Los disipadores de calor son los componentes que más fácilmente se olvidan en las máquinas y circuitos eléctricos. Sin embargo, este no es el caso cuando se diseña hardware, ya que los disipadores de calor juegan un papel muy importante. Casi todas las tecnologías, incluidas las CPU, los diodos y los transistores, generan energía térmica, lo que puede reducir el rendimiento térmico y hacer que el funcionamiento sea ineficiente.
Para abordar los desafíos de disipación de calor, se desarrollan diferentes tipos de disipadores de calor para alimentar diferentes elementos y garantizar que funcionen a la temperatura ideal para cada uno.
Con el rápido desarrollo de la tecnología (especialmente la nanotecnología) y el desarrollo de los productos más compactos y eficientes posibles, el diseño correcto del disipador de calor se ha convertido en un factor de control y equilibrio en la producción de productos eléctricos. Por lo tanto, este artículo analizará los detalles y las consideraciones de diseño de los disipadores de calor.
¿Qué es un disipador de calor?
Un disipador de calor es un dispositivo que disipa el exceso de calor de otro componente. En un circuito integrado, un disipador de calor está hecho de un material con alta conductividad térmica para disipar el calor no deseado. Esto funciona aumentando el área de superficie y permitiendo que aire o líquido más frío fluya sobre la superficie.
Según la ley de Fourier, el calor se transfiere de una zona más caliente a una zona más fría. Un disipador de calor basado en esta ley opera a través de un gradiente de temperatura. Absorbe el calor no deseado generado en un componente eléctrico y lo transfiere a aire o líquido más frío mediante métodos de transferencia de calor como la conducción o la convección natural.
Tipos de disipadores de calor
El primer paso para identificar el diseño del disipador de calor es determinar el tipo de configuración. Hay dos tipos comunes de disipadores de calor.
Disipadores de calor pasivos
Los disipadores de calor pasivos son la opción convencional ya que utilizan el flujo de aire natural. Se forma convección natural encima del disipador de calor, lo que aleja el calor del componente. Son más baratos de operar y no requieren electricidad adicional para funcionar.
Disipadores de calor activos
Los disipadores de calor activos son más eficientes y potentes, pero requieren convección forzada con aire o líquido para permitir la transferencia de calor. Son fáciles de detectar porque utilizan dispositivos eléctricos como un ventilador cerca del disipador de calor.
La elección de un disipador conlleva diferencias de diseño. Por ejemplo, los disipadores de calor activos con ventiladores requieren una superficie más pequeña y un material más liviano para disipar la misma cantidad de calor que un conductor pasivo.
Factores y consideraciones en el diseño de disipadores de calor.
Cada disipador de calor funciona según el mismo principio básico. Primero, se genera calor en un componente y el disipador de calor ayuda a disipar ese calor. Un disipador de calor conectado al componente o circuito recibe calor a través de conducción de calor o tubos de calor. La conductividad térmica del material del disipador de calor influye significativamente en este proceso.
Entonces se produce la transferencia de calor dentro de todo el disipador de calor. El intercambiador de calor pasivo o disipador de calor está más caliente cerca de la fuente de calor y más frío en el otro extremo porque esta conducción natural distribuye el calor de manera desigual por la superficie.
Luego, el calor se disipa por convección natural y forzada. El aire o líquido que fluye directamente sobre la superficie del disipador de calor elimina el calor generado por difusión y lo libera al aire circundante.
Ahora está claro que muchos factores influyen en el rendimiento del disipador de calor, incluidos el material, la geometría y el tipo de refrigerante. Estos parámetros deben considerarse antes de fabricar un disipador de calor.
1. Resistencia térmica
La resistencia térmica se puede definir simplemente como la resistencia térmica combinada que experimenta el calor generado a medida que avanza a través de un gradiente de temperatura. Estos incluyen la resistencia térmica dentro del conjunto del disipador de calor, cualquier fricción y pérdidas de energía térmica debido a la resistencia entre el refrigerante y la superficie del intercambiador de calor.
La resistencia térmica se puede calcular utilizando el valor de resistencia térmica. Es extremadamente útil para encontrar la resistencia térmica más efectiva para componentes y circuitos integrados.
2. Tipos de materiales
El diseño del disipador está influenciado en gran medida por el material elegido. Los materiales populares para los disipadores de calor incluyen aleaciones de aluminio como AA 6063-T6 y cobre, tungsteno o cobre molibdeno. Los disipadores de calor de cobre ofrecen una excelente conductividad térmica y resistencia a la corrosión, pero son más pesados y caros que el aluminio. Además, se utilizan diamantes cultivados en laboratorio (Chemical Vapor Diamonds, CVD), cuya conductividad térmica proviene de vibraciones dentro de su estructura reticular.
