Em máquinas e circuitos, os dissipadores de calor são os componentes mais negligenciados. No entanto, este não é o caso ao projetar hardware, pois os dissipadores de calor desempenham um papel muito importante. Quase todas as tecnologias, incluindo CPU, diodos e transistores, geram calor, o que pode degradar o desempenho térmico e tornar a operação ineficiente.
Para superar o desafio da dissipação de calor, diferentes tipos de dissipadores de calor são projetados para funcionar com diferentes componentes e mantê-los operando em temperaturas ideais. Com o rápido avanço da tecnologia (especialmente a nanotecnologia) e para tornar as coisas tão compactas e eficientes quanto possível, o calor adequado o design da pia tornou-se um fator de controle e equilíbrio na fabricação de produtos eletrônicos. Portanto, este artigo discutirá os detalhes e as considerações de design dos dissipadores de calor.
A dissipador de calor é um método amplamente utilizado para resfriar peças ou conjuntos que podem esquentar durante o uso. Muitos tipos de dispositivos ou máquinas eletrônicos e mecânicos usam dissipadores de calor para ajudá-los a dissipar o calor que geram. Dissipadores de calor são vitais para qualquer máquina que use fios, eletrônicos, microchips ou qualquer outra coisa que gere calor naturalmente. No mundo moderno, isso cobre praticamente tudo.
Se você estiver familiarizado com o termo “dissipador de calor”, poderá associá-lo a laptops, computadores desktop, CPUs ou manufatura. Obviamente, o tamanho de tais componentes varia muito, mas todos eles dependem de dissipadores de calor para regulação térmica. Em laptops ou PCs e outros eletrônicos, eles fazem isso circulando o calor do processador central ou microchip. Máquinas em fábricas e armazéns de produção em massa costumam usá-las para redirecionar o ar quente de componentes e fios elétricos.
Tipos de dissipadores de calor
A primeira etapa na determinação de um projeto de dissipador de calor é determinar o tipo de configuração. Existem dois tipos populares de dissipador de calor.
Dissipadores de calor passivos
Dissipadores de calor passivos são a escolha tradicional; eles usam fluxo de ar natural. A convecção natural se acumula sobre os dissipadores de calor e afasta o calor dos componentes. Eles são mais baratos para operar e não requerem eletricidade adicional.
Dissipadores de calor ativos
Os dissipadores de calor ativos são mais eficientes e potentes, mas requerem convecção forçada e usam ar ou fluido para possibilitar a transferência de calor. Eles são facilmente reconhecíveis porque utilizam dispositivos motorizados, como ventiladores próximos aos dissipadores de calor.
A escolha de qualquer tipo de dissipador de calor pode levar a alterações no projeto. Por exemplo, um dissipador de calor ativo que depende de um ventilador requer uma área de superfície menor e materiais mais leves para dissipar a mesma quantidade de calor que um condutor passivo.
Dissipadores de calor de cobre
O cobre é frequentemente usado como material de núcleo para uma ampla variedade de designs de dissipadores de calor devido às suas impressionantes qualidades de transferência de calor. É um excelente condutor de calor e ajuda a transportar o calor de forma rápida e eficiente para longe do dispositivo ou circuito que você está tentando resfriar. Por outro lado, os dissipadores de calor de cobre são frequentemente mais caros (até três vezes mais pesados) do que alternativas populares como o alumínio.
Dissipadores de calor de alumínio
Embora o alumínio não conduza calor tão eficientemente quanto o cobre, é bastante leve e mais barato. Quando utilizado em chapas finas (alumínio extrudado) também pode ser um metal estruturalmente mais robusto, como é o caso da maioria das construções de dissipadores de calor em cobre e alumínio. Uma característica de design de muitos dissipadores de calor de alumínio é permitir que o calor suba através de uma série de aletas metálicas finas – explicadas com mais detalhes na seção seguinte.
Alguns tipos de dissipadores de calor, como aletas coladas, podem ser feitos de cobre e alumínio. Não é incomum usar um metal para a base ou placa de contato (geralmente cobre) e outro para as aletas.
