A dimensão crescente dos dispositivos electrónicos modernos levou a um aumento da densidade de dissipação de calor. O calor gerado neste ponto afecta o desempenho dos dispositivos electrónicos. Para manter a eficiência e a longevidade, é necessário um meio eficaz de dissipar o calor dos dispositivos electrónicos.
Neste ponto, um dissipador de calor cuidadosamente escolhido pode ser uma boa solução para o problema da dissipação de calor dos componentes electrónicos. Embora os componentes electrónicos tenham algumas das suas próprias propriedades de arrefecimento, um dissipador de calor é também uma boa escolha.
Ao escolher o dissipador de calor certo, é necessário considerar cuidadosamente três factores. Estes incluem uma avaliação cuidadosa dos requisitos de conceção, das propriedades dos materiais e da gestão da resistência térmica. Ao escolher o dissipador de calor adequado, pode melhorar eficazmente o desempenho térmico, otimizar a eficiência energética e evitar o sobreaquecimento.
Na Trumonytechs, podemos fornecer-lhe soluções térmicas especializadas. Se simplesmente precisa de materiais térmicos, então os nossos materiais de interface são também uma opção ideal.
Índice
Para que servem os radiadores?
O dissipador de calor é normalmente feito de um material condutor de calor (cobre/alumínio) concebido para dissipar o calor por arrefecimento líquido, convecção natural, convecção forçada ou radiação. O seu principal objetivo é conduzir o calor do elemento de aquecimento para um ambiente mais frio. A título de exemplo, a forma convencional de dissipação de calor consiste no facto de um sólido emitir a sua temperatura diretamente para o ar, arrefecendo-o assim. O advento dos dissipadores de calor, por outro lado, fornece um meio condutor térmico diretamente entre o sólido e o ar. Consegue-se uma boa condutividade térmica aumentando a área de superfície de contacto entre o componente e o refrigerante, combinada com as propriedades de condutividade térmica do próprio material, mantendo assim a temperatura abaixo da temperatura máxima especificada pelo fabricante do equipamento.
No entanto, diferentes aplicações têm diferentes requisitos de dissipação de calor. Por conseguinte, é necessário escolher o dissipador de calor adequado de acordo com as suas necessidades de arrefecimento actuais. Mas não se preocupe, o Trumonytechs, como especialistas em gestão térmicaA nossa equipa tem a experiência necessária para o acompanhar passo a passo.
Gestão da resistência térmica
Compreender a resistência térmica e a sua importância na gestão do calor
A resistência térmica é um parâmetro-chave utilizado para avaliar a eficiência da transferência de calor de uma fonte de calor para o ambiente circundante. Medida em °C/W, quantifica o aumento de temperatura gerado por watt de consumo de energia. Quanto mais baixa for a resistência térmica, melhor o sistema dissipa o calor, garantindo assim que os componentes permanecem dentro de um intervalo de temperatura de funcionamento seguro.
A resistência térmica pode ser entendida como a soma de vários caminhos críticos: o chip para o invólucro do módulo, o invólucro e o dissipador de calor (resistência da interface térmica) e a resistência entre o dissipador de calor e o fluido que flui. Cada caminho afecta a resistência térmica global. E compreender como cada parte afecta a resistência térmica é fundamental para escolher o dissipador de calor certo. Então, como é que deve calcular a resistência térmica? Explicaremos a seguir.
Cálculo da resistência térmica
Para calcular eficazmente a resistência térmica, é importante conhecer o aumento máximo de temperatura permitido no sistema para selecionar o dissipador de calor mais adequado. Por exemplo, desde a temperatura ambiente até à temperatura máxima de funcionamento do equipamento. Isto ajuda a determinar a resistência térmica máxima permitida do dissipador de calor.
Semelhante ao pacote TO-220, que é um pacote de semicondutores normalmente utilizado em eletrónica de potência. Neste caso, o consumo de energia do dispositivo resultará na geração de calor. A resistência térmica do chip à caixa do componente, entre a caixa e o dissipador de calor, e entre o dissipador de calor e o líquido de arrefecimento deve ser considerada. Calculando o consumo de energia e combinando as resistências individuais, é possível determinar a resistência térmica necessária do dissipador de calor.
