Nei macchinari e nei circuiti, i dissipatori di calore sono i componenti più trascurati. Tuttavia, questo non è il caso della progettazione dell'hardware poiché i dissipatori di calore svolgono un ruolo molto importante. Quasi tutte le tecnologie, tra cui CPU, diodi e transistor, generano calore, che può degradare le prestazioni termiche e rendere inefficiente il funzionamento.
Per superare la sfida della dissipazione del calore, diversi tipi di dissipatori di calore sono progettati per funzionare con diversi componenti e mantenerli operativi a temperature ottimali. Con il rapido progresso della tecnologia (in particolare la nanotecnologia) e per rendere le cose quanto più compatte ed efficienti possibile, il calore adeguato il design del lavandino è diventato un fattore di controllo ed equilibrio nella produzione di prodotti elettronici. Pertanto, questo articolo discuterà i dettagli e le considerazioni sulla progettazione dei dissipatori di calore.
A radiatore è un metodo ampiamente utilizzato per raffreddare parti o gruppi che potrebbero surriscaldarsi durante l'uso. Molti tipi di dispositivi o macchinari elettronici e meccanici utilizzano dissipatori di calore per dissipare il calore che generano. I dissipatori di calore sono vitali per qualsiasi macchina che utilizza cavi, componenti elettronici, microchip o qualsiasi altra cosa che generi calore naturalmente. Nel mondo moderno, questo copre praticamente tutto.
Se hai familiarità con il termine "dissipatore di calore", potresti associarlo a laptop, computer desktop, CPU o produzione. Ovviamente, le dimensioni di tali componenti variano notevolmente, ma tutti si affidano a dissipatori di calore per la regolazione termica. Nei laptop o nei PC e in altri dispositivi elettronici, lo fanno facendo circolare il calore dal processore centrale o dal microchip. Le macchine nelle fabbriche e nei magazzini di produzione di massa spesso li utilizzano per reindirizzare l'aria calda dai componenti elettrici e dai cavi.
Tipi di dissipatori di calore
Il primo passo per determinare il design del dissipatore di calore è determinare il tipo di configurazione. Esistono due tipi popolari di dissipatore di calore.
Dissipatori di calore passivi
I dissipatori di calore passivi sono la scelta tradizionale; usano il flusso d'aria naturale. La convezione naturale si accumula sui dissipatori di calore e allontana il calore dai componenti. Sono più economici da utilizzare e non richiedono elettricità aggiuntiva.
Dissipatori di calore attivi
I dissipatori di calore attivi sono più efficienti e potenti, ma richiedono la convezione forzata e utilizzano aria o fluido per rendere possibile il trasferimento di calore. Sono facilmente riconoscibili perché utilizzano dispositivi motorizzati come ventilatori vicino ai dissipatori di calore.
La scelta di qualsiasi tipo di dissipatore di calore può portare a modifiche di progettazione. Ad esempio, un dissipatore di calore attivo che si basa su una ventola richiede una superficie più piccola e materiali più leggeri per dissipare la stessa quantità di calore di un conduttore passivo.
Dissipatori di calore in rame
Il rame viene spesso utilizzato come materiale di base per un'ampia gamma di design di dissipatori di calore grazie alle sue impressionanti qualità di trasferimento del calore. È un eccellente conduttore di calore e aiuta a portare via il calore in modo rapido ed efficiente dal dispositivo o dal circuito che stai cercando di raffreddare. Lo svantaggio è che i dissipatori di calore in rame sono spesso più costosi (fino a tre volte più pesanti) rispetto ad alternative popolari come l’alluminio.
Dissipatori di calore in alluminio
Sebbene l’alluminio non conduca il calore in modo efficiente quanto il rame, è abbastanza leggero ed economico. Se utilizzato in fogli sottili (alluminio estruso), può anche essere un metallo strutturalmente più robusto, come nel caso della maggior parte delle costruzioni di dissipatori di calore in rame e alluminio. Una caratteristica progettuale di molti dissipatori di calore in alluminio è quella di consentire al calore di salire attraverso una serie di sottili alette metalliche, spiegate più dettagliatamente nella sezione seguente.
Alcuni tipi di dissipatori di calore, come le alette incollate, possono essere realizzati sia in rame che in alluminio. Non è raro che un metallo venga utilizzato per la base o la piastra di contatto (solitamente rame) e l'altro per le alette.
