Noções básicas de projeto de dissipador de calor: fatores e cálculo

Projeto de dissipador de calor

Os dissipadores de calor são os componentes mais facilmente esquecidos em máquinas e circuitos elétricos. No entanto, este não é o caso ao projetar hardware, pois os dissipadores de calor desempenham uma função muito importante. Quase todas as tecnologias, incluindo CPUs, diodos e transistores, geram energia térmica, o que pode reduzir o desempenho térmico e tornar a operação ineficiente.

Para enfrentar os desafios da dissipação de calor, diferentes tipos de dissipadores de calor são desenvolvidos para alimentar diferentes elementos e garantir que operem na temperatura ideal para cada um.

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia (especialmente da nanotecnologia) e o desenvolvimento dos produtos mais compactos e eficientes possíveis, o design correto do dissipador de calor tornou-se um fator de verificação e equilíbrio na produção de produtos elétricos. Portanto, 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 dissipa o excesso de calor de outro componente. Num circuito integrado, um dissipador de calor é feito de um material com alta condutividade térmica para dissipar o calor indesejado. Isso funciona aumentando a área de superfície e permitindo que ar ou líquido mais frio flua sobre a superfície.

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

Tipos de dissipadores de calor

A primeira etapa na identificação do projeto do dissipador de calor é determinar o tipo de configuração. Existem dois tipos comuns de dissipadores de calor.

Dissipadores de calor passivos

Dissipadores de calor passivos são a opção convencional, pois utilizam fluxo de ar natural. A convecção natural se forma acima do dissipador de calor, o que afasta o calor do componente. Eles são mais baratos para operar e não requerem eletricidade adicional para funcionar.

Dissipadores de calor ativos

Os dissipadores de calor ativos são mais eficientes e potentes, mas requerem convecção forçada com ar ou líquido para permitir a transferência de calor. Eles são fáceis de detectar porque usam dispositivos elétricos, como um ventilador próximo ao dissipador de calor.

A escolha de um dissipador de calor leva a diferenças de design. Por exemplo, dissipadores de calor ativos com ventiladores requerem uma área de superfície menor e um material mais leve para dissipar a mesma quantidade de calor que um condutor passivo.

Fatores e considerações no projeto do dissipador de calor

Dissipadores de calor de cobre e alumínio

Cada dissipador de calor funciona com o mesmo princípio básico. Primeiro, o calor é gerado em um componente e o dissipador de calor ajuda a dissipar esse calor. Um dissipador de calor conectado ao componente ou circuito recebe calor por meio de condução de calor ou tubos de calor. A condutividade térmica do material do dissipador de calor influencia significativamente este processo.

Em seguida, a transferência de calor ocorre dentro de todo o dissipador de calor. O trocador de calor passivo ou dissipador de calor é mais quente próximo à fonte de calor e mais frio na outra extremidade porque essa condução natural distribui o calor de maneira desigual pela superfície.

O calor é então dissipado por convecção natural e forçada. O ar ou líquido fluindo diretamente sobre a superfície do dissipador de calor remove o calor gerado pela difusão e o libera no ar circundante.

Agora está claro que muitos fatores influenciam o desempenho do dissipador de calor, incluindo material, geometria e tipo de refrigerante. Esses parâmetros devem ser considerados antes de fabricar um dissipador de calor.

1. Resistência térmica

A resistência térmica pode ser simplesmente definida como a resistência térmica combinada experimentada pelo calor gerado à medida que se move através de um gradiente de temperatura. Estes incluem resistência térmica dentro do conjunto do dissipador de calor, qualquer fricção e perdas de energia térmica devido à resistência entre o líquido refrigerante e a superfície do trocador de calor.

A resistência térmica pode ser calculada usando o valor da resistência térmica. É extremamente útil para encontrar a resistência térmica mais eficaz para componentes e CIs.

2. Tipos de materiais

O design do dissipador de calor é amplamente influenciado pelo material escolhido. Os materiais populares para dissipadores de calor incluem ligas de alumínio, como AA 6063-T6 e cobre, tungstênio ou cobre molibdênio. Os dissipadores de calor de cobre oferecem excelente condutividade térmica e resistência à corrosão, mas são mais pesados ​​e mais caros que o alumínio. Além disso, são utilizados diamantes cultivados em laboratório (Chemical Vapor Diamonds, CVDs), cuja condutividade térmica provém de vibrações dentro de sua estrutura reticular.

