Tout système en fonctionnement, qu'il s'agisse de composants mécaniques ou d'appareils électriques, génère de la chaleur en raison de la friction ou de la résistance à laquelle il est confronté. Lorsque cette chaleur se concentre dans le système, elle peut provoquer des dommages. Pour contrer ce phénomène, un composant mécanique, appelé dissipateur thermique, y est fixé. Il échange la chaleur avec l'environnement environnant et aide le système à maintenir sa température.
Ce blog technique explore la conception et le fonctionnement des dissipateurs thermiques, les matériaux utilisés pour leur fabrication et la manière dont ils sont fabriqués dans l'industrie. Nous terminerons l'article en partageant quelques exemples connus d'applications dans lesquelles des dissipateurs thermiques sont utilisés.
Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique ?
Un dissipateur thermique est un accessoire mécanique fixé à une source de production de chaleur qui transfère passivement la chaleur à un fluide, tel que l'air ou un liquide de refroidissement.La source de génération de chaleur peut être des processeurs, des GPU, des transistors de puissance ou des moteurs, dont la surface exposée s'interface avec le dissipateur thermique, tandis que le fluide est l'air ambiant ou un liquide de refroidissement.
Un dissipateur thermique est constitué de métaux conducteurs thermiques qui captent la chaleur de l'appareil ou du système et l'échangent avec l'environnement environnant. Le principe sous-jacent est la grande surface exposée du dissipateur thermique, qui améliore le taux de transfert de chaleur.
Conception et fonctionnement d'un dissipateur thermique
Pour transférer efficacement la chaleur de la source de production de chaleur, un dissipateur thermique est conçu avec une surface plus grande pour maximiser le contact avec le fluide environnant. Cela est généralement réalisé grâce à une conception à ailettes, où des plaques minces, plates ou incurvées (ailettes) s'étendent à partir de la base du dissipateur thermique. Chaque aspect de cette conception est essentiel pour le transfert de chaleur.
Considérons un dissipateur thermique typique avec une longueur L, une largeur W et une hauteur H personnalisées. L'espacement des ailettes est appelé « t » et l'espacement entre les ailettes est appelé « s ».
Lorsqu'il est fixé à un système, le transfert s'effectue par convection, conduction et rayonnement (légèrement). Tout d'abord, la chaleur est transférée par conduction de la source génératrice de chaleur à la base du dissipateur thermique par contact direct. Une fois que la chaleur atteint les ailettes, elle est transférée à l'air ambiant ou au liquide de refroidissement par convection. Une partie de la chaleur est rayonnée vers l'environnement sous forme d'énergie infrarouge. Bien que cela contribue moins que la conduction et la convection, cela devient important dans les systèmes à haute température.
Le transfert de chaleur qui se produit par convection est très important pour refroidir le système. Ce transfert dépend principalement de la surface (des ailettes et de la surface). Voici comment la surface et la dissipation de chaleur sont liées :
Q=h⋅A⋅ΔT
Où? :
h : Coefficient de transfert de chaleur (dépend des propriétés du fluide et des conditions d'écoulement)
A : Surface effective (ailettes et base combinées)Δ𝑇 : Différence de température entre la surface du dissipateur thermique et le fluide environnant
Δ𝑇 : La différence de température entre la surface du dissipateur thermique et le fluide environnant
Étant donné que le transfert de chaleur se produit à partir de différentes sections transversales, il est préférable d'analyser le transfert de chaleur individuel, puis de le résumer. Voici quelques équations qui illustrent le transfert par convection :
De même, le transfert de rayonnement (bien que faible) peut être déterminé via ces équations :
Trouver le nombre et la largeur des nageoires
Le facteur clé de la conception est de déterminer le nombre d'ailettes nécessaires. En calculant le transfert de chaleur par convection et rayonnement, le nombre d'ailettes peut être déduit à l'aide de la loi de conservation de l'énergie, qui stipule que l'énergie générée par la source doit être égale à l'énergie dissipée par le dissipateur thermique. Cette relation nous donne :
Matériaux pour la fabrication de dissipateurs thermiques
Comme mentionné précédemment, un dissipateur thermique est conçu pour les métaux hautement conducteurs thermiquement, en particulier l'aluminium et le cuivre.
