Una breve reseña sobre el diseño y la fabricación de disipadores de calor
Última actualización: 09/01;Tiempo de lectura: 6 minutos
Disipador de calor
Un disipador de calor es un dispositivo termodinámico que elimina el calor de los sistemas mecánicos, eléctricos y electrónicos.En varios dispositivos y máquinas, es esencial mantener el rango de temperatura dentro de un límite específico para mantener la funcionalidad de ese dispositivo o máquina.Aquí entra en juego el papel de los disipadores de calor.Por ejemplo, la maquinaria pesada de su computadora portátil en diferentes industrias necesita disipar su calor.Así que piense cuán ampliamente se usa en el mundo actual de la tecnología.Los disipadores de calor disipan el calor transfiriéndolo a un medio regulado, como aire o líquido, y luego lo expulsan del aparato y del medio de transferencia.
Este artículo repasa brevemente losfuncionamiento del disipador de calor, pasos de diseño y enfoques de fabricación.
Funcionamiento del disipador de calor
La ley de Fourier de la transferencia de calor, que establece que el calor siempre fluye desde un medio de alta temperatura a uno de baja temperatura, proporciona la base para el funcionamiento de un disipador de calor.Si bien los dispositivos producen calor, que es más caliente que el aire o el líquido que los rodea, transfieren ese calor por conducción, convección u, ocasionalmente, radiación a un contacto más frío.
Miremos el diagrama de flujo a continuación para obtener una imagen clara del funcionamiento del disipador de calor;
Diagrama de flujo para el funcionamiento del disipador de calor
· Disipadores de calor pasivos
Los disipadores de calor pasivos transfieren naturalmente el calor absorbido al aire ambiente sin fuerza de convección, como un ventilador o circulación de agua a su alrededor.Por lo general, tienen una forma grande y contienen una matriz de aletas expuesta al ambiente exterior.
· Disipador de calor activo
El disipador de calor activo consiste en el ventilador o soplador adicional y el líquido configurado para eliminar el calor de forma distinta a la natural.Esta configuración adicional aumenta el proceso de disipación de calor por el proceso de convección forzada.Por ejemplo, cuando el ventilador funciona, aumenta la velocidad del aire y transfiere rápidamente el calor del disipador de calor al entorno ambiental.
Cálculo de la resistencia térmica
Durante el Diseño de un disipador de calor, el cálculo de la resistencia térmica total (Rhs) juega un papel vital en la comprensión del rendimiento y la eficiencia potenciales, así que veamos cómo se puede calcular;
Rhora= (Tj-Ta/P) – (Rth-jc)-RI
P= Calor total disipado
TI= Temperatura máxima de unión del dispositivo a 0C.
Rth-jc= Unión a la resistencia térmica de la caja
Ta= Temperatura del aire ambiente en0C.
RI= Resistencia del material de interfaz
RI= (t/L x W x KI)
t = espesor del material de interfaz
KI=Conductividad térmica del material de interfaz
L = Longitud de la fuente de calor
W = Ancho de la fuente de calor
Diseño del disipador de calor
Hay varios pasos en el diseño.Echemos un vistazo a cada uno de ellos en breve.
1. Selección de material
La conductividad térmica es una de las características esenciales de un material disipador de calor porque permite la rápida transmisión de calor desde un componente del dispositivo calentado al disipador y al medio ambiente.
Los dos materiales principales utilizados para fabricar disipadores de calor son las aleaciones de cobre y aluminio.Esto se debe a que tienen excelentes cualidades mecánicas como fuerza, resistencia a la corrosión, durabilidad y alta conductividad térmica.Sin embargo, aunque es bastante caro, el diamante (2.000 W/m/k) puede ser el material ideal para disipadores de calor en dispositivos electrónicos de alto rendimiento y precisión.
Además de las piezas electrónicas, las baterías de iones de litio producen una disipación de calor necesaria.En tal situación, el cobre o el aluminio pueden no ser los materiales óptimos para el disipador de calor.
La solución de la industria automotriz para la gestión del calor es un material de fibra de carbono de conductividad más fabulosa.
2. Arreglo de aletas y flujo de aire
Otro factor que afecta el rendimiento del disipador de calor es el medio refrigerante, que afecta significativamente la tasa de disipación de calor.Por lo tanto, al construir un disipador de calor, la forma, el tamaño y la disposición de las aletas son aspectos importantes a considerar.El uso de la técnica de optimización paramétrica es la mejor opción para encontrar los valores de los parámetros ideales para igualar las restricciones establecidas y lograr los objetivos de diseño.
- Mejore el espacio entre las aletas para mejorar el flujo de aire y reducir la resistencia térmica.
- Debido a que un área de superficie más grande aumenta la transferencia de calor por conducción y convección, ayudando en la disipación de calor, considere aumentar el grosor y la altura.
- Cree una capa límite térmica más pequeña y la dirección del flujo de aire se diseñó en un ángulo ideal con el disipador de calor para aumentar la eficiencia de las aletas.
- Después de preparar el diseño de las aletas con CAD, puede simular el escenario de transferencia de calor para optimizar su eficiencia.
3. Fijación del disipador de calor
La forma en que el fregadero está conectado al elemento calefactor del dispositivo también afecta su funcionamiento.Elija el mejor método de conexión que maximice la tasa de transmisión de calor de las opciones de espaciadores de separación, clips de resorte planos, epoxi y cinta térmica.
4. Interfaz térmica
Los defectos y la rugosidad de la superficie del disipador de calor desempeñan un papel en el aumento de la resistencia térmica debido a la disminución del área de contacto térmico y la presión de la interfaz.Para superar este problema, los materiales de interfaz térmica son la mejor opción.El uso de polímeros líquidos, cera, aluminio, grafito y cintas en la superficie del disipador de calor y el elemento calefactor de los dispositivos reduce la resistencia térmica.
