são normalmente usados ​​para eletrônicos que operam em aplicações com ambientes de alta vibração ou em aplicações onde os eletrônicos devem ser protegidos do meio ambiente.

Quais são os tipos de espalhadores de calor?

Os tipos de dissipadores de calor estão descritos na lista abaixo:

1. Distribuidores de calor metálicos

Os dissipadores de calor metálicos são geralmente fabricados em cobre ou alumínio. Eles são frequentemente usados ​​em eletrônica e em aplicações industriais. Sua principal vantagem sobre outros tipos de espalhadores de calor é que eles são fáceis de fabricar e eficientes na dissipação de calor. Algumas desvantagens dos dissipadores de calor metálicos são que eles podem ser mais pesados ​​(especialmente o cobre) e que o cobre é mais caro, embora seja altamente condutor térmico.

2. Distribuidores de calor de grafite

Os dissipadores de calor de grafite são comumente usados em eletrônicos automotivos e de consumo e em baterias. A principal vantagem dos dissipadores de calor de grafite é que eles são leves em comparação com os dissipadores de calor metálicos. Eles também são igualmente eficientes e às vezes podem superar os metais no espalhamento térmico (no plano) e podem ser usados ​​em espaços apertados. Uma grande desvantagem é que eles são frágeis. Eles também são frequentemente mais caros que o alumínio, mas geralmente mais baratos que os compósitos de cobre-diamante ou materiais de alta qualidade.

3. Câmaras de Vapor

As câmaras de vapor são dispositivos de troca de calor, como tubos de calor, feitos de um metal termicamente condutor, um pavio e um fluido de trabalho. Eles podem ser considerados tubos de calor planares. As câmaras de vapor possuem uma seção evaporadora na qual um líquido absorve calor de uma fonte. Isso faz com que o líquido se transforme em gás e se desloque para a área do condensador. Em seguida, ele esfria e se transforma em um líquido, que circula de volta para a extremidade de alta temperatura do dispositivo por ação capilar. As câmaras de vapor são frequentemente usadas em espaços apertados e confinados, como dispositivos móveis ou laptops. Uma grande vantagem das câmaras de vapor é que elas podem ser usadas em espaços apertados e são eficientes na dissipação de grandes quantidades de calor. Uma desvantagem é o custo mais alto e a transferência de calor limitada na direção Z em comparação com as opções de metal sólido.

4. Tubos de calor

Tubos de calor são dispositivos dissipadores de calor feitos de um metal tubular ou plano termicamente condutor, um pavio e um fluido de trabalho. O movimento e as mudanças de fase do fluido facilitam a transferência de calor da fonte de calor para um trocador de calor secundário ou para o ar ambiente. Eles são comumente usados ​​em aplicações eletrônicas e industriais. Sua principal vantagem é que eles são melhores para aplicações de baixo consumo de energia e oferecem grande flexibilidade ao projetar um sistema com muitos componentes. As desvantagens incluem desempenho limitado em aplicações de fluxo de calor extremamente alto e possíveis problemas de orientação dependendo do design do pavio (embora os pavios sinterizados modernos mitiguem isso). O custo varia de acordo com a complexidade.

5. Distribuidores de calor compostos

Os espalhadores de calor compostos são feitos de vários materiais que trabalham juntos para remover o calor de uma fonte primária. Geralmente são um metal termicamente condutor e um material altamente condutor térmico, como arsenieto de boro ou grafite. Esses dissipadores de calor são comumente usados ​​em eletrônicos com alta demanda de energia, onde o peso é uma preocupação. Os dissipadores de calor compostos podem remover o calor de maneira eficaz e eficiente, sem adicionar muito peso ao dispositivo. No entanto, eles são mais caros devido à integração complexa de materiais e aos processos de fabricação de nichos.

Quais são as aplicações dos espalhadores de calor?

Algumas das aplicações dos dissipadores de calor estão listadas abaixo:

1. Processadores de computador

Os dissipadores de calor são frequentemente usados em processadores de computador para evitar superaquecimento durante a operação. O dissipador de calor normalmente é montado diretamente na superfície do processador para absorver e distribuir rapidamente o calor para longe da fonte. O superaquecimento de um processador pode causar danos permanentes ao componente, redução da vida útil e diminuição do desempenho.

2. Módulos de memória

Os dissipadores de calor são usados em módulos de memória (memória de acesso aleatório ou RAM) para evitar superaquecimento e melhorar o desempenho térmico e a estabilidade. Os dissipadores de calor feitos de cobre ou alumínio normalmente envolvem todo o stick de RAM devido à área confinada onde os módulos de memória são colocados.