Dissipadores de calor com aletas
Os dissipadores de calor com aletas são feitos de um bloco sólido de metal que é franjado ou cortado em uma série de placas muito finas que se estendem a partir de um bloco central. Este design proporciona aos dissipadores de calor com aletas uma área de superfície maior. Ele pode transferir calor com mais eficiência de qualquer componente ao qual o cooler esteja conectado.
Existem vários processos potenciais que podem ser usados ao projetar e fabricar um dissipador de calor. Hoje, os mais comuns são provavelmente moldes de forjamento ou fundição sob pressão, ou usinagem CNC ou moagem. Os dissipadores de calor com aletas fundidas são mais comuns em vendas mais baratas e de alto volume, enquanto os dissipadores de calor com aletas fresadas CNC normalmente produzem um produto mais caro, mas de maior qualidade, que tende a ser enviado em quantidades menores.
Dissipadores de calor fixos
Um dissipador de calor com pinos pode ser chamado simplesmente de dissipador de calor de pino ou resfriador de aleta de pino. Na verdade, é simplesmente um design alternativo ao design de aleta plana mais comum descrito acima. Na construção com pinos, o bloco central consiste em um conjunto de pinos ou hastes que se estendem para cima ou para fora de sua base. Os próprios pinos podem ser cilíndricos, ovais ou quadrados.
Um dissipador de calor com pinos normalmente é calculado para ter uma área de superfície total maior do que um dissipador de calor com aletas. No entanto, eles não proporcionam necessariamente uma melhoria significativa de desempenho em muitas aplicações cotidianas e geralmente não são tão amplamente usados quanto os modelos de aletas.
Materiais para dissipador de calor
Os dissipadores de calor são geralmente feitos de ligas de alumínio ou cobre e o material geralmente é determinado pela aplicação, resistência térmica, método de produção e orçamento.
Os dissipadores de calor de alumínio são geralmente feitos de alumínio 1050 (muito condutor térmico, mas de baixa resistência) ou alumínio 6060, 6061 ou 6063 (menos condutor, mas com melhores propriedades mecânicas). Os dissipadores de calor mais acessíveis são geralmente feitos de ligas de alumínio.
Os dissipadores de calor de cobre têm excelente condutividade térmica – é duas vezes mais condutor que o alumínio – bem como resistência à corrosão, propriedades antimicrobianas e outras propriedades desejáveis. Isso torna os dissipadores de calor de cobre uma opção premium; entretanto, o cobre não só é mais caro que as ligas de alumínio, mas também costuma ser mais difícil de moldar.
Graphite
A grafite e outros materiais de carbono têm propriedades térmicas próximas às do cobre, mas são significativamente mais leves. Eles são usados em aplicações onde o peso é um fator crítico.
Diamante
O diamante tem a melhor condutividade térmica de qualquer material, mas seu alto custo e complexidade de fabricação limitam seu uso em aplicações especializadas de ponta, como resfriamento de semicondutores.
Tipos de fabricação de dissipadores de calor
O que transforma um simples pedaço de metal nesses complexos dispositivos de resfriamento? Vamos dar uma olhada em seis processos de fabricação de dissipadores de calor.
extrudido
A extrusão é um processo contínuo no qual o alumínio ou outro material dissipador de calor é aquecido e forçado através de uma matriz com um perfil de seção transversal específico. O material é renderizado em comprimentos contínuos com o formato desejado e pode então ser cortado no tamanho desejado. Sua alta velocidade de produção e economia o tornam adequado para produção de alto volume. Propriedades consistentes do material são mantidas durante todo o processo de extrusão.
Fundição
Durante o processo de fundição sob pressão, o metal fundido, como alumínio ou zinco, é injetado em uma matriz de aço (molde) sob alta pressão. Este processo ativo garante que o metal fundido preencha completamente a cavidade do molde. À medida que o metal é ativamente forçado para dentro da cavidade, ele solidifica rapidamente e se adapta ao formato do molde. A alta pressão mantida garante que cada detalhe do molde seja preenchido com precisão, resultando em um dissipador de calor com características complexas e superfícies lisas.
