Un bref examen de la conception et de la fabrication des dissipateurs thermiques

Dernière mise à jour : 01/09 ;Temps de lecture : 6 min

Dissipateur de chaleur

Un dissipateur thermique est un dispositif thermodynamique qui élimine la chaleur des systèmes mécaniques, électriques et électroniques.Dans divers appareils et machines, il est essentiel de maintenir la plage de température dans une limite spécifique pour maintenir la fonctionnalité de cet appareil ou de cette machine.Ici, le rôle des dissipateurs thermiques entre en jeu.Par exemple, les lourdes machines de votre ordinateur portable dans différentes industries doivent dissiper sa chaleur.Pensez donc à quel point il est largement utilisé dans le monde de la technologie d'aujourd'hui.Les dissipateurs thermiques dissipent la chaleur en la transférant à un milieu régulé, tel que l'air ou un liquide, puis expulsé de l'appareil et du milieu de transfert.

Cet article passera brièvement en revuefonctionnement du dissipateur thermique, étapes de conception et approches de fabrication.

Fonctionnement du dissipateur de chaleur

La loi de Fourier sur les transferts de chaleur, qui stipule que la chaleur circule toujours d'une température élevée vers un milieu à basse température, constitue la base du fonctionnement d'un dissipateur thermique.Alors que les appareils produisent de la chaleur, qui est plus chaude que l'air ou le liquide environnant, ils transfèrent cette chaleur par conduction, convection ou parfois rayonnement à un contact plus froid.

Regardons l'organigramme ci-dessous pour une image claire du fonctionnement du dissipateur thermique ;

Organigramme pour le fonctionnement du dissipateur thermique

·   Dissipateurs thermiques passifs

Les dissipateurs de chaleur passifs transfèrent naturellement la chaleur absorbée à l'air ambiant sans convection forcée, comme un ventilateur ou une circulation d'eau autour d'eux.Ceux-ci sont généralement de grande taille et contiennent un réseau d'ailettes exposé à l'environnement extérieur.

·   Dissipateur de chaleur actif

Le dissipateur de chaleur actif se compose du ventilateur ou du ventilateur supplémentaire et du liquide mis en place pour évacuer la chaleur autrement que par l'approche naturelle.Cette configuration supplémentaire augmente le processus de dissipation thermique par le processus de convection forcée.Par exemple, lorsque le ventilateur fonctionne, il augmente la vitesse de l'air et transfère rapidement la chaleur du dissipateur thermique vers l'environnement ambiant.

Calcul de la résistance thermique

Lors de la conception d'un dissipateur thermique, le calcul de la résistance thermique totale (R_hs) joue un rôle essentiel dans la compréhension des performances et de l'efficacité potentielles. Voyons donc comment cela peut être calculé ;

R_hs= (T_j-T_a/P) – (R_th-jc)-R_I

P= Chaleur dissipée totale

T_I= Température maximale de jonction de l'appareil à 0C.

R_th-jc= Résistance thermique jonction-boîtier

T_a= Température de l'air ambiant à⁰C.

R_I= Résistance du matériau d'interface

R_je= (t/L x l x K_I)

t = épaisseur du matériau d'interface

K_I= Conductivité thermique du matériau d'interface

L = Longueur de la source de chaleur

W =Largeur de la source de chaleur

Conception du dissipateur thermique

Il y a plusieurs étapes dans la conception.Jetons un coup d'œil à chacun d'eux en bref.

1.          Sélection de matériel

La conductivité thermique est l'une des caractéristiques essentielles d'un matériau de dissipateur thermique, car elle permet la transmission rapide de la chaleur d'un composant chauffé de l'appareil vers le dissipateur et l'environnement.

Les deux principaux matériaux utilisés pour fabriquer les dissipateurs thermiques sont les alliages de cuivre et d'aluminium.En effet, ils possèdent d'excellentes qualités mécaniques telles que la résistance, la résistance à la corrosion, la durabilité et la conductivité thermique élevée.Cependant, bien qu'il soit assez cher, le diamant (2 000 W/m/k) peut être le matériau idéal pour les dissipateurs de chaleur dans les appareils électroniques de haute performance et de précision.

