Um dissipador de calor é um trocador de calor passivo que transfere o calor gerado por um dispositivo eletrônico ou mecânico para um meio fluido, geralmente ar ou líquido refrigerante, onde é dissipado para longe do dispositivo, permitindo assim a regulação da temperatura do dispositivo. Nos computadores, os dissipadores de calor são usados para resfriar CPUs, GPUs e alguns chipsets e módulos de RAM. Os dissipadores de calor são usados com outros dispositivos semicondutores de alta potência, como transistores de potência e optoeletrônicos, como lasers e diodos emissores de luz (LEDs), onde a capacidade de dissipação de calor do próprio componente é insuficiente para moderar sua temperatura.
Vantagens do dissipador de calor
Dissipação de calor eficiente
Uma das principais vantagens de um dissipador de calor é sua capacidade de dissipar com eficiência o calor gerado pelos componentes eletrônicos. Os dissipadores de calor geralmente são feitos de materiais com alta condutividade térmica, como alumínio ou cobre, que absorvem e transferem rapidamente o calor para longe do dispositivo. Isto evita que os componentes atinjam altas temperaturas que poderiam danificá-los.
Vida útil prolongada do dispositivo
Ao dissipar o calor de forma eficaz, os dissipadores de calor contribuem para prolongar a vida útil dos dispositivos eletrônicos. O calor excessivo pode causar falhas nos componentes e reduzir a confiabilidade geral do dispositivo. Os dissipadores de calor desempenham um papel crucial na manutenção das temperaturas operacionais ideais, garantindo a longevidade do dispositivo e evitando falhas prematuras.
Design compacto e leve
Os dissipadores de calor são projetados para serem compactos e leves, tornando-os adequados para vários dispositivos eletrônicos com espaço limitado. Seu formato pequeno permite fácil integração em dispositivos sem adicionar peso ou volume significativo. Esta vantagem é particularmente importante para dispositivos portáteis, como laptops e smartphones, onde as restrições de espaço e peso são críticas.
Versatilidade e compatibilidade
Os dissipadores de calor são versáteis e compatíveis com vários dispositivos e componentes eletrônicos. Eles podem ser customizados e projetados para se adequarem a dispositivos específicos, garantindo uma dissipação de calor eficiente em diferentes aplicações. Essa versatilidade permite que os dissipadores de calor sejam usados em uma ampla variedade de indústrias, incluindo automotiva, aeroespacial, telecomunicações e muito mais.
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Quais são os tipos de dissipadores de calor
Dissipadores de calor passivos
Os dissipadores de calor passivos dependem de convecção natural, o que significa que a capacidade do ar quente flutuar causa o fluxo de ar gerado através do dissipador de calor e não requerem energia secundária ou sistemas de controle para remover o calor. Mas os dissipadores de calor passivos não são tão eficazes na remoção de calor de um sistema quanto os dissipadores de calor ativos.
Dissipadores de calor ativos
Os dissipadores de calor ativos utilizam ar forçado--geralmente gerado por um ventilador, soprador ou até mesmo pelo movimento de todo o objeto--para aumentar o fluxo de fluido na área quente.
É como se o ventilador do seu computador pessoal ligasse depois que ele esquentasse. O ventilador força o ar através do dissipador de calor, o que permite que mais ar não aquecido se mova pela superfície do dissipador de calor. Isso aumenta o gradiente térmico total através do dissipador de calor, permitindo a saída de mais calor.
Dissipadores de calor híbridos
Os dissipadores de calor híbridos combinam características de dissipadores de calor passivos e ativos. Estas configurações são menos comuns, muitas vezes utilizando sistemas de controle para resfriar o sistema com base nos requisitos de temperatura.
Quando o sistema opera em níveis mais frios, a fonte de ar forçado fica inativa, resfriando o sistema apenas passivamente. Quando a fonte atinge temperaturas mais altas, o mecanismo de resfriamento ativo é acionado para aumentar a capacidade de resfriamento do dissipador.
Os principais componentes de um dissipador de calor
Base
A base do dissipador de calor é normalmente um bloco plano ou folha de material com excelente condutividade térmica. A base normalmente tem uma espessura transversal consistente, mas também pode ser projetada para ter um perfil transversal que otimiza a transferência de calor para a geometria específica da fonte de calor. A base normalmente é montada na fonte de calor com ferramentas de montagem e pasta térmica.
