El creciente tamaño de los dispositivos electrónicos modernos ha provocado un aumento de la densidad de disipación del calor. El calor generado en este punto afecta al rendimiento de los dispositivos electrónicos. Para mantener la eficiencia y la longevidad, se requiere un medio eficaz de disipar el calor de los dispositivos electrónicos.
En este punto, un disipador de calor bien elegido puede ser una buena solución al problema de la disipación del calor de los componentes electrónicos. Aunque los componentes electrónicos tienen algunas de sus propias propiedades de refrigeración, con un disipador de calor también es una buena opción.
A la hora de elegir el disipador de calor adecuado, hay que tener en cuenta tres factores. Entre ellos, una evaluación cuidadosa de los requisitos de diseño, las propiedades de los materiales y la gestión de la resistencia térmica. Elegir el disipador de calor adecuado permite mejorar el rendimiento térmico, optimizar la eficiencia energética y evitar el sobrecalentamiento.
En Trumonytechs, podemos ofrecerle soluciones térmicas especializadas. Si simplemente necesita materiales térmicos nuestros materiales de interfaz también son una opción ideal.
Índice
¿Para qué sirven los radiadores?
El disipador de calor suele estar hecho de un material conductor térmico (cobre/aluminio) diseñado para disipar el calor por refrigeración líquida, convección natural, convección forzada o radiación. Su función principal es conducir el calor desde el elemento calefactor a un entorno más frío. Por ejemplo, la forma convencional de disipar el calor es que un sólido emita su temperatura directamente al aire, enfriándolo. En cambio, la aparición de los disipadores de calor proporciona un medio conductor térmico directamente entre el sólido y el aire. Consigue una buena conductividad térmica aumentando la superficie de contacto entre el componente y el refrigerante, combinado con las propiedades de conductividad térmica del propio material, manteniendo así la temperatura por debajo de la temperatura máxima especificada por el fabricante del equipo.
Sin embargo, las distintas aplicaciones tienen diferentes requisitos de disipación de calor. Por lo tanto, debe elegir el disipador de calor adecuado en función de sus necesidades actuales de refrigeración. Pero no se preocupe, Trumonytechs, como expertos en gestión térmicaTenemos la experiencia necesaria para guiarle paso a paso.
Gestión de la resistencia térmica
La resistencia térmica y su importancia en la gestión del calor
La resistencia térmica es un parámetro clave utilizado para evaluar la eficacia de la transferencia de calor de una fuente de calor al entorno circundante. Medida en °C/W, cuantifica el aumento de temperatura generado por vatio de consumo de energía. Cuanto menor es la resistencia térmica, mejor disipa el calor el sistema, garantizando así que los componentes permanezcan dentro de un rango de temperatura de funcionamiento seguro.
La resistencia térmica puede entenderse como la suma de varios caminos críticos: el chip a la carcasa del módulo, la carcasa y el disipador de calor (resistencia de la interfaz térmica), y la resistencia entre el disipador de calor y el fluido que fluye. Cada ruta afecta a la resistencia térmica global. Y entender cómo afecta cada parte a la resistencia térmica es fundamental para elegir el disipador de calor adecuado. Entonces, ¿cómo calcular la resistencia térmica? A continuación se lo explicamos.
Cálculo de la resistencia térmica
Para calcular eficazmente la resistencia térmica, es importante conocer el aumento máximo de temperatura permitido en el sistema a fin de seleccionar el disipador de calor más adecuado. Por ejemplo, desde la temperatura ambiente hasta la temperatura máxima de funcionamiento del equipo. Esto ayuda a determinar la resistencia térmica máxima permitida del disipador de calor.
Similar al encapsulado TO-220, que es un encapsulado semiconductor utilizado habitualmente en electrónica de potencia. En este caso, el consumo de energía del dispositivo generará calor. Hay que tener en cuenta la resistencia térmica del chip a la carcasa del componente, entre la carcasa y el disipador de calor, y entre el disipador de calor y el refrigerante. Calculando el consumo de energía y combinando las resistencias individuales, se puede determinar la resistencia térmica necesaria del disipador de calor.