Otros dispositivos productores de calor afectados por la resistencia térmica incluyen las baterías de iones de litio utilizadas en los automóviles. La disipación de calor de estas baterías es fundamental; de lo contrario, la fuga térmica puede provocar una reacción en cadena que destruya la batería. Un disipador de calor de fibra de carbono con mayor conductividad ofrece a la industria automotriz una solución de gestión térmica.
3. Aletas del disipador de calor
Las aletas son el componente de un disipador de calor que permite la transferencia de calor desde el disipador de calor a la temperatura ambiente. La forma y la ubicación pueden tener un gran impacto en la forma en que el disipador de calor transfiere energía, mientras que el tamaño y la cantidad de estas aletas determinan su eficiencia.
3.1 Disposición, forma, tamaño y posición de las lamas
Las aletas son los lugares donde el medio refrigerante fluye sobre el disipador de calor como aire, permitiendo que el calor se disipe. Por lo tanto, la disposición y el tamaño son importantes al diseñar disipadores de calor. Mejorar estos factores puede conducir a una mejor disipación del calor y un flujo de calor más fácil. En un estudio publicado en Science Direct, los resultados de un informe analizan cómo la forma puede afectar la gestión térmica de los disipadores de calor.
“Los resultados mostraron que las aletas circulares mejoraron el rendimiento térmico del disipador de calor y redujeron la resistencia térmica en un 25% y un 12%, respectivamente, que las otras dos formas” – Estudios de casos en ingeniería térmica
3.2 Eficiencia del cubreobjetos
Los componentes eléctricos de las grandes unidades tecnológicas, como los servidores, producen un calor excesivo. La transferencia de calor lenta puede reducir el rendimiento y la vida útil. Un tubo de calor y refrigeración líquida ofrecen un gran potencial, pero un intercambiador de calor de aletas es esencial para una disipación de calor continua y confiable.
Las aletas aumentan la superficie de disipación de energía en los componentes eléctricos y factores como el grosor, la altura y la resistencia térmica afectan la eficiencia de las aletas. Para mejorar la eficiencia, la capa límite térmica es más delgada y la dirección del aire se establece en el ángulo ideal, y el disipador de calor en sí está hecho de un material con alta conductividad térmica.
4. Material conductor térmico
El disipador de calor debe estar conectado a componentes y circuitos eléctricos. La interfaz entre el intercambiador de calor y los componentes eléctricos típicos se denomina material conductor de calor.
La resistencia de la interfaz térmica puede reducir la eficiencia del disipador de calor y la rugosidad de la superficie, y el aire atrapado y los huecos pueden aumentar la resistencia del contacto térmico. Está claro que la transferencia de calor es deficiente con estos defectos de interfaz y, para disminuir la resistencia térmica, se utilizan diversos materiales de interfaz térmica, como materiales de cambio de fase. La resistencia térmica del componente se reduce a medida que se elimina el aire y se llenan las cavidades, lo que garantiza un contacto completo.
5. Métodos de fijación del disipador de calor.
Se utiliza un disipador de calor en muchos lugares, incluidos los componentes mecánicos. La elección del conjunto del disipador de calor puede mejorar significativamente la disipación máxima de energía y disipar más energía térmica. Los métodos más utilizados incluyen cinta térmica, epoxi, clips y alfileres.
Muchos factores en el diseño del disipador de calor influyen en la elección del montaje. Por ejemplo, los disipadores grandes y pesados no se pueden soportar con tiras térmicas. La resina epoxi es una buena opción para soluciones de gestión térmica, pero es costosa y requiere habilidad para aplicarla.
Diseño de disipador de calor: cálculo de la resistencia térmica
El diseño del disipador completa la geometría y funcionalidad para el uso previsto. Sin embargo, para evaluar el rendimiento de disipación de calor de los disipadores de calor, son necesarios algunos cálculos de resistencia térmica.
Algunos términos que debes conocer:
T Crossing : Temperatura máxima de funcionamiento de la unión.
T Ambiente : Temperatura ambiente
P : Calor generado
T Caja de conexión : Conexión a la caja de resistencia.
Interfaz T : resistencia del material de la interfaz.
T Heatsink : Resistencia térmica del disipador de calor.
La resistencia térmica total es la resistencia al flujo de calor desde la unión a la carcasa, la resistencia térmica del material de la interfaz y la resistencia entre el disipador de calor y el aire ambiente.
Los cálculos anteriores también se utilizan en la fase de diseño para hacer comparaciones entre diferentes materiales e interfaces y para determinar la resistencia térmica correcta que corresponde a la temperatura máxima de funcionamiento del componente.
Diseño del disipador: cálculo del tamaño
El primer paso para dimensionar un disipador de calor es determinar sus dimensiones. Una vez determinadas las dimensiones, el siguiente paso es hacer algunos cálculos, que resultan sencillos con la calculadora de disipadores.
- Determinar el calor de convección.