Quanto mais baixa for a resistência térmica de cada caminho, mais eficiente será a transferência de calor. Isto evita o sobreaquecimento e assegura a vida útil e a fiabilidade dos componentes. Demasiada resistência térmica em qualquer caminho pode levar a um arrefecimento inadequado, reduzindo o desempenho ou mesmo causando a falha do equipamento.
Isto pode ser um pouco complicado e requer equipamento especializado para medir. Felizmente, a Trumonytechs pode fornecer uma análise de modelação especializada. Podemos analisar a geometria e os parâmetros do dissipador de calor para identificar o dissipador de calor que satisfaz os requisitos mais exigentes.
Métodos para reduzir a resistência térmica
Para reduzir a resistência térmica, é importante utilizar materiais de interface térmica (TIM) eficientes, tais como massa lubrificante térmica ou almofadas térmicas, que preenchem os pequenos espaços de ar entre o elemento de aquecimento e o dissipador de calor, e podem ser utilizados para preencher estes espaços com a sua elevada condutividade térmica para melhorar a transferência de calor. Os dissipadores de calor, por outro lado, são outra estratégia eficaz de dissipação de calor, uma vez que podem ser moldados para maximizar a área de superfície do dissipador de calor, aumentando o número de aletas ou ajustando a forma para conseguir uma transferência de calor eficaz. Os dois podem trabalhar em conjunto para absorver e dissipar eficazmente o calor do componente e obter uma baixa resistência térmica.
Seleção de materiais
Ao conceber um dissipador de calor, a escolha do material é fundamental para otimizar a dissipação de calor e garantir a eficiência e a longevidade dos componentes. Os dois materiais mais utilizados para dissipadores de calor e soluções de arrefecimento são o alumínio e o cobre. Cada material tem as suas vantagens e limitações, consoante a aplicação.
Alumínio: O alumínio é amplamente utilizado devido à sua relação custo-eficácia e capacidade de ser facilmente extrudido em várias formas. Tem uma boa condutividade térmica e pode ser utilizado na maioria das aplicações de refrigeração convencionais. Além disso, o alumínio é leve, razão pela qual pode ser amplamente utilizado nas indústrias eletrónica e automóvel. No entanto, a condutividade térmica do alumínio é apenas cerca de metade da do cobre, o que pode não satisfazer as necessidades de algumas aplicações de elevada condutividade térmica.
Cobre: O cobre tem uma excelente condutividade térmica - cerca do dobro da do alumínio. Isto é ideal para aplicações de elevada condutividade térmica. Os exemplos incluem eletrónica de potência, processadores de elevado desempenho e sistemas de arrefecimento de LED. O cobre é também um material com uma excelente resistência à corrosão em comparação com o alumínio, o que o torna ideal para aplicações resistentes à corrosão. No entanto, a maior densidade do cobre corresponde ao seu maior peso, o que pode torná-lo menos adequado para aplicações com requisitos de peso elevados. É também mais caro do que o alumínio, o que o torna menos adequado para aplicações com orçamentos limitados.
Outros materiais e compósitos: Para cenários de desempenho extremo, as soluções compostas, tais como dissipadores de calor revestidos e painéis arrefecidos por líquido são ideais. Estes materiais podem proporcionar um melhor desempenho, como uma melhor transferência de calor, resistência à corrosão e redução de peso. Ao combinar um substrato metálico com um revestimento termicamente condutor, estes materiais aumentam a eficiência da transferência de calor e reduzem a corrosão. Entretanto, a utilização da tecnologia de arrefecimento líquido em veículos eléctricos modernos, como o Sistema de arrefecimento da bateria da Teslaé um exemplo claro.