5. Simulación
La simulación del diseño es importante para ver el rendimiento del disipador de calor virtualmente.La simulación por computadora da la idea de la mejora y confirma si el diseño es apto para las aplicaciones requeridas o no.
Proceso de fabricación de disipador de calor
Luego de simular térmicamente el Diseño de los disipadores de calor, ahora se pasa a producción.Veamos en detalle los distintos procesos de fabricación;
1. Mecanizado CNC
Disipador de calor fabricado con mecanizado CNC
Mecanizado CNCes el mejor enfoque para la fabricación de disipadores de calor para formas complejas.Este enfoque da mucha flexibilidad a los diseñadores.Se usa un bloque completo de metal para crear el fregadero donde las aletas requeridas se cortan con las máquinas CNC y se doblan desde la base del bloque.Sin embargo, es un método lento y de alto costo.
2. Extrusión
Uno de los procesos más comunes para producir disipadores de calor esextrusión, que consiste en presionar palanquillas calientes de material dúctil en un troquel de acero de alta resistencia para crear aletas de placa.Se utilizan para la mayoría de las aplicaciones de enfriamiento que involucran disipadores de calor de aluminio.Por supuesto, el aluminio es el material más utilizado para la producción de disipadores de calor.
Disipador de calor hecho con extrusión
Es un procedimiento económico y sencillo.Los disipadores de calor se pueden utilizar en una variedad de entornos operativos.Sin embargo, debido a la restricción del ancho máximo de extrusión, no se puede usar con disipadores de calor que tengan aletas anchas.
3. Fundición
Disipador de calor hecho con Casting
En elfundiciónde disipador de calor,aluminio, cobre o zinc son los materiales comunes.En este proceso, los lingotes de materiales seleccionados se funden primero y se inyectan en la matriz del disipador de calor con algo de presión.Después de que el material líquido inyectado se solidifica en la matriz, se libera y se realiza un mecanizado mínimo adicional para eliminar cualquier imperfección de la superficie.Lo mejor es obtener formas complejas con un alto grado de precisión.
4. Forja en frío
Disipador de calor fabricado con forja en frío
Es otro enfoque de fabricación de alta precisión para los disipadores de calor adecuados para el aluminio y sus aleaciones.Aunque, también es aplicable para cobre y bronce.La forja en frío utiliza una presión extrema y deforma la forma del metal a temperatura ambiente para crear pasadores redondos y elípticos para el disipador de calor.Además, se utiliza para producir aletas de alta densidad, lo que mejorará la transferencia de calor en condiciones de flujo de aire de alta velocidad.
5. Impresión 3d
Disipador de calor impreso en 3D
El desarrollo de la impresión 3D como método para producir disipadores de calor fue el resultado del progreso tecnológico.Las tecnologías de fusión de lecho de polvo y deposición de energía dirigida son los dos métodos más populares para imprimir disipadores de calor.
6. Estampado
Disipador de calor realizado con Estampación en frío
ElestampadoEl método se utiliza cuando es necesario construir los tubos de calor dentro de las aletas.Luego, presionando las tiras de metal, se producen las aletas.En los casos en que se utiliza tecnología de estampado de alta velocidad, es particularmente eficaz para la fabricación en masa.Sin embargo, el precio es alto.
Conclusión
Los disipadores de calor son esenciales en dispositivos mecánicos, eléctricos y electrónicos.En este artículo, he resumido el proceso de diseño detallado y la fabricación centrada en dispositivos electrónicos.El diseño de los disipadores de calor influye en gran medida en la tasa de disipación de calor, por lo que es crucial seguir cada paso de diseño para optimizar el rendimiento.Además, la simulación térmica después del diseño ayuda a comprender el escenario de trabajo práctico y mejorar el diseño.
Aquí en ProleanHub, contamos con diseñadores con más de una década de experiencia y unidades de fabricación avanzadas.Brindamos servicios de diseño y fabricación de disipadores de calor de primer nivel.Además, nuestros ingenieros mecánicos simulan el Diseño para mejorar la funcionalidad y el rendimiento.Finalmente, nuestro departamento de control de calidad monitorea cada paso de fabricación, por lo que no tiene que comprometerse con nuestra calidad de servicio, si necesita fabricación de disipadores de calor, soloContáctenos.
Preguntas frecuentes
¿Cómo puedo mejorar la eficiencia de los disipadores de calor?
La eficiencia se puede aumentar de varias maneras, incluida la disminución de la resistencia al calor, la optimización del tamaño, la forma y la disposición de las aletas, y la mejora de la interfaz de las aletas.
¿Cuál es el mejor material para los disipadores de calor?
Los mejores materiales para los disipadores de calor son las aleaciones de cobre y aluminio.Sin embargo, nuevamente, la tasa de transferencia de calor depende del diseño del disipador de calor.
¿Cómo funciona el disipador de calor?
Los disipadores de calor están hechos de materiales de alta conductividad térmica como el cobre y el aluminio con aletas.Se adhiere a los componentes calentados y absorbe el calor.Luego, el calor absorbido se disipa en el ambiente que lo rodea por conducción, convección o radiación.
¿Cuáles son los pasos de diseño para los disipadores de calor?
Aquí están los pasos;
- Selección de material
- fijación de la forma, el tamaño y la disposición de las aletas
- Fijación del accesorio (disipador de calor y componente del dispositivo)
- Interfaz térmica de aletas
- Simulación térmica de diseño CAD
¿Cuáles son los enfoques de fabricación comunes para el disipador de calor?
El mecanizado CNC, la fundición, la forja, el estampado y la impresión 3D son enfoques comunes.
Hora de publicación: 15-jul-2022