Todo sistema de trabalho – sejam componentes mecânicos ou dispositivos elétricos – gera calor devido ao atrito ou resistência enfrentada. Quando esse calor se concentra dentro do sistema, ele pode causar danos. Para combater isso, um componente mecânico, chamado dissipador de calor, é conectado a ele. Ele troca o calor com o ambiente ao redor e ajuda o sistema a manter sua temperatura.
Este blog técnico explora o design e o funcionamento de dissipadores de calor, quais materiais são usados para fazê-los e como eles são feitos na indústria. Encerraremos o artigo compartilhando alguns exemplos conhecidos de aplicações em que dissipadores de calor são usados.
O que é um dissipador de calor?
Um dissipador de calor é um dispositivo mecânico fixado a uma fonte geradora de calor que transfere calor passivamente para um fluido, como o ar ou um líquido refrigerante . A fonte geradora de calor pode ser uma CPU, GPU, transistor de potência ou motor, cuja superfície exposta interage com o dissipador de calor, enquanto o fluido é o ar circundante ou um líquido refrigerante.
Um dissipador de calor é feito de metais termicamente condutores que retiram calor do dispositivo ou sistema e o trocam com o ambiente ao redor. O princípio por trás disso é a grande área de superfície exposta do dissipador de calor, que aumenta a taxa de transferência de calor.
Projeto e funcionamento de um dissipador de calor
Para transferir calor de forma eficiente para longe da fonte geradora de calor, um dissipador de calor é projetado com uma área de superfície maior para maximizar o contato com o fluido ao redor. Isso é comumente obtido por meio de um design com aletas, onde placas finas, planas ou curvas (aletas) se estendem da base do dissipador de calor. Cada aspecto desse design é crítico para a transferência de calor.
Vamos considerar um dissipador de calor típico com comprimento L, largura W e altura H personalizados. O espaçamento das aletas é chamado de 't' e o espaçamento entre as aletas é 's'.
Quando conectado a um sistema, a transferência ocorre por convecção, condução e radiação (ligeiramente). Primeiramente, o calor é transferido por condução da fonte geradora de calor para a base do dissipador de calor por contato direto. Uma vez que o calor atinge as aletas, ele é transferido para o ar ou refrigerante ao redor por convecção. Uma proporção do calor é irradiada para o entorno na forma de energia infravermelha. Embora isso contribua menos do que a condução e a convecção, torna-se significativo em sistemas de alta temperatura.
A transferência de calor que ocorre por convecção é muito importante no resfriamento do sistema. Essa transferência depende principalmente da área de superfície (de aletas e área). Veja como a área e a dissipação de calor estão relacionadas:
Q=h⋅A⋅ΔT
Onde:
h: Coeficiente de transferência de calor (depende das propriedades do fluido e das condições de fluxo)
A: Área de superfície efetiva (aletas e base combinadas)Δ𝑇: A diferença de temperatura entre a superfície do dissipador de calor e o fluido circundante
Δ𝑇: A diferença de temperatura entre a superfície do dissipador de calor e o fluido circundante
Como a transferência de calor ocorre a partir de várias seções transversais, é melhor analisar a transferência de calor individual e então somá-la. Aqui estão algumas equações que mostram a transferência de convecção:
Da mesma forma, a transferência de radiação (embora pequena) pode ser determinada por meio destas equações:
Encontrando o número e a largura das barbatanas
A principal consideração do projeto é determinar o número de aletas necessárias. Ao calcular a transferência de calor por convecção e radiação, o número de aletas pode ser derivado usando a lei da conservação de energia, que afirma que a energia gerada pela fonte deve ser igual à energia dissipada pelo dissipador de calor. Essa relação nos dá:
Materiais para fazer dissipadores de calor
Como mencionado anteriormente, um dissipador de calor é construído para metais altamente condutores de calor, particularmente alumínio e cobre.
Alumínio:
O alumínio é uma escolha popular para dissipadores de calor devido à sua densidade muito baixa e natureza econômica. Além disso, ele tem uma condutividade térmica maior do que a maioria dos metais.
Dentre as ligas de alumínio , o alumínio 1050 possui uma condutividade térmica mais alta, de aproximadamente 229 W/m·K, porém é mecanicamente macio. As ligas de alumínio 6061 e 6063 são menos condutivas (condutividades térmicas em torno de 170-180 W/m·K), mas são mecanicamente mais resistentes.
No geral, dissipadores de calor de alumínio são geralmente comuns em eletrônicos de consumo, iluminação LED e componentes automotivos onde o peso é um fator crítico.
Cobre
O cobre é cerca de 60% mais condutivo que o alumínio, com uma condutividade térmica de aproximadamente 400 W/mK, tornando-o um dos melhores condutores térmicos disponíveis. Suas capacidades superiores de dissipação de calor são críticas em aplicações de alto desempenho, como eletrônica de potência, data centers, aeroespacial e aplicações militares.
Embora o cobre seja mais pesado e mais caro que o alumínio, sua alta eficiência na transferência de calor justifica seu uso em todas as aplicações termicamente críticas.
zinco
Diferentemente dos outros dois, o zinco não tem condutividade térmica mais alta, mas sim uma decente. Mas é muito fluido e pode ser fundido em qualquer formato facilmente. Além disso, tem alta resistência a impactos e fornece ao sistema blindagem EMI e RFI – tudo isso o torna um bom candidato para fazer dissipadores de calor.