Método de arrefecimento e tipo de conceção
Um arrefecimento eficaz é essencial para manter o desempenho, a fiabilidade e o tempo de vida dos dispositivos electrónicos. Existem dois métodos principais de arrefecimento: arrefecimento passivo e arrefecimento ativocada um com aplicações específicas, dependendo dos requisitos do sistema. Além disso, as inovações de design em estruturas de dissipadores de calor e simulações térmicas estão a impulsionar os avanços nas tecnologias de arrefecimento.
Arrefecimento passivo vs. Arrefecimento ativo
O arrefecimento passivo baseia-se na convecção natural e na radiação para dissipar o calor. Esta abordagem não envolve peças móveis nem consumo adicional de energia, o que a torna ideal para ambientes que exigem um funcionamento silencioso ou sistemas sem uma fonte de alimentação externa. As soluções de arrefecimento passivo são normalmente utilizadas em dispositivos IoT, sistemas de iluminação, como os LED, e dispositivos electrónicos de baixo consumo. No entanto, têm capacidades limitadas de dissipação de calor e não são adequadas para sistemas de elevado desempenho ou com grande intensidade de calor.
O arrefecimento ativo, por outro lado, utiliza ventoinhas ou bombas para aumentar o fluxo de ar ou líquido através de um dissipador de calor ou placa de arrefecimento, aumentando assim a eficiência da dissipação de calor. O arrefecimento ativo é fundamental para aplicações como a computação de alto desempenho, centros de dados e veículos eléctricos (VE) que necessitam de gerir grandes cargas de calor. Embora os sistemas de arrefecimento ativo sejam mais complexos e exijam energia eléctrica, proporcionam um nível mais elevado de dissipação de calor em comparação com as soluções passivas.
Formas e disposições do dissipador de calor
A forma e a disposição das aletas do radiador desempenham um papel fundamental na eficiência do arrefecimento. Os designs comuns incluem alhetas rectas, alhetas com pinos e alhetas curvas, cada uma das quais é adequada para cenários específicos. Por exemplo, as aletas rectas são mais fáceis de fabricar e são muito utilizadas em unidades compactas. As alhetas em agulha, por outro lado, fornecem mais área de superfície e são ideais para condições de caudal de ar turbulento. As alhetas curvas optimizam o fluxo de ar e melhoram a dissipação de calor em sistemas onde o espaço é limitado.
A maximização da área de superfície e a otimização dos padrões de fluxo de ar são princípios fundamentais de conceção. Uma maior área de superfície aumenta a troca de calor, enquanto a conceção do fluxo de ar evita pontos quentes e assegura um arrefecimento uniforme. Estes factores afectam significativamente a eficiência global do dissipador de calor, pelo que são essenciais escolhas de conceção precisas.
Estas podem ser avaliadas utilizando os serviços de modelação Trumonytechs para avaliar o desempenho térmico de diferentes formas e configurações de alhetas.
Simulação e otimização
As ferramentas de simulação térmica, como o SimScale e o ANSYS, permitem aos engenheiros avaliar os projectos de arrefecimento antes da produção. Estas ferramentas prevêem trajectórias de fluxo de calor, identificam estrangulamentos térmicos e recomendam as melhores combinações de materiais e estruturas. As simulações reduzem a necessidade de protótipos dispendiosos e garantem que os projectos finais cumprem os requisitos de desempenho.
Fazer a melhor escolha com vários factores
Os dissipadores de calor são componentes térmicos importantes nos dispositivos electrónicos actuais. A escolha do conjunto correto de dissipadores de calor requer a consideração da resistência térmica, a seleção do material e a otimização do design para garantir que os componentes electrónicos funcionam dentro dos limites especificados pelo fabricante. Ao dissipar eficazmente o calor dos componentes electrónicos, podemos garantir que o equipamento eletrónico funciona no seu nível ótimo e evitar a redução do tempo de vida útil devido ao sobreaquecimento. Se tiver alguma dúvida, pode utilizar as nossas soluções de simulação para determinar a geometria e os parâmetros dos componentes do dissipador de calor para uma dissipação de calor óptima.
