L'aumento delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici ha portato a un incremento della densità di dissipazione del calore. Il calore generato in questo punto influisce sulle prestazioni dei dispositivi elettronici. Per mantenere efficienza e longevità, è necessario un mezzo efficace per dissipare il calore dai dispositivi elettronici.
A questo punto, un dissipatore di calore scelto con cura può essere una buona soluzione al problema della dissipazione del calore dai componenti elettronici. Sebbene i componenti elettronici abbiano alcune proprietà di raffreddamento proprie, anche un dissipatore di calore è una buona scelta.
Quando si sceglie il dissipatore di calore giusto, è necessario considerare attentamente tre fattori. Questi includono un'attenta valutazione dei requisiti di progettazione, delle proprietà dei materiali e della gestione della resistenza termica. Scegliendo il dissipatore giusto, è possibile migliorare efficacemente le prestazioni termiche, ottimizzare l'efficienza energetica e prevenire il surriscaldamento.
Noi di Trumonytechs siamo in grado di fornirvi soluzioni termiche specializzate. Se avete semplicemente bisogno di materiali termici, allora i nostri materiali di interfaccia sono un'altra opzione ideale.
Indice dei contenuti
A cosa servono i radiatori?
Il dissipatore di calore è solitamente costituito da un materiale termicamente conduttivo (rame/alluminio) progettato per dissipare il calore mediante raffreddamento a liquido, convezione naturale, convezione forzata o irraggiamento. Il suo scopo principale è quello di condurre il calore dall'elemento riscaldante a un ambiente più freddo. Ad esempio, il modo convenzionale di dissipare il calore è che un solido emette la sua temperatura direttamente nell'aria, raffreddandola. L'avvento dei dissipatori di calore, invece, fornisce un mezzo di conduzione termica direttamente tra il solido e l'aria. Si ottiene una buona conducibilità termica aumentando la superficie di contatto tra il componente e il refrigerante, combinata con le proprietà di conducibilità termica del materiale stesso, mantenendo così la temperatura al di sotto della temperatura massima specificata dal produttore dell'apparecchiatura.
Tuttavia, applicazioni diverse hanno requisiti diversi di dissipazione del calore. Pertanto, è necessario scegliere il dissipatore di calore giusto in base alle esigenze di raffreddamento attuali. Ma non preoccupatevi, Trumonytechs, come esperti di gestione termicaAbbiamo l'esperienza necessaria per accompagnarvi passo dopo passo.
Gestione della resistenza termica
Capire la resistenza termica e la sua importanza nella gestione del calore
La resistenza termica è un parametro chiave utilizzato per valutare l'efficienza del trasferimento di calore da una sorgente di calore all'ambiente circostante. Misurata in °C/W, quantifica l'aumento di temperatura generato per ogni watt di consumo energetico. Più bassa è la resistenza termica, meglio il sistema dissipa il calore, garantendo così che i componenti rimangano all'interno di un intervallo di temperatura operativa sicuro.
La resistenza termica può essere intesa come la somma di diversi percorsi critici: il chip verso l'involucro del modulo, l'involucro e il dissipatore di calore (resistenza dell'interfaccia termica) e la resistenza tra il dissipatore di calore e il fluido che scorre. Ogni percorso influisce sulla resistenza termica complessiva. La comprensione del modo in cui ciascuna parte influisce sulla resistenza termica è fondamentale per scegliere il dissipatore di calore giusto. Come si calcola la resistenza termica? Ve lo spieghiamo di seguito.
Calcolo della resistenza termica
Per calcolare efficacemente la resistenza termica, è importante conoscere l'aumento massimo di temperatura consentito all'interno del sistema, al fine di selezionare il dissipatore di calore più appropriato. Ad esempio, dalla temperatura ambiente alla temperatura massima di funzionamento dell'apparecchiatura. Questo aiuta a determinare la resistenza termica massima consentita del dissipatore di calore.
Simile al contenitore TO-220, che è un contenitore per semiconduttori comunemente utilizzato nell'elettronica di potenza. In questo caso, il consumo di energia del dispositivo genera calore. È necessario considerare la resistenza termica tra il chip e l'involucro del componente, tra l'involucro e il dissipatore di calore e tra il dissipatore di calore e il refrigerante. Calcolando il consumo di energia e combinando le singole resistenze, è possibile determinare la resistenza termica necessaria del dissipatore di calore.