Aluminium
L'aluminium est un choix populaire pour les dissipateurs thermiques en raison de sa très faible densité et de son caractère économique. De plus, il présente une conductivité thermique supérieure à celle de la plupart des métaux.
Parmi alliages d'aluminiumL'aluminium 1050 a une conductivité thermique plus élevée d'environ 229 W/m·K, mais il est mécaniquement mou. Les alliages d'aluminium 6061 et 6063 sont moins conducteurs (conductivités thermiques d'environ 170-180 W/m·K) mais sont mécaniquement plus résistants.
Dans l’ensemble, les dissipateurs thermiques en aluminium sont généralement courants dans l’électronique grand public, l’éclairage LED et les composants automobiles où le poids est un facteur critique.
Copper
Le cuivre est environ 60 % plus conducteur que l'aluminium, avec une conductivité thermique d'environ 400 W/mK, ce qui en fait l'un des meilleurs conducteurs thermiques disponibles. Ses capacités supérieures de dissipation de chaleur sont essentielles dans les applications hautes performances telles que l'électronique de puissance, les centres de données, l'aérospatiale et les applications militaires.
Bien que le cuivre soit plus lourd et plus cher que l’aluminium, sa grande efficacité en matière de transfert de chaleur justifie son utilisation dans toutes les applications thermiquement critiques.
Zinc
Contrairement aux deux autres, le zinc n'a pas une conductivité thermique plus élevée, mais plutôt décente. Mais il est très fluide et peut être moulé sous pression dans n'importe quelle forme facilement. De plus, il a une résistance élevée aux chocs et fournit au système un blindage EMI et RFI - tout cela en fait un bon candidat pour la fabrication de dissipateurs thermiques.
Types de dissipateur de chaleur
Un dissipateur thermique est généralement constitué d'une base plate avec plusieurs ailettes dépassant de la surface. La disposition, la forme et l'orientation de ces ailettes varient en fonction de l'application. Vous trouverez ci-dessous quelques types courants en fonction de leurs géométries :
Dissipateurs thermiques à ailettes
Les dissipateurs thermiques à ailettes sont constitués de broches qui s'étendent hors de la surface de base, la plus grande surface étant destinée à la dissipation de la chaleur. Les broches peuvent être cylindriques, carrées, rectangulaires ou même effilées pour optimiser la dissipation de la chaleur en fonction des contraintes de conception. Elles sont particulièrement efficaces dans des conditions de faible débit d'air ou de mouvement d'air multidirectionnel.
Dissipateur thermique à ailettes plates/à plaques
Les dissipateurs thermiques plats ou à ailettes plates sont dotés de plaques rectangulaires qui s'étendent depuis la surface. Ces ailettes sont alignées dans une configuration parallèle, ce qui les rend très efficaces dans les scénarios où le flux d'air est unidirectionnel, comme les systèmes de refroidissement à air pulsé.
Chaleur des ailettes de flûte
Le dissipateur thermique à ailettes cannelées présente une géométrie unique dans laquelle les ailettes sont extrudées ou pliées en forme de cannelure qui crée des canaux creux/semi-fermés. Les dissipateurs thermiques à ailettes cannelées sont idéaux pour les applications nécessitant une efficacité de refroidissement élevée sous convection forcée, telles que l'électronique de puissance et les entraînements industriels.
Dissipateur thermique à ailettes circulaires
Le dissipateur thermique à ailettes circulaires est doté d'ailettes disposées radialement autour d'une base circulaire. Cette géométrie assure une dissipation thermique uniforme sur toute la circonférence et est particulièrement efficace pour gérer un flux d'air multidirectionnel. Une telle géométrie conviendrait mieux aux moteurs électriques et aux composants rotatifs tels que les ventilateurs ou les turbines.