En plus des pièces électroniques, les batteries lithium-ion produisent une dissipation thermique nécessaire.Dans une telle situation, le cuivre ou l'aluminium peuvent ne pas être les matériaux optimaux pour le dissipateur thermique.

La solution de l'industrie automobile pour la gestion de la chaleur est un matériau en fibre de carbone à conductivité plus fabuleuse.

2.          Disposition des ailerons et flux d'air

Un autre facteur qui affecte les performances du dissipateur thermique est le fluide caloporteur, qui a un impact significatif sur le taux de dissipation thermique.Par conséquent, lors de la construction d'un dissipateur thermique, la forme, la taille et la disposition des ailettes sont des aspects importants à prendre en compte.L'utilisation de la technique d'optimisation paramétrique est la meilleure option pour trouver les valeurs de paramètre idéales pour correspondre aux restrictions énoncées et atteindre les objectifs de conception.

• Améliorez l'espace entre les ailettes pour améliorer le flux d'air et réduire la résistance thermique.

• Étant donné qu'une plus grande surface augmente le transfert de chaleur par conduction et convection, ce qui facilite la dissipation de la chaleur, envisagez d'augmenter l'épaisseur et la hauteur.

• Créez une couche limite thermique plus petite et la direction du flux d'air a été conçue à un angle idéal avec le dissipateur thermique pour augmenter l'efficacité des ailettes.

• Après avoir préparé la conception des ailettes avec la CAO, vous pouvez simuler le scénario de transfert de chaleur pour optimiser son efficacité.

3.          Fixation du dissipateur thermique

La façon dont l'évier est connecté à l'élément chauffant de l'appareil affecte également son bon fonctionnement.Choisissez la meilleure méthode de connexion qui maximise le taux de transmission de la chaleur à partir des options d'entretoises, de pinces à ressort plates, d'époxy et de ruban thermique.

4.          Interface thermique

Les défauts et la rugosité de surface du dissipateur thermique jouent un rôle dans l'augmentation de la résistance thermique en raison d'une diminution de la surface de contact thermique et de la pression d'interface.Pour surmonter ce problème, les matériaux d'interface thermique sont le meilleur choix.L'utilisation de polymères liquides, de cire, d'aluminium, de graphite et de bandes sur la surface du dissipateur thermique et de l'élément chauffant des appareils réduit la résistance thermique.

5.          Simulation

La simulation de la conception est importante pour voir virtuellement les performances du dissipateur thermique.La simulation informatique donne l'idée de l'amélioration et confirme la conception si elle est adaptée aux applications requises ou non.

Processus de fabrication du dissipateur thermique

Après avoir simulé thermiquement la conception des dissipateurs thermiques, il est maintenant tourné pour la production.Voyons en détail les différents processus de fabrication;

1.          Usinage CNC

Dissipateur de chaleur réalisé avec usinage CNC

Usinage CNCest la meilleure approche pour la fabrication de dissipateurs thermiques pour les formes complexes.Cette approche donne beaucoup de flexibilité aux concepteurs.Un bloc entier de métal est utilisé pour créer l'évier où les ailettes requises sont coupées avec les machines CNC et pliées à partir de la base du bloc.Cependant, il s'agit d'une méthode longue et coûteuse.

2.          Extrusion

L'un des processus les plus courants pour produire des dissipateurs de chaleur estextrusion, qui consiste à presser des billettes chaudes de matériau ductile dans une matrice en acier à haute résistance pour créer des ailettes en tôle.Ils sont utilisés pour la plupart des applications de refroidissement impliquant des dissipateurs thermiques en aluminium.Bien sûr, l'aluminium est le matériau le plus largement utilisé pour la production de dissipateurs thermiques.

Dissipateur de chaleur fabriqué avec Extrusion 

C'est une procédure peu coûteuse et simple.Les dissipateurs thermiques peuvent être utilisés dans une variété d'environnements d'exploitation.Cependant, en raison de la restriction de largeur d'extrusion maximale, il ne peut pas être utilisé avec des dissipateurs thermiques dotés de larges ailettes.

3.          Fonderie

Dissipateur de chaleur fabriqué avec Casting

Dans lefonderiede radiateur,aluminium, le cuivre ou le zinc sont les matériaux courants.Dans ce processus, les lingots de matériaux sélectionnés sont d'abord fondus et injectés dans la matrice du dissipateur thermique avec une certaine pression.Une fois que le matériau liquide injecté est solidifié dans la matrice, il est libéré et un usinage minimal supplémentaire est effectué pour éliminer toute imperfection de surface.Il est préférable d'obtenir des formes complexes avec un haut degré de précision.