P C = 2hA(T compensación -T Ambiente )
Dónde
A = HL + t(2H + L)
h = 1,42(( T compensación -T Medio ambiente )/H ) >0,25
PC C : 2hA( compensación T -T ambiente )
- Notarás que hay otra superficie para la disipación del calor. El calor por convección en A 2
P C = 2 horas 2 A 2 (T compensación -T Ambiente )
Dónde
A 2 = L(2(H – b) + sb) + tL
s = 2,71 (gβ (T compensación -T Medio Ambiente )/Lαv )
- Determinación del calor emitido por radiación.
Al igual que la convección, el calor puede escapar de ambas superficies a través de la radiación.
P R = 2ϵσA 1 ( compensación T 4 -Entorno T 4 )
P r2 = 2ϵσA 2 ( Compensación T 4 -Entorno T 4 )
Dónde
A 2 = I(t + s) + 2(tH + sb)
- Finalmente, el número de aletas está dado por
F N = 1 + (( P – P r2 – P c2 ) / ( P r1 + P c1 ))
- El ancho de cada lama está dado por
W = (N – 1) + NT
Aplicaciones de disipador de calor
Los disipadores de calor se utilizan donde se genera calor y este debe regularse constantemente para mantener la temperatura de funcionamiento dentro de la temperatura máxima permitida. En los dispositivos eléctricos, los disipadores de calor se pueden encontrar en casi todos los lugares donde se ven LED y transistores. Esto significa que siguen siendo funcionales a temperatura ambiente sin sobrecalentarse.
La aplicación de los disipadores de calor se caracteriza en gran medida por la velocidad a la que conducen el calor. Por lo tanto, se utilizan materiales con mayor conductividad térmica para procesos donde un aumento de temperatura representa un riesgo para las operaciones.
CPU
Cuando se utilizan computadoras y se overclockean los chips de la CPU, se genera una cantidad significativa de calor. Un disipador térmico acoplado térmicamente a una CPU no sólo puede almacenar este calor y disiparlo rápidamente del chip, sino también transferirlo a través de su superficie y, en última instancia, liberarlo al aire circundante.
Amplificador de poder
En los transistores de potencia, el calor generado puede provocar fugas de corriente. Este aumento en la corriente del colector puede a su vez aumentar la disipación de energía, lo que a su vez puede aumentar la temperatura. Esto puede provocar una fuga térmica que destruye el transistor. Un disipador de calor puede disipar rápidamente el calor generado en su superficie, evitando daños.
Optoelectrónica
Los disipadores de calor se utilizan a menudo con LED porque el componente en sí no puede regular su temperatura de funcionamiento.
Métodos de fabricación comunes para diseños de disipadores térmicos
Para desarrollar un diseño de disipador de calor eficaz, los ingenieros deben considerar muchos factores diferentes, como la selección de materiales. El aluminio es el material más utilizado para fabricar disipadores de calor. En esta sección, analizaremos los tres métodos más comunes de fabricación de disipadores de calor de aluminio.
Extrusión de disipador de calor
El proceso de extrusión es adecuado para diseños de disipadores de calor más simples caracterizados por altos volúmenes de producción, menores inversiones, ciclos de desarrollo cortos y bajos costos de producción.
El material de extrusión de aluminio comúnmente utilizado es el aluminio 6063, que tiene buena conductividad térmica. El principio de funcionamiento es calentar el lingote de aluminio a 520-540 °C bajo alta presión para hacer que el líquido de aluminio fluya a través del molde de extrusión ranurado y forme el embrión del disipador de calor. Luego, el embrión del disipador de calor, la ranura del perfil y otros pasos de procesamiento se cortan de las aletas del disipador de calor que vemos a menudo.
Mecanizado CNC de disipadores de calor.
El mecanizado CNC incluye una variedad de procesos como torneado, taladrado, fresado y rectificado. Este proceso se puede aplicar de manera flexible según la estructura de las piezas y el uso de la mayoría de las piezas estructurales, como por ejemplo: formación de placas, ranuras de disipadores de calor, procesamiento de superficies inferiores, etc. Este método es particularmente adecuado para el diseño de disipadores de calor con geometría compleja.
Disipador de calor fundido
El principio de funcionamiento de los disipadores de calor de aluminio fundido es similar al del moldeo por inyección. La aleación de aluminio como materia prima se disuelve en líquido a alta presión y luego el material líquido se llena rápidamente en el molde. Según el modelo, la máquina de fundición se puso en funcionamiento y se realizó un disipador de calor de monómero mediante moldeo único después del enfriamiento y posterior tratamiento. El proceso se puede integrar en un diseño de aleta de disipador de calor delgado, denso o complejo.
Titulación Universitaria
Los usos de los disipadores de calor seguirán ampliándose a medida que se realicen más avances técnicos y se encuentren mejores soluciones para hacer que un proceso sea más útil. El diseño de los disipadores de calor también es cada vez más diverso e individual.