Barbatana de estampagem
A estampagem envolve o uso de matrizes e punções para cortar e moldar chapas metálicas no formato desejado. Este processo produz dissipadores de calor com dimensões e padrões específicos. A estampagem é adequada para criar padrões repetitivos, como aletas, é econômica para volumes médios a altos e tem velocidades de produção relativamente rápidas.
A usinagem de controle numérico computadorizado (CNC) é o processo pelo qual um computador informa a uma máquina exatamente como esculpir um dissipador de calor em um bloco de metal. Este processo permite a criação de formas geométricas complexas e detalhes intrincados. A tecnologia de usinagem avançada oferece diversas vantagens, incluindo alta exatidão e precisão, capacidade de personalizar projetos e adequação para produção de pequenos e médios volumes.
Desbaste de metal
Skiving é um processo de corte de precisão que transforma um bloco sólido de metal (geralmente alumínio ou cobre) em um dissipador de calor com uma série de aletas finas e uniformemente espaçadas. O processo começa com um bloco retangular de metal, que é então usinado para produzir a superfície com aletas desejada. As espessuras das aletas variam de 0.25 a 0.8 mm, permitindo alta eficiência térmica em aletas leves.
Forjamento de metal
Forjar envolve moldar o metal aplicando força compressiva através de ferramentas como matrizes, martelos ou prensas. O processo melhora a organização dos grãos e as propriedades mecânicas do material. O forjamento é a escolha para fazer dissipadores de calor porque produz estruturas fortes de peça única com excelente transferência de calor e baixa resistência, perfeitas para tarefas exigentes de resfriamento.
Comparando usinagem CNC e extrusão de alumínio para dissipador de calor
Apesar de existirem tantas maneiras de usinar dissipadores de calor, as mais comuns e amplamente utilizadas são CNC e extrusão.
Benefícios do dissipador de calor de usinagem CNC
A usinagem CNC oferece diversas vantagens para a produção de dissipadores de calor de alumínio:
Precisão e exatidão
A usinagem CNC permite a criação de projetos de dissipadores de calor altamente precisos e precisos, com tolerâncias restritas e geometrias complexas. Isto permite a produção de dissipadores de calor com ótimo desempenho térmico, adaptados aos requisitos específicos da aplicação.
Versatilidade de materiais
A usinagem CNC permite a usinagem de uma ampla variedade de ligas de alumínio, cada uma com propriedades e características únicas. Essa flexibilidade permite que os fabricantes selecionem o material ideal do dissipador de calor com base em fatores como condutividade térmica, resistência à corrosão e peso.
Tempos de espera reduzidos
Os processos de usinagem CNC podem produzir dissipadores de calor de alumínio de forma relativamente rápida, especialmente quando comparados a outros métodos de fabricação. Isso ajuda a reduzir os prazos de entrega e aumentar a produtividade geral.
Customização
A usinagem CNC permite projetos de dissipadores de calor altamente personalizados, permitindo que os fabricantes ofereçam soluções sob medida aos seus clientes. Isto é particularmente benéfico para aplicações de nicho ou indústrias especializadas onde soluções prontas para uso podem não ser adequadas.
Benefícios do dissipador de calor extrudado de alumínio
A extrusão de alumínio também oferece vários benefícios importantes para a fabricação de dissipadores de calor.
Produção eficiente
A extrusão é um processo de fabricação inerentemente eficiente, pois cria perfis contínuos de alumínio com desperdício mínimo. Isto pode resultar em economia de custos, especialmente para execuções de produção em massa.
Flexibilidade de design
Embora não seja tão versátil em termos de complexidade de projeto quanto a usinagem CNC, a extrusão de alumínio ainda permite uma ampla variedade de formatos e tamanhos de dissipadores de calor. Isto é vantajoso para os fabricantes que procuram encontrar um equilíbrio entre flexibilidade de design e eficiência de produção.
Qualidade consistente
O processo de extrusão produz dissipador de calor de alumínio com qualidade consistente e propriedades de material uniformes. Isto ajuda a garantir que o dissipador de calor funcione de forma confiável e eficiente durante toda a sua vida útil.
Global
A extrusão de alumínio é altamente escalável, tornando-a ideal para fabricantes que precisam produzir grandes quantidades de dissipadores de calor. O processo de extrusão pode ser facilmente ampliado ou reduzido para acomodar diferentes requisitos de produção sem impacto significativo nos custos ou prazos de entrega.