Outros dispositivos produtores de calor afetados pela resistência térmica incluem baterias de íons de lítio usadas em carros. A dissipação do calor dessas baterias é crítica, caso contrário, a fuga térmica pode levar a uma reação em cadeia que destrói a bateria. Um dissipador de calor de fibra de carbono com maior condutividade oferece à indústria automotiva uma solução de gerenciamento térmico.

3. Aletas do dissipador de calor

As aletas são o componente de um dissipador de calor que permite a transferência de calor do dissipador de calor para a temperatura ambiente. A forma e a localização podem ter um grande impacto na forma como o dissipador de calor transfere energia, enquanto o tamanho e o número dessas aletas determinam sua eficiência.

3.1 Disposição, forma, tamanho e posição das ripas

As aletas são os locais onde o meio de resfriamento flui sobre o dissipador de calor como o ar, permitindo a dissipação do calor. Portanto, a disposição e o tamanho são importantes ao projetar dissipadores de calor. Melhorar esses fatores pode levar a uma melhor dissipação de calor e a um fluxo de calor mais fácil. Em um estudo publicado na Science Direct, os resultados de um relatório discutiram como o formato pode afetar o gerenciamento térmico dos 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%, respectivamente, do que os outros dois formatos” – Estudos de caso em engenharia térmica

3.2 Eficiência da lamela

Componentes elétricos em grandes unidades tecnológicas, como servidores, produzem calor excessivo. A transferência lenta de calor pode reduzir o desempenho e a vida útil. Um tubo de calor e refrigeração líquida oferecem grande potencial, mas um trocador de calor com aletas é essencial para uma dissipação de calor confiável e contínua.

As aletas aumentam a área de superfície para dissipação de energia em componentes elétricos, e fatores como espessura, altura e resistência térmica afetam a eficiência das aletas. Para melhorar a eficiência, a camada limite térmica é mais fina e a direção do ar é definida no ângulo ideal, sendo o próprio dissipador de calor feito de um material com alta condutividade térmica.

4. Material condutor térmico

Projeto eletrônico para transferência de calor

O dissipador de calor deve ser conectado a componentes e circuitos elétricos. A interface entre o trocador de calor e os componentes elétricos típicos é chamada de material condutor de calor.

A resistência da interface térmica pode reduzir a eficiência do dissipador de calor e a rugosidade da superfície, e o ar preso e os vazios podem aumentar a resistência térmica de contato. É claro que a transferência de calor é fraca com esses defeitos na interface e, para diminuir a resistência térmica, são utilizados vários materiais de interface térmica, como materiais de mudança de fase. A resistência térmica do componente é reduzida à medida que o ar é removido e as cavidades são preenchidas, garantindo contato completo.

5. Métodos de fixação de dissipadores de calor

Um dissipador de calor é usado em muitos lugares, incluindo componentes mecânicos. A escolha da montagem do dissipador de calor pode melhorar significativamente a dissipação máxima de energia e dissipar mais energia térmica. Os métodos comumente usados ​​incluem fita térmica, epóxi, clipes e alfinetes.

Muitos fatores no projeto do dissipador de calor influenciam a escolha da montagem. Por exemplo, dissipadores de calor grandes e pesados ​​não podem ser suportados com faixas térmicas. A resina epóxi é uma boa escolha para soluções de gerenciamento térmico, mas é cara e requer habilidade para ser aplicada.

Projeto do dissipador de calor: Cálculo da resistência térmica

Resistência ao calor

O design do dissipador de calor completa a geometria e a funcionalidade para o uso pretendido. Porém, para avaliar o desempenho dos dissipadores na dissipação de calor, são necessários alguns cálculos de resistência térmica.

Alguns termos que você deve conhecer:

TCruzando : Temperatura máxima de operação da junção

TAmbiente : Temperatura ambiente

P : Calor gerado

TCaixa de conexão : Conexão à resistência da caixa

Tinterface : resistência do material de interface

TDissipador de calor : Resistência térmica do dissipador de calor

Cálculo da resistência térmica

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

Os cálculos acima também são utilizados na fase de projeto para fazer comparações entre diferentes materiais e interfaces e para determinar a resistência térmica correta que corresponde à temperatura máxima de operação do componente.

Projeto do dissipador de calor: cálculo do tamanho

O primeiro passo no dimensionamento de um dissipador de calor é determinar suas dimensões. Determinadas as dimensões, o próximo passo é fazer alguns cálculos, que são facilitados pela calculadora do dissipador de calor.

