En maquinaria y circuitos, los disipadores de calor son los componentes más descuidados. 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 la CPU, los diodos y los transistores, generan calor, lo que puede degradar el rendimiento térmico y hacer que el funcionamiento sea ineficiente.
Para superar el desafío de la disipación de calor, se diseñan diferentes tipos de disipadores de calor para funcionar con diferentes componentes y mantenerlos funcionando a temperaturas óptimas. Con el rápido avance de la tecnología (especialmente la nanotecnología) y para hacer las cosas lo más compactas y eficientes posible, se requiere calor adecuado. El diseño del fregadero se ha convertido en un factor de control y equilibrio en la fabricación de productos electrónicos. Por lo tanto, este artículo analizará los detalles y las consideraciones de diseño de los disipadores de calor.
A disipador de calor Es un método ampliamente utilizado para enfriar piezas o conjuntos que pueden calentarse durante el uso. Muchos tipos de dispositivos o maquinaria electrónicos y mecánicos utilizan disipadores de calor para ayudarlos a disipar el calor que generan. Los disipadores de calor son vitales para cualquier máquina que utilice cables, productos electrónicos, microchips o cualquier otra cosa que genere calor de forma natural. En el mundo moderno, eso lo cubre prácticamente todo.
Si está familiarizado con el término "disipador de calor", puede asociarlo con computadoras portátiles, de escritorio, CPU o fabricación. Obviamente, el tamaño de dichos componentes varía mucho, pero todos dependen de disipadores de calor para la regulación térmica. En las computadoras portátiles o PC y otros dispositivos electrónicos, lo hacen haciendo circular calor desde el procesador central o el microchip. Las máquinas de las fábricas y almacenes de producción en masa suelen utilizarlos para redirigir el aire caliente de los componentes y cables eléctricos.
Tipos de disipadores de calor
El primer paso para determinar el diseño de un disipador de calor es determinar el tipo de configuración. Hay dos tipos populares de disipadores de calor.
Disipadores de calor pasivos
Los disipadores de calor pasivos son la opción tradicional; Utilizan flujo de aire natural. La convección natural se acumula sobre los disipadores de calor y aleja el calor de los componentes. Son más baratos de operar y no requieren electricidad adicional.
Disipadores de calor activos
Los disipadores de calor activos son más eficientes y potentes, pero requieren convección forzada y utilizan aire o fluido para hacer posible la transferencia de calor. Son fácilmente reconocibles porque utilizan dispositivos motorizados como ventiladores cerca de los disipadores de calor.
La elección de cualquier tipo de disipador de calor puede dar lugar a cambios de diseño. Por ejemplo, un disipador de calor activo que depende de un ventilador requiere una superficie más pequeña y materiales más livianos para disipar la misma cantidad de calor que un conductor pasivo.
Disipadores de calor de cobre
El cobre se utiliza a menudo como material central para una amplia gama de diseños de disipadores de calor debido a sus impresionantes cualidades de transferencia de calor. Es un excelente conductor de calor y ayuda a alejar el calor de forma rápida y eficiente del dispositivo o circuito que está intentando enfriar. El lado negativo es que los disipadores de calor de cobre suelen ser más caros (hasta tres veces más pesados) que alternativas populares como el aluminio.
Disipadores de calor de aluminio
Aunque el aluminio no conduce el calor tan eficientemente como el cobre, es bastante ligero y económico. Cuando se utiliza en láminas delgadas (aluminio extruido), también puede ser un metal estructuralmente más robusto, como es el caso de la mayoría de las construcciones de disipadores de calor de cobre y aluminio. Una característica de diseño de muchos disipadores de calor de aluminio es permitir que el calor suba a través de una serie de finas aletas metálicas, lo que se explica con más detalle en la siguiente sección.
Algunos tipos de disipadores de calor, como las aletas adheridas, pueden fabricarse tanto de cobre como de aluminio. No es raro que se utilice un metal para la base o placa de contacto (normalmente cobre) y el otro para las aletas.
Disipadores de calor con aletas
Los disipadores de calor con aletas están hechos de un bloque sólido de metal que está emplumado o cortado en varias placas muy delgadas que se extienden desde un bloque central. Este diseño proporciona a los disipadores de calor con aletas una superficie mayor. Puede transferir calor de manera más eficiente desde cualquier componente al que esté conectado el enfriador.