Dissipatori di calore alettati
I dissipatori di calore alettati sono costituiti da un solido blocco di metallo piumato o tagliato in una serie di piastre molto sottili che si estendono da un blocco centrale. Questo design conferisce ai dissipatori di calore con alette una superficie maggiore. Può trasferire in modo più efficiente il calore lontano da qualsiasi componente a cui è collegato il dispositivo di raffreddamento.
Esistono diversi potenziali processi che possono essere utilizzati durante la progettazione e la produzione di un dissipatore di calore. Oggi, i più comuni sono probabilmente gli stampi per forgiatura o pressofusione, oppure la lavorazione CNC o fresatura. I dissipatori di calore alettati pressofusi sono più comuni nelle vendite più economiche e di volume elevato, mentre i dissipatori di calore alettati fresati a CNC in genere producono un prodotto più costoso ma di qualità superiore che tende a essere spedito in quantità inferiori.
Dissipatori di calore fissi
Un dissipatore di calore con pin può essere chiamato semplicemente dissipatore di calore a pin o dispositivo di raffreddamento con pin fin. In realtà, si tratta semplicemente di un design alternativo al più comune design a pinna piatta descritto sopra. Nella costruzione a perni, il blocco centrale è costituito da una serie di perni o aste che si estendono verso l'alto o verso l'esterno dalla sua base. I perni stessi possono essere cilindrici, ovali o quadrati.
In genere si calcola che un dissipatore di calore bloccato abbia una superficie totale maggiore rispetto a un dissipatore di calore alettato. Tuttavia, non offrono necessariamente un miglioramento significativo delle prestazioni in molte applicazioni quotidiane e di solito non sono così ampiamente utilizzati come i modelli a pinna.
Materiali del dissipatore di calore
I dissipatori di calore sono generalmente realizzati in leghe di alluminio o rame e il materiale è solitamente determinato dall'applicazione, dalla resistenza termica, dal metodo di produzione e dal budget.
I dissipatori di calore in alluminio sono generalmente realizzati in alluminio 1050 (molto conduttivo termicamente ma a bassa resistenza) o alluminio 6060, 6061 o 6063 (meno conduttivo ma con migliori proprietà meccaniche). I dissipatori di calore più convenienti sono generalmente realizzati in leghe di alluminio.
I dissipatori di calore in rame hanno un'eccellente conduttività termica – è due volte più conduttivo dell'alluminio – così come resistenza alla corrosione, proprietà antimicrobiche e altre proprietà desiderabili. Ciò rende i dissipatori di calore in rame un'opzione premium; tuttavia, non solo il rame è più costoso delle leghe di alluminio, ma è anche spesso più difficile da modellare.
Grafite
La grafite e altri materiali in carbonio hanno proprietà termiche vicine a quelle del rame, ma sono significativamente più leggeri. Sono utilizzati in applicazioni in cui il peso è un fattore critico.
Diamante
Il diamante ha la migliore conduttività termica tra tutti i materiali, ma il suo costo elevato e la complessità della produzione ne limitano l'uso in applicazioni specialistiche di fascia alta come il raffreddamento dei semiconduttori.
Tipi di produzione dei dissipatori di calore
Cosa trasforma un semplice pezzo di metallo in questi complessi dispositivi di raffreddamento? Diamo un'occhiata a sei processi di produzione dei dissipatori di calore.
estruso
L'estrusione è un processo continuo in cui l'alluminio o altro materiale dissipatore di calore viene riscaldato e forzato attraverso una matrice con un profilo di sezione trasversale specifico. Il materiale viene reso in lunghezze continue con la forma desiderata e può quindi essere tagliato alla dimensione richiesta. L'elevata velocità di produzione e l'economicità lo rendono adatto alla produzione di grandi volumi. Le proprietà costanti del materiale vengono mantenute durante tutto il processo di estrusione.
Die Casting
Durante il processo di pressofusione, il metallo fuso, come alluminio o zinco, viene iniettato in uno stampo di acciaio (stampo) ad alta pressione. Questo processo attivo garantisce che il metallo fuso riempia completamente la cavità dello stampo. Poiché il metallo viene forzato attivamente nella cavità, si solidifica rapidamente e si conforma alla forma dello stampo. L'elevata pressione mantenuta garantisce che ogni dettaglio dello stampo venga riempito con precisione, dando vita ad un dissipatore di calore con caratteristiche complesse e superfici lisce.