  • Determinar o calor de convecção

PC = 2hA(Tcompensação -TAmbiente )

Onde

A = HL + t(2H + L)

h = 1,42(( Tcompensação -TAmbiente )/H ) >0,25

PC : 2hA( Tcompensação -TAmbiente )

  • Você notará que há outra superfície para a dissipação do calor. O calor de convecção em A2

PC = 2 horas2A2(Tcompensação -TAmbiente )

Onde

A2 = L(2(H – b) + sb) + tL

s = 2,71 (gβ(Tcompensação -TAmbiente )/Lαv )

  • Determinação do calor emitido pela radiação.

Tal como a convecção, o calor pode escapar das duas superfícies através da radiação.

PR = 2ϵσA1(T4compensação -T4Ambiente )

Pr2 = 2ϵσA2(T4compensação -T4Ambiente )

Onde

A2 = eu(t + s) + 2(tH + sb)

  • Finalmente, o número de barbatanas é dado por

FN = 1 + ((PPr2Pc2) / (Pr1 + Pc1))

  • A largura de cada ripa é dada por

W = (N – 1) + Nt

Aplicações de dissipadores de calor

Dissipadores de calor são usados ​​onde o calor é gerado e isso precisa ser constantemente regulado para manter a temperatura operacional dentro da temperatura máxima permitida. Em dispositivos elétricos, dissipadores de calor podem ser encontrados em quase todos os lugares onde você vê LEDs e transistores. Isto significa que permanecem funcionais à temperatura ambiente sem sobreaquecimento.

A aplicação de dissipadores de calor é amplamente caracterizada pela taxa com que conduzem calor. Portanto, materiais com maior condutividade térmica são utilizados para processos onde o aumento da temperatura representa um risco às operações.

CPUs

Quando os computadores são usados ​​e os chips da CPU estão com overclock, um calor significativo é gerado. Um dissipador de calor acoplado termicamente a uma CPU pode não apenas armazenar esse calor e dissipá-lo rapidamente do chip, mas também transferi-lo através de sua superfície e, por fim, liberá-lo no ar circundante.

Amplificador de potência

Nos transistores de potência, o calor gerado pode causar fuga de corrente. Este aumento na corrente do coletor pode, por sua vez, aumentar a dissipação de energia, o que por sua vez pode aumentar a temperatura. Isso pode levar à fuga térmica, que destrói o transistor. Um dissipador de calor pode dissipar rapidamente o calor gerado em sua superfície, evitando danos.

Optoeletrônica

Os dissipadores de calor são frequentemente usados ​​com LEDs porque o próprio componente é incapaz de regular sua temperatura operacional.

Métodos de fabricação comuns para projetos de dissipadores de calor

Para desenvolver um projeto de dissipador de calor eficaz, os engenheiros devem considerar muitos fatores diferentes, como a seleção do material. O alumínio é o material mais comumente usado para fazer dissipadores de calor. Nesta seção, discutiremos os três métodos mais comuns de fabricação de dissipadores de calor de alumínio.

Extrusão do dissipador de calor

O processo de extrusão é adequado para projetos de dissipadores de calor mais simples, caracterizados por altos volumes de produção, menores investimentos, ciclos de desenvolvimento curtos e baixos custos de produção.

O material de extrusão de alumínio comumente usado é o alumínio 6063, que possui boa condutividade térmica. O princípio de funcionamento é aquecer o lingote de alumínio a 520-540°C em alta pressão para fazer o líquido de alumínio fluir através do molde de extrusão com ranhuras e formar o embrião do dissipador de calor. Em seguida, o embrião do dissipador de calor, a ranhura do perfil e outras etapas de processamento são cortados das aletas do dissipador de calor que vemos com frequência.

Usinagem CNC de dissipadores de calor

dissipador de calor usinado

A usinagem CNC inclui uma variedade de processos, como torneamento, furação, fresamento e retificação. Este processo pode ser aplicado de forma flexível de acordo com a estrutura das peças e a utilização da maioria das peças estruturais, tais como: Tal como formação de placas, ranhuras de dissipadores de calor, processamento de superfícies inferiores, etc. Este método é particularmente adequado para o projeto de dissipadores de calor com geometria complexa.

Dissipador de calor fundido

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

Diploma

Os usos de dissipadores de calor continuarão a se expandir à medida que mais avanços técnicos forem feitos e melhores soluções forem encontradas para tornar um processo mais útil. O design do dissipador de calor também está se tornando mais diversificado e individual.

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