Os dissipadores de calor têm a fun??o crítica de controlo térmico, mantendo os dispositivos electrónicos a uma temperatura aceitável para evitar temperaturas elevadas e subsequentes falhas. Este facto real?a a import?ncia de equilibrar princípios no dissipador de calor, tais como a condutividade térmica, a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 e o tipo de material aplicável. O domínio destes conceitos pode ajudar os projectistas a desenvolverem dissipadores de calor eficientes para dissipar o calor e prolongar a esperan?a de vida dos componentes e sistemas.
Compreender os princípios básicos do dissipador de calor
O que é um dissipador de calor?
Um dissipador de calor é um dispositivo de arrefecimento que transfere o calor para o sistema circundante, evitando que o objeto quente fique muito mais quente do que o seu ambiente. Em termos simples, o papel central de um dissipador de calor é regular a temperatura do componente dentro dos limites máximos permitidos.
Cumpre este objetivo através de uma área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 alargada e facilita a dissipa??o de calor por condu??o, convec??o e radia??o. Os dissipadores de calor em eletrónica est?o presentes em aplica??es como CPUs, GPUs, transístores de potência ou luzes LED para garantir que esses componentes n?o sobreaquecem e falham.
Componentes essenciais do dissipador de calor
Um dissipador de calor inclui vários componentes que desempenham o papel de facilitar a dissipa??o de calor em componentes electrónicos.
O base assenta diretamente sobre os componentes que produzem calor, a CPU ou o transístor de potência. ? geralmente metálico, de preferência de alumínio ou cobre.
Alguns barbatanas aderem à base e aumentam a área de saída para a convec??o de calor para o ar ou fluido circundante.
Alguns modelos incluem tubos de calor para ajudar a transferir o calor da base para a sec??o alhetada.
O mecanismo de montagem ajuda a fixar corretamente os dissipadores de calor, e um composto térmico comprime os pequenos espa?os entre o dissipador de calor e o componente. Isto é necessário para minimizar a resistência térmica.
F?s em dissipadores de calor activos aumentam a circula??o de ar sobre as alhetas para melhorar a dissipa??o de calor. Além disso, alguns dissipadores de calor podem incorporar um guarda ou caixa para controlar o fluxo de ar através das alhetas de forma mais rigorosa, uma vez que s?o úteis em aplica??es topo de gama ou apertadas.
Compreender a condutividade térmica em materiais de dissipadores de calor
A condutividade térmica (k) é uma das propriedades mais essenciais para determinar a eficiência com que um material conduz o calor. A condutividade térmica é a quantidade de calor (Q) que passa através de um material num determinado tempo (t) com um gradiente de temperatura (ΔT) ao longo de uma determinada dist?ncia (L). Matematicamente, é expressa pela Lei de Fourier da Condu??o de Calor:
蚕=-办×础×Δ罢/尝
Onde: Q= taxa de transferência de calor (W, watts), k= condutividade térmica do material (W/m-K), A= área da sec??o transversal através da qual o calor flui (m?).ΔT= varia??o de temperatura através do material (K) e L = espessura do material (m).
A condutividade térmica é importante na aplica??o do dissipador de calor. Aumenta a transferência de calor da fonte de calor, como os componentes electrónicos, para o dissipador de calor para distribuir o calor pelo ambiente circundante. A condutividade térmica mais elevada dos materiais acelera o fluxo de calor e reduz os gradientes de temperatura, aumentando a eficiência do arrefecimento.
?rea de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 e o seu papel na dissipa??o de calor
A área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 é um dos par?metros mais significativos diretamente relacionados com a dissipa??o de calor nos dissipadores de calor. Quanto maior for a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 em contacto com o meio de arrefecimento, de preferência o ar, melhor será o arrefecimento, uma vez que haverá uma maior troca de calor. A lei de Newton do arrefecimento pode descrever a taxa de dissipa??o de calor:
蚕=丑×础×Δ罢
em que h representa o coeficiente de transferência de calor por convec??o (W/m?-K).
Esta equa??o mostra que, quando o coeficiente de transferência de calor por convec??o e a diferen?a de temperatura s?o constantes, a taxa de dissipa??o de calor é diretamente proporcional à área da 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别. Isto deve-se ao facto de uma grande área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 significar muitos pontos de contacto. Assim, mais calor é transferido do dissipador de calor para o ar circundante, aumentando o efeito de arrefecimento.
Técnicas para maximizar a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 sem aumentar o tamanho total
Na maioria das aplica??es, sobretudo em sistemas compactos ou portáteis, o tamanho do dissipador de calor é limitado. S?o úteis métodos que permitam obter uma grande área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 e, ao mesmo tempo, conter a estrutura.