3. Iluminação LED

Grandes holofotes LED e luzes suspensas são eficientes em termos energéticos, mas ainda geram muito calor. O superaquecimento pode levar à redução da vida útil e da eficácia. As luzes LED são normalmente fixadas em uma placa de circuito impresso (PCB). Esses PCBs geralmente integram núcleos de alumínio ou usam vias térmicas e placas de base para atuar como espalhadores. O dissipador de calor transporta calor para o ar circundante para evitar o superaquecimento dos componentes do LED.

4. Eletrônica de Potência

Eletrônica de potência é o uso da eletrônica para controlar e converter energia elétrica. Circuitos elétricos, interruptores e componentes de alta potência são projetados para transportar correntes mais altas e gerar muito mais calor no processo. Os espalhadores de calor são usados ​​em eletrônica de potência para evitar superaquecimento, permitindo o projeto de eletrônicos com maior densidade de potência, desempenho, confiabilidade e vida útil.

5. Eletrônica Automotiva

À medida que os carros ficam repletos de mais eletrônicos, a demanda de energia e, portanto, a geração de calor aumentam. HVAC, sistemas de infoentretenimento e instrumentos de painel são todos eletrônicos comumente incluídos em automóveis. Os espalhadores de calor removem o calor dos componentes geradores de calor para evitar o superaquecimento e reduzir o desempenho.

6. Dispositivos móveis

Devido à potência dos dispositivos móveis atuais, os dissipadores de calor são essenciais para evitar o superaquecimento e garantir desempenho e vida útil ideais. Os espalhadores de calor atuam como camadas de grafite ou câmara de vapor integradas à estrutura da PCB ou chassi que alimenta as funções do dispositivo devido ao espaço confinado dentro de um dispositivo móvel. O calor é transferido através do dissipador de calor para o revestimento externo do dispositivo e depois liberado no ar ambiente por convecção natural.

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

Os fatores que afetam o desempenho do dissipador de calor são descritos abaixo:

1. Condutividade Térmica

A condutividade térmica refere-se à capacidade de um material de conduzir calor. Os espalhadores de calor são feitos de materiais altamente condutores, como cobre ou alumínio. Eles podem absorver e distribuir rapidamente o calor para longe da fonte de calor. Isso leva a um resfriamento mais eficiente. Uma condutividade térmica mais alta geralmente significa um dissipador de calor mais eficaz.

2. Resistência Térmica

A resistência térmica é a resistência à transferência de calor através de um material ou gradiente de temperatura e é considerada o inverso da condutividade térmica. Embora uma maior resistência térmica dentro do material espalhador seja indesejável, a resistência térmica no nível do sistema (incluindo TIMs e interfaces) afeta principalmente o desempenho no mundo real.

3. Área de Superfície

A transferência de calor depende do movimento de energia de uma área de temperatura mais alta para uma área de temperatura mais baixa. À medida que um dissipador de calor absorve o calor da fonte principal, ele precisa transferir esse calor para o trocador de calor secundário ou para a atmosfera. Quanto maior a área de superfície do dissipador de calor, mais oportunidades ele terá de transferir calor para o ambiente, para que possa continuar a absorver mais calor da fonte pontual.

4. Projeto do dissipador de calor

O projeto do dissipador de calor está relacionado à contagem de aletas, geometria das aletas e posicionamento das aletas. Mais aletas podem melhorar a dissipação térmica, mas somente se o fluxo de ar e o espaçamento forem otimizados; muitas aletas podem reter o calor, restringindo o fluxo de ar. 

5. Materiais de interface térmica (TIM)

Os dissipadores de calor são fixados aos componentes por um TIM. A resistência térmica de um TIM pode reduzir a eficiência do dissipador de calor devido a irregularidades na superfície da interface. Vazios e ar preso aumentam a resistência térmica e impactam negativamente a eficácia do dissipador de calor.

6. Fluxo de ar

O fluxo de ar dos ventiladores pode melhorar a eficácia dos dissipadores de calor. Isso ocorre porque os ventiladores podem ajudar a remover o ar quente de um gabinete eletrônico por meio de convecção forçada. Isso melhora o gradiente de temperatura e aumenta a eficiência da transferência de calor por convecção.

7. Ambiente Operacional

A taxa de fluxo do fluido e a temperatura do fluido afetam a resistência térmica de um dissipador de calor e sua eficácia na dissipação de calor. As características do fluxo de ar ambiente (velocidade, turbulência, direção) e a temperatura ambiente impactam a dissipação térmica. Em ambientes com pouca ventilação ou altas temperaturas externas, a eficácia do dissipador de calor cai significativamente. 