Più bassa è la resistenza termica di ciascun percorso, più efficiente sarà il trasferimento di calore. Ciò impedisce il surriscaldamento e garantisce la durata e l'affidabilità dei componenti. Un'eccessiva resistenza termica in un percorso può portare a un raffreddamento inadeguato, riducendo le prestazioni o addirittura causando un guasto dell'apparecchiatura.
Questo può essere un po' complicato e richiede apparecchiature specializzate per la misurazione. Fortunatamente, Trumonytechs può fornire un'analisi di modellazione specializzata. Possiamo analizzare la geometria e i parametri del dissipatore di calore per identificare quello che soddisfa i requisiti più elevati.
Metodi per ridurre la resistenza termica
Per ridurre la resistenza termica, è importante utilizzare materiali di interfaccia termica (TIM) efficienti, come il grasso termico o i pad termici, che colmano i piccoli spazi d'aria tra l'elemento riscaldante e il dissipatore di calore e possono essere utilizzati per riempire questi spazi con la loro elevata conducibilità termica per migliorare il trasferimento di calore. I dissipatori di calore, invece, sono un'altra efficace strategia di dissipazione del calore, in quanto possono essere modellati per massimizzare la superficie del dissipatore di calore aumentando il numero di alette o regolandone la forma per ottenere un efficace trasferimento di calore. I due elementi possono lavorare in tandem per assorbire e dissipare efficacemente il calore dal componente e ottenere una bassa resistenza termica.
Selezione del materiale
Quando si progetta un dissipatore di calore, la scelta del materiale è fondamentale per ottimizzare la dissipazione del calore e garantire l'efficienza e la durata dei componenti. I due materiali più comunemente utilizzati per i dissipatori di calore e le soluzioni di raffreddamento sono l'alluminio e il rame. Ogni materiale presenta vantaggi e limiti, a seconda dell'applicazione.
Alluminio: L'alluminio è ampiamente utilizzato grazie alla sua economicità e alla capacità di essere facilmente estruso in varie forme. Ha una buona conducibilità termica e può essere utilizzato nella maggior parte delle applicazioni di raffreddamento convenzionali. Inoltre, l'alluminio è leggero, motivo per cui può essere ampiamente utilizzato nell'industria elettronica e automobilistica. Tuttavia, la conducibilità termica dell'alluminio è solo la metà di quella del rame, il che potrebbe non soddisfare le esigenze di alcune applicazioni ad alta conducibilità termica.
Rame: Il rame ha un'eccellente conducibilità termica, circa il doppio di quella dell'alluminio. È quindi ideale per le applicazioni ad alta conducibilità termica. Ne sono un esempio l'elettronica di potenza, i processori ad alte prestazioni e i sistemi di raffreddamento dei LED. Il rame è anche un materiale con un'eccellente resistenza alla corrosione rispetto all'alluminio, che lo rende ideale per le applicazioni resistenti alla corrosione. Tuttavia, la maggiore densità del rame corrisponde a un peso maggiore, che può renderlo meno adatto ad applicazioni con requisiti di peso elevati. Inoltre, è più costoso dell'alluminio, il che lo rende meno adatto alle applicazioni con budget limitati.
Altri materiali e compositi: Per gli scenari di prestazioni estreme, le soluzioni composite, come i dissipatori di calore rivestiti e i pannelli raffreddati a liquido sono ideali. Questi materiali possono fornire prestazioni migliori, come il trasferimento di calore, la resistenza alla corrosione e la riduzione del peso. Combinando un substrato metallico con un rivestimento termoconduttivo, questi materiali aumentano l'efficienza del trasferimento di calore e riducono la corrosione. Nel frattempo, l'utilizzo della tecnologia di raffreddamento a liquido nei moderni veicoli elettrici, come ad esempio Il sistema di raffreddamento delle batterie di Teslaè un chiaro esempio.