Uma técnica é a utiliza??o de aletas e conjuntos de pinos. Isto tende a expandir a área térmica do dissipador de calor, embora n?o afecte muito o tamanho do dissipador de calor.
Os dissipadores de calor de microcanais têm pequenas passagens internas e aumentam consideravelmente a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 para dissipa??o térmica sem aumentar as dimens?es exteriores. Uma ranhura ou covinhas podem aumentar a área à microescala para facilitar a transferência de calor sem alterar as dimens?es do dissipador de calor.
As estruturas de aletas dobradas incluem a dobragem de folhas metálicas finas em formas de aletas. Estas estruturas aumentam a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别, mantendo a área total reduzida.
Além disso, existem materiais porosos, por exemplo, espumas metálicas com uma enorme área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 interna para um determinado volume. No entanto, têm alguns problemas com o fluxo de ar e com a queda de press?o.
Critérios de sele??o de materiais para a conce??o de dissipadores de calor
A condutividade térmica é um dos par?metros mais importantes na sele??o do material para os dissipadores de calor. Determina a taxa de transferência de calor. Um dos materiais normalmente utilizados é o cobre. O cobre tem uma melhor condutividade térmica de cerca de 390 - 400 W/m-K. ? ideal para aplica??es topo de gama e é altamente condutor. No entanto, o custo e a densidade do cobre podem colocar desafios. O alumínio tem uma condutividade térmica relativamente mais baixa, de ~200-250W/m-K. No entanto, é relativamente económico e mais leve. Isto torna o alumínio ideal para uma utiliza??o geral.
Novos materiais, como o grafeno, têm uma condutividade térmica de até 5000 W/m-K. Estes materiais têm um futuro melhor na conce??o de FH, sendo provavelmente o melhor método de arrefecimento convencional. Outros materiais compósitos com elevado desempenho térmico, como os compósitos de matriz metálica e os materiais de mudan?a de fase, sugerem possíveis utiliza??es futuras com melhor eficiência térmica e durabilidade. No entanto, as solu??es de compromisso s?o críticas e exigem cuidados adequados. Por conseguinte, a escolha de materiais adequados requer a considera??o de certos prós e contras sobre requisitos de aplica??o específicos e eficiência, custo, massa e robustez.
| Material comum | Condutividade térmica (k), (W/m-K) | Custo (USD/kg) | Densidade (ρ, g/cm?) | Resistência à corros?o |
| 础濒耻尘í苍颈辞 | 200 - 250 | 2 - 3 | 2.7 | Bom |
| Cobre | 390 - 400 | 6 - 7 | 8.9 | Moderado |
| A?o inoxidável | 16 - 25 | 1 - 3 | 8.0 | Excelente |
| Grafite | 100 - 2000 | 10 - 15 | 1.5 - 2.0 | Excelente |
Mecanismos de transferência de calor na conce??o de dissipadores de calor
Uma conce??o eficaz assenta em três mecanismos primários de transferência de calor: Estes incluem a condu??o, a convec??o e a radia??o.
Condu??o
Nos dissipadores de calor, a condu??o é um processo através do qual o calor de um componente é transferido através do material para o ambiente externo. A Lei de Fourier dá a taxa de transferência de calor devido à condu??o:
Qcondu??o=-办×础×Δ罢/尝
O mecanismo é crucial porque permite a transferência de calor da fonte para a 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 do dissipador de calor, onde ocorre a dissipa??o posterior.
A condu??o é um fator importante. Por isso, o ideal é escolher um material adequado. Os condutores térmicos, como o cobre ou o alumínio, s?o úteis porque permitem a transferência de calor da fonte quente para a 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 fria do dissipador do módulo Peltier.
O cobre, com boa condutividade térmica, é amplamente aplicável a aplica??es de alta temperatura. O alumínio oferece op??es de baixo custo com um desempenho térmico razoável.
Além disso, a conce??o deve também otimizar a resistência térmica, mantendo um bom contacto entre a fonte de calor e o dissipador de calor. Isto é possível através da utiliza??o de materiais de interface térmica que ajudam a melhorar a troca de calor entre as duas 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别s e a ultrapassar a imped?ncia térmica.
Deve ser dada especial aten??o à distribui??o adequada das vias térmicas e evitar lacunas ou áreas de contacto n?o uniformes, uma vez que estas influenciam negativamente a condu??o do calor e a gest?o térmica.