Barbatanas
As aletas salientes da base do dissipador de calor são responsáveis pela transferência de calor para o fluido circundante. Estas aletas são projetadas para otimizar a área de superfície que o dissipador de calor apresenta ao fluido. Quanto maior a área de superfície, mais rápida será a taxa de transferência de calor.
As aletas podem formar parte integrante da base ou podem ser fixadas separadamente utilizando diversas técnicas, por exemplo, através de um processo de compressão. A forma e a disposição das aletas podem melhorar drasticamente a taxa de transferência de calor.
Tubos de calor
Um tubo de calor é projetado para transferir calor ao longo de seu eixo. Os tubos de calor podem ser incorporados dentro de dissipadores de calor e espalhadores de calor padrão por meio de encaixe por pressão, soldagem e epóxi termicamente condutor para melhorar sua eficiência de transferência de calor. Eles funcionam transferindo calor por meio de um mecanismo de mudança de fase que faz com que o fluido vaporize na fonte de calor e, em seguida, viaje ao longo do eixo do tubo de calor até o ponto onde ele esfria e volta a ser líquido por meio de condensação.
Material de interface térmica
Materiais de interface térmica, ou pastas térmicas, são usados para melhorar significativamente a transferência de calor entre a fonte de calor e a base do dissipador de calor, preenchendo quaisquer vazios de ar entre a fonte de calor e o dissipador de calor. O ar é um mau condutor de calor, portanto, preencher as lacunas de ar com um material mais termicamente condutor aumenta a eficiência de resfriamento de um dissipador de calor. As pastas térmicas podem ser à base de metal, cerâmica ou silicone, sendo a pasta térmica à base de metal a mais eficaz.
Hardware de montagem
Os dissipadores de calor podem ser fixados com segurança às fontes de calor alvo usando vários métodos de montagem diferentes. Para dissipadores de calor menores, um adesivo com alta condutividade térmica é usado para colar diretamente o dissipador de calor em uma fonte de calor. Este método é normalmente usado em componentes de PCB menores. Para dissipadores de calor maiores, podem ser usados parafusos normais ou, alternativamente, pinos com mola para otimizar a pressão de contato entre a fonte de calor e o dissipador de calor.
Métodos de fabricação de dissipadores de calor
Esquiar:Isso envolve cortar o metal em fatias. É um método de fabricação comum para produzir aletas de placas para dissipadores de calor. Com este método, você pode criar nadadeiras mais finas e compactas.
Os dissipadores de calor apresentam algum nível de rugosidade superficial, aumentando assim a área superficial total.
Fundição:Isso envolve despejar metal fundido em um molde. Depois disso, deixe o metal fundido solidificar antes de removê-lo do molde. Os dissipadores de calor fundidos sob pressão têm um alto nível de complexidade. Eles também têm boas propriedades mecânicas.
Extrusão:É um método rápido, eficiente e econômico de fabricar dissipadores de calor. Envolve forçar tarugos de metal quente, usando uma matriz de aço. Este é o método mais comum de fabricação de dissipadores de calor de alumínio. Os dissipadores de calor de alumínio extrudado geralmente são anodizados antes do uso.
Forjamento a frio:Este método é usado para fabricar material a uma temperatura inferior à temperatura de recristalização do material.
Dado que o alumínio tem resistência mínima à deformação e alta plasticidade, este método é adequado para a produção de dissipadores de calor de alumínio.
O forjamento a frio é usado para fabricar dissipadores de calor altamente precisos. Você pode usá-lo para produzir dissipadores de calor de pinos redondos e elípticos. Além disso, os dissipadores de calor forjados possuem excelente integridade microestrutural.
Estampagem:Isto envolve perfurar um molde de alumínio que se move sob uma prensa pneumática com algumas ferramentas dedicadas. Este método é adequado para produções em grande escala. Também produz peças com dimensões relativamente pequenas.
Como funciona um dissipador de calor
A partir da definição de dissipador ou dissipador de calor, podemos tentar entender que essa simples transferência de calor da fonte para dissipador acontece em quatro etapas básicas em qualquer tipo de dissipador.