Pinna per stampaggio
Lo stampaggio prevede l'uso di matrici e punzoni per tagliare e modellare la lamiera nella forma desiderata. Questo processo produce dissipatori di calore con dimensioni e modelli specifici. Lo stampaggio è adatto per creare modelli ripetitivi come le pinne, è conveniente per volumi medio-alti e ha velocità di produzione relativamente elevate.
La lavorazione CNC (Computer Numerical Control) è il processo mediante il quale un computer dice a una macchina esattamente come scolpire un dissipatore di calore da un blocco di metallo. Questo processo consente la creazione di forme geometriche complesse e dettagli intricati. La tecnologia di lavorazione avanzata offre numerosi vantaggi, tra cui elevata accuratezza e precisione, la possibilità di personalizzare i progetti e l'idoneità per la produzione di volumi medio-piccoli.
Rasatura dei metalli
Lo skiving è un processo di taglio di precisione che trasforma un solido blocco di metallo (solitamente alluminio o rame) in un dissipatore di calore con una serie di alette sottili e uniformemente distanziate. Il processo inizia con un blocco rettangolare di metallo, che viene poi lavorato per produrre la superficie alettata desiderata. Gli spessori delle alette variano da 0.25 a 0.8 mm, consentendo elevate efficienze termiche in alette leggere.
Forgiatura del metallo
La forgiatura prevede la modellatura del metallo applicando una forza di compressione attraverso strumenti come matrici, martelli o presse. Il processo migliora l'organizzazione dei grani e le proprietà meccaniche del materiale. La forgiatura è la scelta migliore per realizzare dissipatori di calore perché produce robuste strutture monopezzo con eccellente trasferimento di calore e bassa resistenza, perfette per attività di raffreddamento impegnative.
Confronto tra lavorazione CNC ed estrusione di alluminio per dissipatori di calore
Nonostante esistano tanti modi per lavorare il dissipatore di calore, i più comuni e ampiamente utilizzati sono il CNC e l'estrusione.
Vantaggi del dissipatore di calore per lavorazione CNC
La lavorazione CNC offre numerosi vantaggi per la produzione di dissipatori di calore in alluminio:
Precisione e accuratezza
La lavorazione CNC consente la creazione di design di dissipatori di calore estremamente accurati e precisi con tolleranze strette e geometrie complesse. Ciò consente la produzione di dissipatori di calore con prestazioni termiche ottimali, adattati ai requisiti specifici dell'applicazione.
Versatilità materica
La lavorazione CNC consente la lavorazione di un'ampia varietà di leghe di alluminio, ciascuna con le proprie proprietà e caratteristiche uniche. Questa flessibilità consente ai produttori di selezionare il materiale ottimale del dissipatore di calore in base a fattori quali conduttività termica, resistenza alla corrosione e peso.
Tempi di consegna ridotti
I processi di lavorazione CNC possono produrre dissipatori di calore in alluminio in tempi relativamente brevi, soprattutto se paragonati ad altri metodi di produzione. Ciò aiuta a ridurre i tempi di consegna e ad aumentare la produttività complessiva.
Personalizzazione
La lavorazione CNC consente progetti di dissipatori di calore altamente personalizzati, consentendo ai produttori di offrire soluzioni su misura ai propri clienti. Ciò è particolarmente vantaggioso per le applicazioni di nicchia o per i settori specializzati in cui le soluzioni standardizzate potrebbero non essere adatte.
Vantaggi del dissipatore di calore in alluminio estruso
L’estrusione di alluminio offre anche numerosi vantaggi chiave per la produzione di dissipatori di calore.
Produzione efficiente
L'estrusione è un processo di produzione intrinsecamente efficiente poiché crea profili di alluminio continui con scarti minimi. Ciò può comportare un risparmio sui costi, soprattutto per le produzioni di massa.
Flessibilità del design
Sebbene non sia così versatile in termini di complessità di progettazione come la lavorazione CNC, l'estrusione di alluminio consente comunque un'ampia gamma di forme e dimensioni dei dissipatori di calore. Ciò è vantaggioso per i produttori che cercano di trovare un equilibrio tra flessibilità di progettazione ed efficienza produttiva.
Qualità costante
Il processo di estrusione produce un dissipatore di calore in alluminio con qualità costante e proprietà del materiale uniformi. Ciò aiuta a garantire che il dissipatore di calore funzioni in modo affidabile ed efficiente per tutta la sua durata.
Scalabilità
L'estrusione di alluminio è altamente scalabile, il che la rende ideale per i produttori che necessitano di produrre grandi quantità di dissipatori di calore. Il processo di estrusione può essere facilmente ampliato o ridotto per soddisfare diverse esigenze di produzione senza un impatto significativo sui costi o sui tempi di consegna.