Convec??o
A convec??o envolve a troca de calor entre uma 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 sólida e um fluido que flui sobre a 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别, seja ar ou líquido. Envolve o movimento do calor através do fluido e é descrito pela Lei do Arrefecimento de Newton:
Qconvec??o=丑×础×Δ罢
A convec??o é um dos factores críticos no arrefecimento e determina o grau de dissipa??o do calor para longe das 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别s do dissipador de calor. Assim, é necessária uma área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 máxima para melhorar a convec??o.
A utiliza??o de alhetas ou conjuntos de pinos significa que existe mais área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 disponível para a dissipa??o de calor. A eficiência da convec??o é melhorada com uma 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 de cabe?a mais proeminente, uma vez que existe uma maior possibilidade de transferência de calor para o fluido circundante.
Além disso, o fluxo em torno do dissipador de calor deve aumentar o coeficiente térmico convectivo. Isto implica a utiliza??o de ventiladores ou sopradores para aumentar os caudais, o que ajuda a remover o calor a um ritmo mais rápido.
Radia??o
Qualquer objeto exposto à radia??o sofre uma transferência de calor através de ondas electromagnéticas sem necessitar de um meio. A lei de Stefan-Boltzmann descreve este fenómeno:
QRadia??o=?×σ×础×(罢蝉耻辫别谤蹿í肠颈别4 - Tambiente4)
Em que ?= a emissividade da 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 (sem dimens?es), σ = constante de stefan-boltzmann (5,67×10-8 W/m?-K?), A= área da 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 do dissipador de calor (m?), T蝉耻辫别谤蹿í肠颈别= temperatura da 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 do dissipador de calor (K), Tambiente = temperatura ambiente (K).
Na conce??o de dissipadores de calor, a radia??o é um dos mecanismos mais importantes. A aplica??o de revestimentos e acabamentos que aumentam a emissividade pode melhorar significativamente a transferência de calor por radia??o. Superfícies com maior emissividade podem irradiar radia??o térmica de forma mais eficaz, ajudando assim na dissipa??o de calor. Além disso, a caraterística geométrica do dissipador de calor também desempenha um papel vital na eficácia da dissipa??o de calor por radia??o. Para obter um dissipador de calor eficiente, as caraterísticas exp?em o máximo possível ao ambiente para dissipa??o de calor. Em muitos dissipadores de calor, a otimiza??o da transferência térmica radiativa envolve a utiliza??o de revestimentos de elevada emissividade combinados com desenhos geométricos.
Otimiza??o da geometria e da forma na conce??o de dissipadores de calor
?rea de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 e dissipa??o de calor
A eficiência de um dissipador de calor depende significativamente da 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 do dispositivo, uma vez que a taxa de transferência de calor por convec??o depende da área da 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别. Para calcular a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 necessária para uma determinada taxa de dissipa??o de calor, utilize a seguinte equa??o para transferências de calor por convec??o:
蚕=丑×础×Δ罢
Suponha que um dissipador de calor deve dissipar 50 W, com um coeficiente de transferência de calor por convec??o h=50 W/m?.K. Suponha também que a diferen?a de temperatura entre o dispositivo eletrónico e o ambiente é ΔT =55K:
础=蚕/丑Δ罢=50/(50×55)=0.01819尘2 ou 182 cm2
Condu??o através de um dissipador de calor
Para calcular o calor através de um material dissipador de calor, utilize a lei de condu??o de Fourier:
Qcondu??o=-办×础×Δ罢/尝
Suponhamos que escolhemos o alumínio como material, ent?o k=205 W/m.K, ΔT=55 K, e espessura L=0,01 m, e área da sec??o transversal A=0,01 m?A = :
Qcondu??o=-205×0.01819×55/(0.01)=20.509办奥
Otimiza??o da geometria das alhetas
Para determinar a eficácia das alhetas num dissipador de calor, utilize a seguinte equa??o para calcular a taxa de transferência de calor de uma única alheta:
Qbarbatana=(办×础barbatana×ΔT)/L [1/√((h.L)/k)]
Onde Abarbatana= ?rea de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 de uma única alheta (m?)
Processo de conce??o do dissipador de calor
A formula??o do dissipador de calor envolve vários processos. Cada fase exige cálculos de engenharia específicos para ajudar a maximizar a eficiência térmica.
1. Definir os requisitos:
Para definir o desempenho do dissipador de calor, três factores críticos devem incluir o requisito de dissipa??o de calor (Q) em watts (W). Por exemplo, se um componente eletrónico dissipar 20 W de calor, Q= 20 W. Em seguida, determine a temperatura ambiente (Ta), que é a temperatura do ambiente circundante. Normalmente, Ta = 30°C. Especifique também a temperatura máxima da jun??o (Tj) para o funcionamento do componente. Por exemplo, Tj=85°C=85°Por último, chegue ao aumento de temperatura desejado (ΔT) subtraindo a temperatura ambiente à temperatura da jun??o.