Metodo di raffreddamento e tipo di design
Un raffreddamento efficace è essenziale per mantenere le prestazioni, l'affidabilità e la durata dei dispositivi elettronici. Esistono due metodi di raffreddamento principali: raffreddamento passivo e raffreddamento attivo, ognuna con applicazioni specifiche a seconda dei requisiti del sistema. Inoltre, le innovazioni progettuali nelle strutture dei dissipatori di calore e le simulazioni termiche stanno portando a progressi nelle tecnologie di raffreddamento.
Raffreddamento passivo vs. raffreddamento attivo
Il raffreddamento passivo si basa sulla convezione e sull'irraggiamento naturale per dissipare il calore. Questo approccio non comporta parti in movimento o consumi aggiuntivi, ed è quindi ideale per gli ambienti che richiedono un funzionamento silenzioso o per i sistemi privi di una fonte di alimentazione esterna. Le soluzioni di raffreddamento passivo sono comunemente utilizzate nei dispositivi IoT, nei sistemi di illuminazione come i LED e nei dispositivi elettronici a basso consumo. Tuttavia, hanno capacità limitate di dissipazione del calore e non sono adatte a sistemi ad alte prestazioni o ad alta intensità di calore.
Il raffreddamento attivo, invece, utilizza ventole o pompe per aumentare il flusso di aria o liquido attraverso un dissipatore di calore o una piastra di raffreddamento, aumentando così l'efficienza della dissipazione del calore. Il raffreddamento attivo è fondamentale per applicazioni come l'elaborazione ad alte prestazioni, i centri dati e i veicoli elettrici (EV) che devono gestire grandi carichi di calore. I sistemi di raffreddamento attivo sono più complessi e richiedono energia elettrica, ma garantiscono un livello di dissipazione del calore superiore rispetto alle soluzioni passive.
Forme e disposizioni dei dissipatori di calore
La forma e la disposizione delle alette del radiatore svolgono un ruolo fondamentale nell'efficienza del raffreddamento. I design più comuni comprendono alette dritte, alette a spillo e alette curve, ognuna delle quali è adatta a scenari specifici. Ad esempio, le alette diritte sono più facili da produrre e sono ampiamente utilizzate nelle unità compatte. Le alette ad ago, invece, offrono una maggiore superficie e sono ideali per condizioni di flusso d'aria turbolento. Le alette curve ottimizzano il flusso d'aria e migliorano la dissipazione del calore nei sistemi in cui lo spazio è limitato.
La massimizzazione della superficie e l'ottimizzazione del flusso d'aria sono principi di progettazione fondamentali. Una superficie più ampia migliora lo scambio di calore, mentre il design del flusso d'aria evita i punti caldi e garantisce un raffreddamento uniforme. Questi fattori influenzano in modo significativo l'efficienza complessiva del dissipatore di calore, per cui sono essenziali scelte progettuali precise.
Questi possono essere valutati utilizzando i servizi di modellazione Trumonytechs per valutare le prestazioni termiche di diverse forme e configurazioni di alette.
Simulazione e ottimizzazione
Gli strumenti di simulazione termica, come SimScale e ANSYS, consentono agli ingegneri di valutare i progetti di raffreddamento prima della produzione. Questi strumenti prevedono i percorsi del flusso di calore, identificano i colli di bottiglia termici e consigliano le migliori combinazioni di materiali e strutture. Le simulazioni riducono la necessità di costosi prototipi e garantiscono che i progetti finali soddisfino i requisiti di prestazione.
Fare la scelta migliore con più fattori
I dissipatori di calore sono importanti componenti termici dei dispositivi elettronici attuali. La scelta del giusto dissipatore di calore richiede la considerazione della resistenza termica, la selezione dei materiali e l'ottimizzazione del design per garantire che i componenti elettronici funzionino entro i limiti specificati dal produttore. Dissipando efficacemente il calore dai componenti elettronici, possiamo garantire che le apparecchiature elettroniche funzionino al meglio e prevenire la riduzione della durata di vita dovuta al surriscaldamento. Se avete domande, potete utilizzare le nostre soluzioni di simulazione per determinare la geometria e i parametri dei componenti del dissipatore di calore per una dissipazione ottimale del calore.