Tipos de dissipador de calor
Um dissipador de calor geralmente apresenta uma base simples com múltiplas aletas projetando-se da superfície. O arranjo, formato e orientação dessas aletas variam dependendo da aplicação. Abaixo estão alguns tipos comuns com base em suas geometrias:
Dissipadores de calor Pin Fin
Os dissipadores de calor com aletas de pinos consistem em pinos que se estendem para fora da superfície da base, com a maior área de superfície para dissipação de calor. Os pinos podem ser cilíndricos, quadrados, retangulares ou até mesmo cônicos para otimizar a dissipação de calor com base nas restrições de design. Eles são particularmente eficazes em condições com baixo fluxo de ar ou movimento de ar multidirecional.
Dissipador de calor de aleta plana/placa
Dissipadores de calor planos ou de aletas de placa apresentam placas retangulares que se estendem da superfície. Essas aletas são alinhadas em uma configuração paralela, tornando-as altamente eficientes em cenários onde o fluxo de ar é unidirecional, como sistemas de resfriamento de ar forçado.
Calor de aleta de flauta
O dissipador de calor de aleta de flauta apresenta uma geometria única onde as aletas são extrudadas ou dobradas em um formato de flauta que cria canais ocos/semi-fechados. Os dissipadores de calor de aleta de flauta são ideais para aplicações que exigem alta eficiência de resfriamento sob convecção forçada, como eletrônica de potência e acionamentos industriais.
Dissipador de calor de aleta circular
O dissipador de calor de aleta circular tem aletas dispostas radialmente em torno de uma base circular. Essa geometria garante dissipação uniforme de calor por toda a circunferência e é particularmente eficaz no manuseio de fluxo de ar multidirecional. Essa geometria funcionaria melhor para motores elétricos e componentes rotacionais, como ventiladores ou turbinas.
Dissipadores de calor ativos e passivos
Os dissipadores de calor são geralmente chamados de dispositivos passivos de troca de calor, pois dissipam o calor naturalmente sem a necessidade de entrada externa. Já os dissipadores de calor ativos utilizam componentes adicionais, como ventiladores ou sopradores, para aumentar a taxa de dissipação de calor, incrementando o fluxo de ar sobre as aletas.
Em comparação, os dissipadores de calor passivos dependem apenas da convecção natural para trocar calor com o ambiente circundante.
Como os dissipadores de calor são feitos: métodos de fabricação
Dissipadores de calor podem ser feitos por meio de diferentes técnicas de corte e conformação de metal. As mais comuns são fresagem, extrusão, desbaste e fundição sob pressão.
Usinagem CNC (Fresagem)
Fresamento é um processo de usinagem subtrativa que corta precisamente ranhuras intrincadas entre aletas e permite formas e designs geométricos complexos. Este método é particularmente adequado para produção de baixo volume ou dissipadores de calor personalizados com geometrias que não podem ser alcançadas por meio de outros processos de fabricação.
Extrusão
A extrusão é um dos métodos mais comuns para a produção de dissipadores de calor de alumínio . Consiste em forçar um tarugo de alumínio aquecido através de uma matriz para criar um perfil contínuo com a forma da seção transversal desejada. Este processo é eficiente e econômico para a produção em massa, especialmente quando se utilizam materiais dúcteis como o alumínio 1050.
Esquiar
Skiving é um processo de fatiamento que esculpe aletas finas de um único bloco de metal, tipicamente cobre ou alumínio. Essa técnica é usada para produzir dissipadores de calor de aletas de placa com aletas mais finas e compactas, o que seria desafiador de se obter por meio de usinagem ou extrusão.
Fundição
Fundição sob pressão é a injeção de metal fundido em uma cavidade de molde sob alta pressão para formar formas complexas. Esse processo é mais adequado para materiais como zinco e ligas de alumínio. Dissipadores de calor fundidos sob pressão são comumente usados em produção de alto volume devido ao baixo custo por unidade.
Aplicações de dissipadores de calor
O dissipador de calor é parte de todos os componentes mecânicos e elétricos que usamos em nossas vidas diárias – de motores de carros a smartphones. Aqui está uma lista de dispositivos onde os dissipadores de calor são encontrados:
- Eletrônicos de Consumo:: Smartphones, tablets, laptops, consoles de jogos, decodificadores
- Computadores e Servidores: CPUs, GPUs, unidades de fonte de alimentação
- Sistemas de Iluminação LED: Lâmpadas LED, luminárias
- Telecomunicações: Roteadores, switches, amplificadores
- Eletrônica automotiva: Unidades de controle do motor, faróis de LED, sistemas de infoentretenimento
- Maquinaria industrial: Acionamentos de motores, robótica, equipamentos de fabricação
- Eletrônica de Potência: Inversores, conversores, fontes de alimentação
Escolha Richconn para design de dissipador de calor personalizado
Todo sistema recém-projetado depende de um dissipador de calor personalizado que troque calor perfeitamente com o ambiente circundante. Os serviços de fresagem CNC permitem o projeto de dissipadores de calor personalizados.
At RichConn, temos uma instalação de fresagem dedicada equipada com máquinas de fresagem de até 5 eixos. Nossos técnicos experientes podem usinar cobre e alumínio com tolerâncias de até 0.002 mm.
Não importa se você precisa de uma peça ou de um lote de produtos, nós assumimos todos os tipos de projetos. Entre em contato conosco e receba seu dissipador de calor personalizado em dias.