4.          Forgeage à froid

Dissipateur de chaleur fabriqué avec forgeage à froid

Il s'agit d'une autre approche de fabrication de haute précision pour les dissipateurs thermiques adaptés à l'aluminium et à ses alliages.Bien qu'il soit également applicable pour le cuivre et le bronze.Le forgeage à froid utilise une pression extrême et déforme la forme du métal à température ambiante pour créer des broches rondes et elliptiques pour le dissipateur thermique.De plus, il est utilisé pour produire des ailettes à haute densité, ce qui améliorera le transfert de chaleur dans des conditions de flux d'air à grande vitesse.

5.          impression en 3D

Dissipateur thermique imprimé en 3D

Le développement de l'impression 3D comme méthode de production de dissipateurs thermiques résulte des progrès technologiques.Les technologies de fusion sur lit de poudre et de dépôt d'énergie dirigée sont les deux méthodes les plus populaires pour imprimer des dissipateurs thermiques.

6.          Estampillage

Dissipateur de chaleur réalisé par estampage à froid 

LeestampillageLa méthode est utilisée lorsqu'il est nécessaire de construire les caloducs à l'intérieur des ailettes.Ensuite, en pressant les bandes métalliques, les ailettes sont réalisées.Dans les cas où la technologie d'emboutissage à grande vitesse est utilisée, elle est particulièrement efficace pour la fabrication en série.Néanmoins, le prix est élevé.

Conclusion

Les dissipateurs thermiques sont essentiels dans les appareils mécaniques, électriques et électroniques.Dans cet article, j'ai passé en revue le processus de conception détaillé et la fabrication axée sur les appareils électroniques.La conception des dissipateurs thermiques influence fortement le taux de dissipation thermique, de sorte que chaque étape de conception est cruciale à suivre pour optimiser les performances.De plus, la simulation thermique après la conception aide à comprendre le scénario de travail pratique et à améliorer la conception.

Chez ProleanHub, nous avons des concepteurs avec plus d'une décennie d'expérience et des unités de fabrication avancées.Nous fournissons des services de conception et de fabrication de dissipateurs thermiques de premier ordre.De plus, nos ingénieurs en mécanique simulent la conception pour améliorer la fonctionnalité et les performances.Enfin, notre service de contrôle qualité surveille chaque étape de fabrication, vous n'avez donc pas à faire de compromis avec notre qualité de service, si vous avez besoin de fabrication de dissipateurs thermiques, il vous suffitContactez-nous.

FAQ

Comment puis-je améliorer l'efficacité des dissipateurs thermiques ?

L'efficacité peut être augmentée de plusieurs manières, notamment en diminuant la résistance à la chaleur, en optimisant la taille, la forme et la disposition des ailettes et en améliorant l'interface des ailettes.

Quel est le meilleur matériau pour les dissipateurs thermiques ?

Les meilleurs matériaux pour les dissipateurs thermiques sont les alliages de cuivre et d'aluminium.Encore une fois, cependant, le taux de transfert de chaleur dépend de la conception du dissipateur thermique.

Comment fonctionne le dissipateur thermique ?

Les dissipateurs thermiques sont fabriqués à partir de matériaux à haute conductivité thermique tels que le cuivre et l'aluminium avec des ailettes.Il se fixe aux composants chauffés et absorbe la chaleur.Ensuite, la chaleur absorbée se dissipe dans l'environnement ambiant par conduction, convection ou rayonnement.

Quelles sont les étapes de conception des dissipateurs thermiques ?

Voici les étapes;

1. Sélection de matériel
2. fixation de la forme, de la taille et de la disposition des ailettes
3. Fixation de l'accessoire (dissipateur de chaleur et composant de l'appareil)
4. Interfaçage thermique des ailettes
5. Simulation thermique de la conception CAO

Quelles sont les approches de fabrication courantes pour le dissipateur thermique ?

L'usinage CNC, le moulage, le forgeage, l'estampage et l'impression 3D sont des approches courantes.