Cuanto menor sea la resistencia térmica de cada ruta, más eficaz será la transferencia de calor. Esto evita el sobrecalentamiento y garantiza la vida útil y la fiabilidad de los componentes. Una resistencia térmica excesiva en cualquiera de las vías puede provocar una refrigeración inadecuada, reducir el rendimiento o incluso causar averías en el equipo.
Esto puede ser un poco complicado y requiere un equipo especializado para medir. Afortunadamente, Trumonytechs puede ofrecer análisis de modelos especializados. Podemos analizar la geometría y los parámetros del disipador de calor para identificar el disipador que cumpla los requisitos más exigentes.
Métodos para reducir la resistencia térmica
Para reducir la resistencia térmica, es importante utilizar materiales de interfaz térmica (TIM) eficaces, como la grasa térmica o las almohadillas térmicas, que cubren los pequeños espacios de aire entre el elemento calefactor y el disipador de calor, y pueden utilizarse para rellenar estos espacios con su alta conductividad térmica para mejorar la transferencia de calor. Los disipadores de calor, por su parte, son otra estrategia eficaz de disipación del calor, ya que pueden moldearse para maximizar la superficie del disipador aumentando el número de aletas o ajustando la forma para lograr una transferencia de calor eficaz. Los dos pueden trabajar en tándem para absorber y disipar eficazmente el calor del componente y lograr una baja resistencia térmica.
Selección de materiales
Al diseñar un disipador de calor, la elección del material es fundamental para optimizar la disipación del calor y garantizar la eficacia y longevidad de los componentes. Los dos materiales más utilizados para disipadores de calor y soluciones de refrigeración son el aluminio y el cobre. Cada material tiene sus ventajas y limitaciones, según la aplicación.
Aluminio: El aluminio se utiliza mucho por su rentabilidad y su facilidad de extrusión en diversas formas. Tiene una buena conductividad térmica y puede utilizarse en la mayoría de las aplicaciones de refrigeración convencionales. Además, el aluminio es ligero, por lo que puede utilizarse ampliamente en las industrias electrónica y automovilística. Sin embargo, la conductividad térmica del aluminio es sólo la mitad de la del cobre, lo que puede no satisfacer las necesidades de algunas aplicaciones de alta conductividad térmica.
Cobre: El cobre tiene una excelente conductividad térmica, aproximadamente el doble que el aluminio. Es ideal para aplicaciones de alta conductividad térmica. Algunos ejemplos son la electrónica de potencia, los procesadores de alto rendimiento y los sistemas de refrigeración de LED. El cobre es también un material con una excelente resistencia a la corrosión en comparación con el aluminio, lo que lo hace ideal para aplicaciones resistentes a la corrosión. Sin embargo, la mayor densidad del cobre se corresponde con su mayor peso, lo que puede hacerlo menos adecuado para aplicaciones con requisitos de peso elevados. También es más caro que el aluminio, lo que lo hace menos adecuado para aplicaciones con presupuestos limitados.
Otros materiales y compuestos: Para situaciones de rendimiento extremo, las soluciones de materiales compuestos, como disipadores térmicos revestidos y paneles refrigerados por líquido son ideales. Estos materiales pueden mejorar las prestaciones, como la transferencia de calor, la resistencia a la corrosión y la reducción de peso. Al combinar un sustrato metálico con un revestimiento conductor térmico, estos materiales aumentan la eficacia de la transferencia de calor y reducen la corrosión. Mientras tanto, el uso de la tecnología de refrigeración líquida en los vehículos eléctricos modernos, como los Sistema de refrigeración de baterías de Teslaes un claro ejemplo.