Dissipateurs thermiques actifs et passifs
Les dissipateurs thermiques sont généralement considérés comme des dispositifs d'échange de chaleur passifs car ils dissipent la chaleur naturellement sans nécessiter d'apport externe. Cependant, dissipateurs de chaleur actifs utiliser des composants supplémentaires, tels que des ventilateurs ou des souffleurs, pour augmenter le taux de dissipation de la chaleur en augmentant le flux d'air sur les ailettes.
En comparaison, dissipateurs de chaleur passifs juste dépendent de la convection naturelle pour échanger de la chaleur avec le milieu environnant.
Comment sont fabriqués les dissipateurs thermiques : méthodes de fabrication
Les dissipateurs thermiques peuvent être fabriqués à l'aide de différentes techniques de découpe et de formage du métal. Les plus courantes sont le fraisage, l'extrusion, le découpage et le moulage sous pression.
Usinage CNC (fraisage)
Le fraisage est un procédé d'usinage soustractif qui découpe avec précision des fentes complexes entre les ailettes et permet de réaliser des formes et des conceptions géométriques complexes. Cette méthode est particulièrement adaptée à la production en faible volume ou aux dissipateurs thermiques personnalisés dont les géométries ne peuvent pas être obtenues par d'autres procédés de fabrication.
Extrusion
L'extrusion est l'une des méthodes de production les plus courantes dissipateurs de chaleur en aluminiumIl s'agit de forcer une billette d'aluminium chauffée à travers une matrice pour créer un profil continu présentant la forme transversale souhaitée. Ce procédé est efficace et économique pour la production en série, notamment avec des matériaux ductiles comme l'aluminium 1050.
Skiving
Le découpage est un procédé de découpage qui consiste à sculpter de fines ailettes à partir d'un seul bloc de métal, généralement du cuivre ou de l'aluminium. Cette technique est utilisée pour produire des dissipateurs thermiques à ailettes plates avec des ailettes plus fines et plus serrées, ce qui serait difficile à obtenir par usinage ou extrusion.
Coulée sous pression
Le moulage sous pression consiste à injecter du métal en fusion dans une cavité de moule sous haute pression pour former des formes complexes. Ce procédé est particulièrement adapté aux matériaux tels que les alliages de zinc et d'aluminium. Les dissipateurs thermiques moulés sous pression sont couramment utilisés dans la production à grande échelle en raison de leur faible coût unitaire.
Applications des dissipateurs de chaleur
Le dissipateur thermique fait partie de tous les composants mécaniques et électriques que nous utilisons au quotidien, des moteurs de voiture aux smartphones. Voici une liste d'appareils dans lesquels on trouve des dissipateurs thermiques :
- Electronique: Smartphones, tablettes, ordinateurs portables, consoles de jeux, décodeurs
- Ordinateurs et serveurs: CPU, GPU, blocs d'alimentation
- Systèmes d'éclairage à DEL: Ampoules LED, luminaires
- Télécommunications:Routeurs, commutateurs, amplificateurs
- Electronique automobile: Unités de contrôle moteur, phares à LED, systèmes d'infodivertissement
- Machinerie industrielle: Entraînements de moteurs, robotique, équipements de fabrication
- Electronique de puissance: Onduleurs, convertisseurs, alimentations
Choisissez Richconn pour la conception de dissipateurs thermiques personnalisés
Chaque système nouvellement conçu dépend d’un dissipateur thermique personnalisé qui échange parfaitement sa chaleur avec l’environnement environnant. Services de fraisage CNC permettre la conception de Dissipateurs thermiques personnalisés.
At RichConn, nous disposons d'une installation d'usinage dédiée équipée de fraiseuses jusqu'à 5 axes. Nos techniciens expérimentés peuvent usiner du cuivre et de l'aluminium avec des tolérances allant jusqu'à 0.002 mm.
Que vous ayez besoin d'une seule pièce ou d'un lot de produits, nous prenons en charge tous types de projets. Contactez-nous et obtenez votre dissipateur thermique personnalisé en quelques jours.