Quais são os benefícios dos espalhadores de calor?

Os benefícios dos dissipadores de calor estão listados abaixo:

1. Evitar danos aos componentes: Os espalhadores de calor são usados para dissipar o calor dos componentes eletrônicos, evitando seu superaquecimento e danos permanentes. Isso pode aumentar a vida útil dos componentes e melhorar a confiabilidade geral do dispositivo eletrônico.
2. Desempenho melhorado: Os espalhadores de calor ajudam a melhorar o desempenho dos dispositivos eletrônicos, evitando o superaquecimento. Isso permite que os dispositivos operem dentro das faixas térmicas ideais e evita o afogamento térmico, que pode degradar o desempenho.
3. Consumo reduzido de energia: Embora os dissipadores de calor evitem principalmente a degradação do desempenho, eles não reduzem significativamente o consumo total de energia dos dispositivos eletrônicos. No entanto, podem reduzir a energia necessária para sistemas de refrigeração ativos adicionais.
4. Segurança: Os espalhadores de calor contribuem para produtos mais seguros, evitando o superaquecimento. Isso minimiza o potencial de queimaduras causadas pelo toque em superfícies quentes ou até mesmo por incêndios.
5. Design flexível: Os espalhadores de calor vêm em vários tipos e podem ser adaptados em forma, material e configuração. Portanto, os engenheiros têm a liberdade de projetar dissipadores de calor adaptados para dispositivos específicos para obter uma dissipação de calor ideal.

Quais são as limitações dos espalhadores de calor?

Algumas das limitações dos dissipadores de calor estão listadas abaixo:

1. Custo: Os espalhadores de calor podem ser caros, especialmente aqueles feitos de materiais de alta condutividade, como cobre ou compósitos avançados. O alumínio é geralmente considerado de baixo custo. Isso pode aumentar o custo geral dos dispositivos eletrônicos.
2. Tamanho e peso: Os dissipadores de calor podem aumentar o peso dos dispositivos eletrônicos. Além disso, como muitos dispositivos estão se tornando mais compactos, os dissipadores de calor nem sempre conseguem remover calor suficiente do dispositivo.
3. Dissipação de calor limitada: A capacidade de um dissipador de calor de dissipar adequadamente o calor é limitada pelo tamanho do invólucro ao qual ele serve, pelos materiais e design do dissipador de calor e pelas condições ambientais para as quais ele deve transferir seu calor.
4. Detritos estranhos podem afetar o desempenho: Poeira e detritos afetam principalmente os componentes ativos de resfriamento, como dissipadores de calor e ventiladores. Distribuidores de calor passivos (por exemplo, câmaras de vapor dentro de dispositivos selados) normalmente não são afetados, a menos que o fluxo de ar sobre os dissipadores de calor conectados seja obstruído.
5. Limitações estruturais: O desempenho do dissipador de calor é limitado pelas limitações do formato do dispositivo. Portanto, às vezes pode ser difícil projetar dissipadores de calor eficazes se houver espaço limitado dentro de um dispositivo.

Perguntas frequentes sobre espalhadores de calor

São necessários dissipadores de calor na RAM?

Os dissipadores de calor na RAM não são estritamente necessários para sistemas padrão de consumo, mas podem ser benéficos em configurações de alto desempenho ou com overclock. A RAM moderna pode gerar calor significativo sob alta carga ou quando em overclock, e aceleração térmica ou instabilidade podem ocorrer sem resfriamento adequado.

Qual é a diferença entre espalhadores de calor e dissipadores de calor?

Um dissipador de calor é um dispositivo que distribui lateralmente o calor para longe de uma fonte concentrada, normalmente para reduzir pontos quentes localizados e melhorar a eficiência geral da dissipação de calor.
Um dissipador de calor é um trocador de calor passivo que aumenta a área de superfície para dissipar o calor para o ambiente circundante, geralmente por meio de convecção (com ou sem fluxo de ar forçado).
Embora trabalhem com o mesmo objetivo térmico, um dissipador de calor e um dissipador de calor têm funções diferentes:os dissipadores de calor distribuem o calor, enquanto os dissipadores de calor o expelem. Um dissipador de calor não é um subconjunto de um dissipador de calor; eles são complementares, mas distintos.

Resumo

Este artigo apresentou dissipadores de calor, explicou o que são e discutiu seus componentes e aplicações. 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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