Método de refrigeración y tipo de diseño
Una refrigeración eficaz es esencial para mantener el rendimiento, la fiabilidad y la vida útil de los dispositivos electrónicos. Existen dos métodos principales de refrigeración: refrigeración pasiva y refrigeración activacada uno con aplicaciones específicas en función de los requisitos del sistema. Además, las innovaciones de diseño en las estructuras de los disipadores de calor y las simulaciones térmicas están impulsando los avances en las tecnologías de refrigeración.
Refrigeración pasiva frente a refrigeración activa
La refrigeración pasiva se basa en la convección natural y la radiación para disipar el calor. Este enfoque no implica piezas móviles ni consumo de energía adicional, por lo que es ideal para entornos que requieren un funcionamiento silencioso o sistemas sin una fuente de alimentación externa. Las soluciones de refrigeración pasiva se utilizan habitualmente en dispositivos IoT, sistemas de iluminación como LED y dispositivos electrónicos de bajo consumo. Sin embargo, tienen una capacidad de disipación de calor limitada y no son adecuadas para sistemas de alto rendimiento o con un uso intensivo de calor.
La refrigeración activa, en cambio, utiliza ventiladores o bombas para aumentar el flujo de aire o líquido a través de un disipador térmico o una placa de refrigeración, aumentando así la eficacia de la disipación del calor. La refrigeración activa es fundamental para aplicaciones como la informática de alto rendimiento, los centros de datos y los vehículos eléctricos (VE), que necesitan gestionar grandes cargas de calor. Aunque los sistemas de refrigeración activa son más complejos y requieren energía eléctrica, proporcionan un mayor nivel de disipación del calor en comparación con las soluciones pasivas.
Formas y disposiciones del disipador de calor
La forma y disposición de las aletas del radiador desempeñan un papel fundamental en la eficacia de la refrigeración. Los diseños más comunes incluyen aletas rectas, aletas en espiga y aletas curvas, cada una de las cuales es adecuada para situaciones específicas. Por ejemplo, las aletas rectas son más fáciles de fabricar y se utilizan mucho en unidades compactas. Las aletas de aguja, en cambio, ofrecen más superficie y son ideales para condiciones de flujo de aire turbulento. Las aletas curvadas optimizan el flujo de aire y mejoran la disipación del calor en sistemas con poco espacio.
Maximizar la superficie y optimizar los patrones de flujo de aire son los principios clave del diseño. Una mayor superficie mejora el intercambio de calor, mientras que el diseño del flujo de aire evita los puntos calientes y garantiza una refrigeración uniforme. Estos factores afectan significativamente a la eficiencia global del disipador de calor, por lo que es esencial tomar decisiones de diseño precisas.
Éstos pueden evaluarse utilizando los servicios de modelización de Trumonytechs para evaluar el rendimiento térmico de diferentes formas y configuraciones de aletas.
Simulación y optimización
Las herramientas de simulación térmica, como SimScale y ANSYS, permiten a los ingenieros evaluar los diseños de refrigeración antes de la producción. Estas herramientas predicen las vías de flujo de calor, identifican cuellos de botella térmicos y recomiendan las mejores combinaciones de materiales y estructuras. Las simulaciones reducen la necesidad de costosos prototipos y garantizan que los diseños finales cumplan los requisitos de rendimiento.
La mejor elección en función de múltiples factores
Los disipadores de calor son importantes componentes térmicos de los dispositivos electrónicos actuales. Elegir el disipador de calor adecuado requiere tener en cuenta la resistencia térmica, la selección de materiales y la optimización del diseño para garantizar que los componentes electrónicos funcionen dentro de los límites especificados por el fabricante. Al disipar eficazmente el calor de los componentes electrónicos, podemos garantizar que los equipos electrónicos funcionen de forma óptima y evitar que se acorte su vida útil debido al sobrecalentamiento. Si tiene alguna duda, puede utilizar nuestras soluciones de simulación para determinar la geometría y los parámetros de los componentes del disipador de calor para una disipación óptima del calor.