Dissipatori di calore lavorati a CNC | Dissipatori di calore in estrusione di alluminio | |
Precisione e accuratezza | Elevata precisione e accuratezza con tolleranze ristrette e geometrie complesse per prestazioni termiche ottimali. | Sebbene precisi, potrebbero non raggiungere la complessità che può fornire la lavorazione CNC. |
Versatilità materiale | Può lavorare con un'ampia gamma di leghe di alluminio, consentendo una selezione ottimale del materiale in base a conduttività termica, resistenza alla corrosione e peso. | Tipicamente limitato a specifiche leghe di alluminio adatte al processo di estrusione. |
Velocità di produzione | Produzione relativamente rapida, riducendo i tempi di consegna. | Il processo di produzione molto efficiente, è adatto a cicli di produzione su larga scala. |
Personalizzazione | L'elevato grado di personalizzazione, consente soluzioni su misura. | Un certo grado di flessibilità di progettazione, ma non così elevato come la lavorazione CNC. Ideale per forme e dimensioni standard. |
Consistenza e Qualità | Qualità costante, dipendente dalla precisione della macchina e del programma CNC. | Qualità costante con proprietà del materiale uniformi, grazie alla natura del processo di estrusione. |
Scalabilità | Scalabile, ma i tempi di installazione e programmazione possono aumentare per progetti diversi. | Altamente scalabile, ideale per grandi volumi, con un impatto minimo sui costi o sui tempi di consegna quando si modifica il volume di produzione. |
Sia la lavorazione CNC che l'estrusione dell'alluminio presentano vantaggi e svantaggi in termini di efficienza produttiva. La lavorazione CNC può produrre dissipatori di calore altamente complessi e personalizzati, ma il processo può richiedere più tempo e denaro, soprattutto per grandi cicli di produzione. L’estrusione di alluminio, d’altro canto, è un metodo più efficiente ed economico per produrre grandi quantità di dissipatori di calore, sebbene il processo possa non essere adatto a progetti altamente complessi o specializzati.
In definitiva, la scelta tra lavorazione CNC ed estrusione di alluminio per la produzione di dissipatori di calore dipenderà da fattori quali la complessità del progetto, il volume di produzione richiesto e i requisiti specifici di gestione termica dell'applicazione.
Come scegliere il dissipatore di calore giusto
Quando ti chiedi: "Che tipo di dissipatore di calore dovrei acquistare?" la risposta dipende quasi sempre dalle esigenze specifiche di configurazione e raffreddamento. Il primo passo per capire come scegliere un dissipatore di calore è determinare alcuni dettagli di base sull'applicazione prevista.
Le considerazioni chiave per la scelta ottimale del dissipatore di calore includono.
Che tipo di consumo energetico utilizzerà il componente in questione. Questo viene spesso definito TDP (Thermal Design Power o Thermal Design Profile). Il TDP viene spesso utilizzato come indicazione di base del consumo energetico di un componente, in particolare CPU (processore) e GPU (scheda video). Il valore TDP specifica la quantità massima di calore in watt che un componente può utilizzare. Questo è spesso un buon indicatore di quanto caldo un particolare componente possa potenzialmente finire sotto carico. Idealmente, quanto freddo deve rimanere il componente per ottenere prestazioni ottimali.
Quanto spazio è disponibile per installare un dispositivo di raffreddamento, un radiatore o un radiatore: sono disponibili in una varietà di dimensioni, dai piccoli radiatori modulari alle installazioni molto più grandi. Quale tipo di design o disposizione del radiatore fornirà le migliori prestazioni termiche per le specifiche del tuo sistema.
Hai bisogno di un radiatore attivo o passivo?
Quanto sei disposto a spendere per un frigorifero?
Conclusione
In sintesi, i dissipatori di calore svolgono un ruolo fondamentale nella gestione dei livelli di temperatura dei dispositivi elettronici, fornendo una soluzione efficiente ed economica per la gestione termica. Comprendendo i materiali, le considerazioni sulla progettazione e i fattori prestazionali associati ai dissipatori di calore, puoi prendere decisioni informate per ottimizzare la soluzione di raffreddamento per la tua applicazione. Noi di AN PROTOTYPE forniamo dissipatori di calore di alta qualità su misura per le vostre esigenze, garantendo prestazioni affidabili e longevità ai vostri sistemi elettronici.