Existen varios procesos potenciales que se pueden utilizar al diseñar y fabricar un disipador de calor. Hoy en día, los más comunes son probablemente los moldes de forja o fundición a presión, o el mecanizado CNC o molienda. Los disipadores de calor con aletas fundidas a presión son más comunes en ventas más baratas y de gran volumen, mientras que los disipadores de calor con aletas fresadas con CNC suelen producir un producto más caro pero de mayor calidad que tiende a enviarse en cantidades más bajas.
Disipadores de calor fijos
Un disipador de calor con clavijas puede denominarse simplemente disipador de calor con clavijas o enfriador de aletas con clavijas. De hecho, es simplemente un diseño alternativo al diseño de aleta plana más común descrito anteriormente. En la construcción con pasadores, el bloque central consta de un conjunto de pasadores o varillas que se extienden hacia arriba o hacia afuera desde su base. Los propios pasadores pueden ser cilíndricos, ovalados o cuadrados.
Por lo general, se calcula que un disipador de calor con pasadores tiene una superficie total mayor que un disipador de calor con aletas. Sin embargo, no necesariamente ofrecen una mejora significativa del rendimiento en muchas aplicaciones cotidianas y, por lo general, no se utilizan tan ampliamente como los modelos de aletas.
Materiales del disipador de calor
Los disipadores de calor suelen estar hechos de aleaciones de aluminio o cobre y el material suele estar determinado por la aplicación, la resistencia térmica, el método de producción y el presupuesto.
Los disipadores de calor de aluminio suelen estar hechos de aluminio 1050 (muy conductor térmico pero de baja resistencia) o aluminio 6060, 6061 o 6063 (menos conductor pero con mejores propiedades mecánicas). Los disipadores de calor más asequibles suelen estar fabricados con aleaciones de aluminio.
Los disipadores de calor de cobre tienen una excelente conductividad térmica (es dos veces más conductor que el aluminio), así como resistencia a la corrosión, propiedades antimicrobianas y otras propiedades deseables. Esto hace que los disipadores de calor de cobre sean una opción premium; sin embargo, el cobre no sólo es más caro que las aleaciones de aluminio, sino que también suele ser más difícil de moldear.
Grafito
El grafito y otros materiales de carbono tienen propiedades térmicas cercanas a las del cobre, pero son significativamente más ligeros. Se utilizan en aplicaciones donde el peso es un factor crítico.
Diamante
El diamante tiene la mejor conductividad térmica de todos los materiales, pero su alto costo y complejidad de fabricación limitan su uso en aplicaciones especializadas de alta gama, como la refrigeración de semiconductores.
Tipos de fabricación de disipadores de calor
¿Qué convierte una simple pieza de metal en estos complejos dispositivos de refrigeración? Echemos un vistazo a seis procesos de fabricación de disipadores de calor.
Extrusionado
La extrusión es un proceso continuo en el que el aluminio u otro material disipador de calor se calienta y se fuerza a través de una matriz con un perfil de sección transversal específico. El material se presenta en longitudes continuas con la forma deseada y luego se puede cortar al tamaño requerido. Su alta velocidad de producción y rentabilidad lo hacen adecuado para producciones de gran volumen. Las propiedades consistentes del material se mantienen durante todo el proceso de extrusión.
Die Casting
Durante el proceso de fundición a presión, se inyecta metal fundido, como aluminio o zinc, en un molde (molde) de acero a alta presión. Este proceso activo asegura que el metal fundido llene completamente la cavidad del molde. A medida que el metal se introduce activamente en la cavidad, se solidifica rápidamente y se adapta a la forma del molde. La alta presión mantenida garantiza que cada detalle del molde se llene con precisión, lo que da como resultado un disipador de calor con características complejas y superficies lisas.
Aleta de estampado
El estampado implica el uso de troqueles y punzones para cortar y dar forma a la lámina de metal en la forma deseada. Este proceso produce disipadores de calor con dimensiones y patrones específicos. El estampado es adecuado para crear patrones repetitivos como aletas, es rentable para volúmenes medianos y altos y tiene velocidades de producción relativamente rápidas.