Dissipadores de calor usinados CNC | Dissipadores de calor de extrusão de alumínio | |
Precisão e exatidão | Alta precisão e exatidão com tolerâncias rígidas e geometrias complexas para desempenho térmico ideal. | Embora precisos, eles podem não atingir a complexidade que a usinagem CNC pode fornecer. |
Versatilidade do material | Pode trabalhar com uma ampla variedade de ligas de alumínio, permitindo a seleção ideal de material com base na condutividade térmica, resistência à corrosão e peso. | Normalmente limitado a ligas de alumínio específicas adequadas para o processo de extrusão. |
Velocidade de produção | Produção relativamente rápida, reduzindo os prazos de entrega. | O processo de produção muito eficiente é adequado para execuções de produção em larga escala. |
Customização | O elevado grau de personalização, permite soluções à medida. | Algum grau de flexibilidade de design, mas não tão alto quanto a usinagem CNC. Ideal para formas e tamanhos padrão. |
Consistência e Qualidade | Qualidade consistente, dependente da precisão da máquina CNC e do programa. | Qualidade consistente com propriedades de material uniformes, devido à natureza do processo de extrusão. |
Global | Escalável, mas o tempo de configuração e programação pode aumentar para diferentes projetos. | Altamente escalável, ideal para grandes volumes, com impacto mínimo no custo ou nos prazos de entrega ao alterar o volume de produção. |
Tanto a usinagem CNC quanto a extrusão de alumínio têm suas próprias vantagens e desvantagens quando se trata de eficiência de fabricação. A usinagem CNC pode produzir dissipadores de calor altamente complexos e personalizados, mas o processo pode ser mais demorado e caro, especialmente para grandes tiragens de produção. A extrusão de alumínio, por outro lado, é um método mais eficiente e econômico de produzir grandes quantidades de dissipadores de calor, embora o processo possa não ser adequado para projetos altamente complexos ou especializados.
Em última análise, a escolha entre usinagem CNC e extrusão de alumínio para a fabricação de dissipadores de calor dependerá de fatores como a complexidade do projeto, o volume de produção necessário e os requisitos específicos de gerenciamento térmico da aplicação.
Como escolher o dissipador de calor certo
Quando você se pergunta: “Que tipo de dissipador de calor devo comprar?” a resposta quase sempre depende de sua configuração específica e necessidades de resfriamento. O primeiro passo para entender como escolher um dissipador de calor é determinar alguns detalhes básicos sobre a aplicação pretendida.
As principais considerações para a seleção ideal do dissipador de calor incluem.
Que tipo de consumo de energia o componente em questão utilizará. Isso geralmente é chamado de TDP (Thermal Design Power ou Thermal Design Profile). O TDP é frequentemente usado como uma indicação básica do consumo de energia de um componente, especialmente CPU (processador) e GPU (placa de vídeo). especifica a quantidade máxima de calor em watts que um componente pode usar. Geralmente, esse é um bom indicador de quão quente um determinado componente tem potencial para ficar sob carga. Idealmente, quão frio o componente precisa permanecer para obter o desempenho ideal.
Quanto espaço está disponível para instalar um refrigerador, radiador ou radiador – eles vêm em uma variedade de tamanhos, desde pequenos radiadores modulares até instalações muito maiores. Qual tipo de design ou layout de radiador fornecerá o melhor desempenho térmico para a especificação do seu sistema.
Se você precisa de um radiador ativo ou passivo?
Quanto você está disposto a gastar em um cooler?
Conclusão
Em resumo, os dissipadores de calor desempenham um papel vital na gestão dos níveis de temperatura dos dispositivos eletrónicos, fornecendo uma solução eficiente e económica para a gestão térmica. Ao compreender os materiais, as considerações de projeto e os fatores de desempenho associados aos dissipadores de calor, você pode tomar decisões informadas para otimizar a solução de resfriamento para sua aplicação. Na AN PROTOTYPE, fornecemos dissipadores de calor de alta qualidade adaptados às suas necessidades, garantindo desempenho confiável e longevidade para seus sistemas eletrônicos.