Δ罢=罢j-Ta=85-30=55oC
2. Calcular a resistência térmica necessária (Rth):
Determine a resistência térmica que o dissipador de calor deve cumprir para o aumento de temperatura desejado.
Rth=ΔT/Q=55/20=2,75 °C/W
3. Selecione o tipo e o material do dissipador de calor:
A sele??o do tipo e do material do dissipador de calor depende de factores como a resistência térmica, o peso e o custo. Alguns dos tipos mais comuns s?o o alumínio e o cobre. Por exemplo, o alumínio tem uma condutividade térmica (k) de cerca de 205 W/m-K, o que o torna adequado para utiliza??o devido à sua eficácia e custo.
4. Determinar a geometria do dissipador de calor:
Ajustar o tamanho e a forma do dissipador de calor para satisfazer os níveis de resistência térmica necessários. A sele??o das op??es na geometria pode incluir o tipo de aleta, o tipo de pino ou ambos. Para o tipo de aleta, calcular o espa?amento das aletas como:
Espa?amento das alhetas=Altura do dissipador de calor/Número de alhetas
5. Efetuar cálculos térmicos:
Ao selecionar o design do dissipador de calor, certifique-se de que os cálculos de resistência térmica foram cumpridos. O coeficiente de transferência de calor por convec??o do ar (h) é normalmente 10 - 50 W/m?-K. Calcule a resistência térmica efectiva como:
Rth,total=Rth, dissipador de calor+Rth, interface+Rth,jun??o
Em que Rth, dissipador de calor= resistência térmica do dissipador de calor, Rth, interface= resistência da interface térmica, Rth, jun??o= resistência térmica desde a jun??o até à interface.
Para o dissipador de calor:
Rth, dissipador de calor=1/h.Atotal
Onde Atotal=蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 disponível para dissipa??o de calor.
6. Protótipo e teste
Construir um dissipador de calor físico seguindo as informa??es do projeto e avaliar os resultados. Soldar o dissipador de calor ao componente eletrónico e utilizar um termómetro para medir a diferen?a de temperatura e avaliar o desempenho do dissipador de calor. Finalmente, dependendo dos resultados, podem ser feitas algumas modifica??es no projeto para obter a resistência térmica necessária.
Erros comuns de design e como evitá-los
A gest?o térmica é vital, especialmente na conce??o de dispositivos electrónicos. No entanto, vários erros s?o susceptíveis de criar um impacto negativo. Um erro comum que a maioria das pessoas comete é precisar de mais espa?o na 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 do dissipador de calor para permitir uma dissipa??o de calor adequada. Um problema na prática é que os projectistas têm de efetuar cálculos e simula??es básicas para determinar qual a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 essencial para a carga térmica. Isto pode resultar em regimes de temperatura mais elevados e mesmo em choque térmico dos componentes.
Consequentemente, as interfaces entre a fonte de calor e o dissipador de calor podem aumentar diretamente a resistência térmica, conduzindo assim a uma baixa dissipa??o térmica. Além disso, qualquer inadequa??o nas alhetas, incluindo a espessura ou o espa?amento entre elas, pode interromper o fluxo de ar e prejudicar a transferência de calor por convec??o, aumentando a temperatura de funcionamento. Assim, cálculos adequados e a utiliza??o de ferramentas como a Din?mica de Fluidos Computacional (CFD) s?o úteis para os projectistas preverem a área de 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别 e a geometria das alhetas de forma mais correta. Para obter a transferência térmica adequada, é necessário utilizar TIMs de boa qualidade e 蝉耻辫别谤蹿í肠颈别s lisas e planas para contacto.
Conclus?o
A conce??o do dissipador de calor é crucial para alcan?ar os limites de funcionamento térmico desejáveis nos componentes electrónicos. Um dissipador de calor adequado deve incorporar a condutividade térmica, o espa?o aéreo e os materiais corretos como par?metros integrais. A sua implementa??o correta aumenta a durabilidade do componente e o desempenho do sistema.
A condu??o, a convec??o e a radia??o desempenham um papel fundamental no processo de perda de calor. Por conseguinte, os princípios subjacentes a estes mecanismos devem ser plenamente compreendidos.
Melhores materiais e métodos para materiais e geometrias de elevada condutividade térmica na constru??o de dissipadores de calor podem proporcionar elevados níveis de melhoria. A procura iterativa de novas possibilidades de materiais e concep??es ajuda a aumentar o desenvolvimento de produtos térmicos.
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