El mecanizado por control numérico por computadora (CNC) es el proceso mediante el cual una computadora le dice a una máquina exactamente cómo tallar un disipador de calor a partir de un bloque de metal. Este proceso permite la creación de formas geométricas complejas y detalles intrincados. La tecnología de mecanizado avanzada ofrece varias ventajas, incluida una alta exactitud y precisión, la capacidad de personalizar diseños y la idoneidad para una producción de volumen pequeño a mediano.
Rebajado de metales
El raspado es un proceso de corte de precisión que transforma un bloque sólido de metal (generalmente aluminio o cobre) en un disipador de calor con una serie de aletas delgadas y espaciadas uniformemente. El proceso comienza con un bloque rectangular de metal, que luego se mecaniza para producir la superficie con aletas deseada. Los espesores de las aletas varían de 0.25 a 0.8 mm, lo que permite altas eficiencias térmicas en aletas livianas.
Forja de metal
La forja implica dar forma al metal aplicando fuerza de compresión a través de herramientas como troqueles, martillos o prensas. El proceso mejora la organización del grano y las propiedades mecánicas del material. La forja es la opción para fabricar disipadores de calor porque produce estructuras fuertes de una sola pieza con excelente transferencia de calor y baja resistencia, perfectas para tareas de refrigeración exigentes.
Comparación del mecanizado CNC y la extrusión de aluminio para disipadores de calor
A pesar de que hay muchas formas de mecanizar disipadores de calor, las más comunes y utilizadas son el CNC y la extrusión.
Beneficios del disipador de calor de mecanizado CNC
El mecanizado CNC ofrece varias ventajas para la producción de disipadores de calor de aluminio:
Precisión y exactitud
El mecanizado CNC permite la creación de diseños de disipadores de calor altamente exactos y precisos con tolerancias estrictas y geometrías complejas. Esto permite la producción de disipadores de calor con un rendimiento térmico óptimo, adaptado a los requisitos específicos de la aplicación.
Versatilidad de materiales
El mecanizado CNC permite mecanizar una amplia variedad de aleaciones de aluminio, cada una con sus propiedades y características únicas. Esta flexibilidad permite a los fabricantes seleccionar el material de disipador de calor óptimo en función de factores como la conductividad térmica, la resistencia a la corrosión y el peso.
Plazos de entrega reducidos
Los procesos de mecanizado CNC pueden producir disipadores de calor de aluminio con relativa rapidez, especialmente en comparación con otros métodos de fabricación. Esto ayuda a reducir los plazos de entrega y aumentar la productividad general.
Personalización
El mecanizado CNC permite diseños de disipadores de calor altamente personalizados, lo que permite a los fabricantes ofrecer soluciones personalizadas a sus clientes. Esto es particularmente beneficioso para aplicaciones específicas o industrias especializadas donde las soluciones disponibles en el mercado pueden no ser adecuadas.
Beneficios del disipador de calor extruido de aluminio
La extrusión de aluminio también ofrece varios beneficios clave para la fabricación de disipadores de calor.
Producción eficiente
La extrusión es un proceso de fabricación intrínsecamente eficiente, ya que crea perfiles de aluminio continuos con un desperdicio mínimo. Esto puede resultar en ahorros de costos, especialmente para tiradas de producción en masa.
Flexibilidad de diseño
Aunque no es tan versátil en términos de complejidad de diseño como el mecanizado CNC, la extrusión de aluminio aún permite una amplia gama de formas y tamaños de disipadores de calor. Esto resulta ventajoso para los fabricantes que buscan lograr un equilibrio entre la flexibilidad del diseño y la eficiencia de la producción.
Calidad consistente
El proceso de extrusión produce disipadores de calor de aluminio con calidad constante y propiedades de material uniformes. Esto ayuda a garantizar que el disipador de calor funcione de manera confiable y eficiente durante toda su vida útil.
Escalabilidad
La extrusión de aluminio es altamente escalable, lo que la hace ideal para fabricantes que necesitan producir grandes cantidades de disipadores de calor. El proceso de extrusión se puede ampliar o reducir fácilmente para adaptarse a diferentes requisitos de producción sin un impacto significativo en el costo o los plazos de entrega.