O calor é produzido pela fonte
Qualquer sistema que gere calor e necessite de sua remoção para funcionar corretamente pode servir como fonte.
Isso inclui diversos processos e máquinas utilizadas em indústrias, eletrônica, laboratórios químicos, painéis solares e até resistência elétrica em dispositivos condutores.
O calor irradia da origem
As aplicações que estão em contato direto com o dissipador de calor utilizam condução natural para transferir calor da fonte para o dissipador de calor.
Este processo é imediatamente impactado pela condutividade térmica do material do dissipador de calor.
Os materiais mais utilizados na construção de pias são aqueles com alta condutividade térmica, como cobre e alumínio.
A superfície da pia é aquecida
À medida que o calor se move através do gradiente térmico de uma região de alta temperatura para uma região de baixa temperatura, ele naturalmente conduzirá o calor da fonte através do sumidouro.
Como resultado, os sumidouros frequentemente ficam mais quentes perto da fonte e mais frios mais longe.
A energia térmica sai da pia
Este procedimento depende do gradiente de temperatura do dissipador de calor e do fluido de trabalho, que normalmente é ar ou líquido que não é eletricamente condutor.
A convecção térmica e a difusão térmica são usadas pelo fluido de trabalho à medida que ele se move sobre a superfície do dissipador quente para transferir calor da superfície para o ar circundante.
As aplicações dos dissipadores de calor
Processadores de computador
Os processadores de computador (CPUs) produzem uma grande quantidade de calor residual durante a operação. Eles geralmente empregam dissipadores de calor de cobre com ventilador de resfriamento ativo. CPUs legais podem operar com mais eficiência.
Iluminação LED
As luzes LED não produzem calor da mesma forma que uma lâmpada incandescente. No entanto, a eletrônica usada para fazer um LED funcionar produz muito calor residual que deve ser transferido. LEDs pequenos geralmente usam dissipadores de calor passivos.
Eletrônica de Potência
As fontes de alimentação convertem energia CA em energia CC para produtos eletrônicos de consumo. Este processo de conversão é ineficiente e produz algum calor residual que pode reduzir a vida útil da unidade de fonte de alimentação. Os dissipadores de calor em eletrônicos de potência às vezes empregam resfriamento híbrido e utilizam dissipadores de calor de alumínio para reduzir custos.
Indústria Automotiva
Além dos dissipadores de calor usados nos circuitos de controle dos veículos, os dissipadores de calor também são usados para manter os motores elétricos resfriados durante a operação, bem como para resfriar os carregadores de bordo dos veículos elétricos.
Indústria aeroespacial
Dissipadores de calor podem ser encontrados em circuitos de controle usados em aplicações aeroespaciais. Eles também são usados em naves espaciais para transferir calor para o vácuo do espaço. No entanto, estes dissipadores de calor transferem calor puramente através da radiação, uma vez que não existe fluido de transferência de calor no espaço.
Eletrônicos de consumo
Os produtos eletrônicos de consumo fazem uso extensivo de dissipadores de calor para manter os dispositivos resfriados e operando com eficiência. Exemplos típicos incluem dissipadores de calor em computadores e telefones celulares.
Como escolher o dissipador de calor certo
Lei de Condução de Calor de Fourier
Em um nível fundamental, a ideia de um dissipador de calor é bastante simples: ao anexar um dissipador de calor a um componente que gera uma grande quantidade de energia térmica, você aumenta efetivamente a área de superfície desse componente. Esse componente, que está a uma temperatura mais elevada, transferirá então energia térmica para o seu ambiente de temperatura mais baixa.
Projeto de dissipador de calor
O material mais comum usado em dissipadores de calor é o alumínio. Isso ocorre porque o alumínio oferece boas propriedades de condutividade térmica. Além disso, o tipo mais comum de dissipador de calor de alumínio é a fabricação por extrusão --, um processo que força o alumínio a fluir através de uma matriz moldada. Este é normalmente um processo de fabricação de baixo custo e oferece qualidades de desempenho adequadas para a maioria das aplicações. Mas é importante notar que o método de extrusão para fabricar dissipadores de calor tem seus limites, principalmente no que diz respeito ao tamanho. Isto se deve principalmente ao fato de haver limites na largura de extrusão. Quando são necessários grandes dissipadores de calor, por exemplo, para as turbinas de uma usina de energia, eles são normalmente fabricados por meio de ligação (múltiplos componentes sendo construídos peça por peça e conectados entre si).