Disipadores de calor mecanizados CNC | Disipadores de calor de extrusión de aluminio | |
Precisión y exactitud | Alta precisión y exactitud con tolerancias estrechas y geometrías complejas para un rendimiento térmico óptimo. | Si bien son precisos, es posible que no alcancen la complejidad que puede proporcionar el mecanizado CNC. |
Versatilidad en Material | Puede trabajar con una amplia gama de aleaciones de aluminio, lo que permite una selección óptima de materiales en función de la conductividad térmica, la resistencia a la corrosión y el peso. | Por lo general, se limita a aleaciones de aluminio específicas adecuadas para el proceso de extrusión. |
Velocidad de producción | Producción relativamente rápida, lo que reduce los plazos de entrega. | El proceso de producción muy eficiente es adecuado para series de producción a gran escala. |
Personalización | El alto grado de personalización permite soluciones a medida. | Cierto grado de flexibilidad de diseño, pero no tan alto como el mecanizado CNC. Ideal para formas y tamaños estándar. |
Consistencia y Calidad | Calidad consistente, dependiente de la precisión de la máquina CNC y el programa. | Calidad consistente con propiedades uniformes del material, debido a la naturaleza del proceso de extrusión. |
Escalabilidad | Escalable, pero el tiempo de configuración y programación puede aumentar para diferentes diseños. | Altamente escalable, ideal para grandes volúmenes, con un impacto mínimo en el costo o los plazos de entrega al cambiar el volumen de producción. |
Tanto el mecanizado CNC como la extrusión de aluminio tienen sus propias ventajas y desventajas en lo que respecta a la eficiencia de fabricación. El mecanizado CNC puede producir disipadores de calor altamente complejos y personalizados, pero el proceso puede llevar más tiempo y ser más costoso, especialmente para grandes tiradas de producción. La extrusión de aluminio, por otro lado, es un método más eficiente y rentable para producir grandes cantidades de disipadores de calor, aunque el proceso puede no ser adecuado para diseños altamente complejos o especializados.
En última instancia, la elección entre el mecanizado CNC y la extrusión de aluminio para la fabricación de disipadores de calor dependerá de factores como la complejidad del diseño, el volumen de producción requerido y los requisitos específicos de gestión térmica de la aplicación.
Cómo elegir el disipador de calor adecuado
Cuando te preguntas: "¿Qué tipo de disipador de calor debo comprar?" la respuesta casi siempre depende de sus necesidades específicas de configuración y refrigeración. El primer paso para comprender cómo elegir un disipador de calor es determinar algunos detalles básicos sobre la aplicación prevista.
Las consideraciones clave para la selección óptima del disipador de calor incluyen.
Qué tipo de consumo de energía utilizará el componente en cuestión. Esto a menudo se conoce como TDP (potencia de diseño térmico o perfil de diseño térmico). El TDP se utiliza a menudo como una indicación básica del consumo de energía de un componente, especialmente la CPU (procesador) y la GPU (tarjeta de video). Especifica la cantidad máxima de calor en vatios que un componente puede utilizar. Esto suele ser un buen indicador de qué tan caliente tiene potencial un componente en particular bajo carga. Idealmente, qué tan frío debe permanecer el componente para un rendimiento óptimo.
¿Cuánto espacio hay disponible para instalar un enfriador, radiador o radiador? Vienen en una variedad de tamaños, desde pequeños radiadores modulares hasta instalaciones mucho más grandes. ¿Qué tipo de diseño o distribución del radiador proporcionará el mejor rendimiento térmico para las especificaciones de su sistema?
¿Necesita un radiador activo o pasivo?
¿Cuánto estás dispuesto a gastar en una hielera?
Conclusión
En resumen, los disipadores de calor desempeñan un papel vital en la gestión de los niveles de temperatura de los dispositivos electrónicos, proporcionando una solución eficiente y rentable para la gestión térmica. Al comprender los materiales, las consideraciones de diseño y los factores de rendimiento asociados con los disipadores de calor, podrá tomar decisiones informadas para optimizar la solución de refrigeración para su aplicación. En AN PROTOTYPE, ofrecemos disipadores de calor de alta calidad adaptados a sus necesidades, garantizando un rendimiento confiable y longevidad para sus sistemas electrónicos.