Dissipador de calor de cobre
Outro material popular para dissipadores de calor é o cobre. O cobre possui excelentes capacidades de condutividade térmica (cerca de 400 W/m·K para o cobre puro, que é cerca de duas vezes maior do que o alumínio). Também é resistente à corrosão. Por outro lado, é muito mais denso que o alumínio e, portanto, mais pesado, o que o torna uma má escolha para aplicações sensíveis ao peso. Também é muito mais caro que o alumínio.
Resistência térmica do dissipador de calor
A escolha de um material para seu dissipador de calor depende muito de um fator -- resistência térmica. A resistência térmica é a capacidade do calor fluir do seu componente para o ambiente. Você precisa considerar a resistência em todo o projeto. Por exemplo, a resistência do componente à sua embalagem, da embalagem ao material adesivo, do material adesivo ao dissipador de calor e do dissipador de calor ao ar. Quando todos esses números são somados, você terá uma resistência térmica geral e ajudará você a entender qual material você deve escolher e qual deve ser o tamanho do seu dissipador de calor. Você pode diminuir a resistência térmica de várias maneiras -- alterando materiais, aumentando ou alterando o design das aletas, usando pasta térmica projetada para transferência de calor em vez de algo como fita dupla-face, etc.
Dissipador de calor ativo vs. dissipador de calor passivo
Outra consideração de design é se você deseja usar um dissipador de calor ativo ou passivo. Um dissipador de calor passivo depende simplesmente da dissipação de calor radiante e de qualquer movimento natural do ar para remover a energia térmica. Um dissipador de calor ativo emprega um componente adicional --, como um ventilador ou uma bomba --, para remover ativamente a energia térmica e deslocá-la. Não é novidade que os dissipadores de calor ativos serão mais eficazes do que os dissipadores de calor passivos com características físicas semelhantes.
Como fazer a manutenção dos dissipadores de calor para prolongar sua vida útil
Em primeiro lugar, é necessário prestar atenção ao uso do dissipador de calor e ao ambiente de armazenamento. Se você não for usar um dissipador de calor por um bom tempo, ele deve ser guardado com segurança. Ao escolher o local de armazenamento, precisamos estar atentos a eventuais materiais corrosivos, como ácidos ou alcalinos. Esses materiais podem causar corrosão em maior extensão no dissipador de calor e devemos evitar esse tipo de exposição ao máximo.
Em segundo lugar, é necessário garantir a limpeza do dissipador de calor. Depois de usar um dissipador de calor por um bom tempo, pode haver uma grande quantidade de poeira e sujeira entre as aletas. Se você não limpá-lo em tempo hábil, a poeira se acumulará e será inevitável afetar o desempenho geral de resfriamento deste dissipador de calor. Esta pode ser uma ameaça que não pode ser ignorada para os dispositivos que necessitam de refrigeração. Portanto, é necessário realizar regularmente uma limpeza abrangente do dissipador de calor.
Além disso, ao realizar tratamentos anticorrosivos relevantes, também é necessário considerar uma pluralidade de questões relacionadas. Por exemplo, se não seguirmos a norma regulamentada para realizar a seleção dos anticongelantes e do revestimento da superfície, poderemos corroer o dissipador de calor e não poder mais ser utilizado.
Perguntas frequentes
P: Qual é a finalidade de um dissipador de calor?
P: O que é um dissipador de calor na ciência da computação?
P: Por que você não deve remover o dissipador de calor?
P: É usado um dissipador de calor para resfriamento?
P: Qual é o melhor ventilador ou dissipador de calor?
P: Qual é o melhor formato para um dissipador de calor?
P: Quais são os critérios para o projeto do dissipador de calor?
P: Qual é o processo de extrusão do dissipador de calor?
P: Qual é a graxa no dissipador de calor?
P: Como manter um dissipador de calor?
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