Unha breve revisión sobre o deseño e fabricación de disipadores de calor

Última actualización:09/01;Tempo de lectura: 6 min

Disipador de calor

Un disipador de calor é un dispositivo termodinámico que elimina a calor dos sistemas mecánicos, eléctricos e electrónicos.En varios dispositivos e máquinas, é esencial manter o rango de temperatura dentro dun límite específico para manter a funcionalidade dese dispositivo ou máquina.Aquí entra en xogo o papel dos disipadores de calor.Por exemplo, a robusta maquinaria do teu portátil en diferentes industrias necesita disipar a súa calor.Entón, pense no que se usa no mundo actual da tecnoloxía.Os disipadores de calor disipan a calor traspasándoa a un medio regulado, como aire ou líquido, para despois expulsarse do aparello e do medio de transferencia.

Este artigo repasará brevemente ofuncionamento do disipador de calor, pasos de deseño e enfoques de fabricación.

Funcionamento do disipador de calor

A lei de Fourier das transferencias de calor, que establece que a calor sempre flúe desde un medio de alta temperatura a un medio de baixa temperatura, proporciona a base para o funcionamento dun disipador de calor.Mentres os dispositivos producen calor, que é máis quente que o aire ou o líquido circundante, transfiren esa calor por condución, convección ou ocasionalmente radiación a un contacto máis frío.

Vexamos o diagrama de fluxo a continuación para ver unha imaxe clara do funcionamento do disipador de calor;

Diagrama de fluxo para o funcionamento do disipador de calor

·   Disipadores de calor pasivos

Os disipadores de calor pasivos transfiren naturalmente a calor absorbida ao aire ambiente sen forza de convección, como un ventilador ou circulación de auga ao seu redor.Estes adoitan ter forma grande e conteñen unha matriz de aletas exposta ao ambiente exterior.

·   Disipador de calor activo

O disipador de calor activo consiste nun ventilador ou soplador adicional e un líquido configurado para eliminar a calor que non sexa o enfoque natural.Esta configuración adicional aumenta o proceso de disipación de calor polo proceso de convección forzada.Por exemplo, cando o ventilador funciona, aumenta a velocidade do aire e transfire rapidamente a calor do disipador de calor ao ambiente circundante.

Cálculo da resistencia térmica

Durante o deseño dun disipador de calor, o cálculo da resistencia térmica total (R_hs) xoga un papel vital na comprensión do rendemento e da eficiencia potencial, así que vexamos como se pode calcular;

R_hs= (T_j-T_a/P) – (R_th-jc) - R_I

P= Calor total disipado

T_I= Temperatura máxima de unión do dispositivo a 0C.

R_th-jc= Resistencia térmica de unión a carcasa

T_a= Temperatura do aire ambiente en⁰C.

R_I= Resistencia do material da interface

R_eu= (t/L x W x K_I)

t = espesor do material da interface

K_I=Condutividade térmica do material da interface

L = Lonxitude da fonte de calor

W = Ancho da fonte de calor

Deseño do disipador de calor

Hai varios pasos no deseño.Vexamos brevemente cada un deles.

1.          Selección do material

A condutividade térmica é unha das características esenciais dun material disipador de calor porque permite a rápida transmisión da calor desde un compoñente do dispositivo quentado ata o pía e o medio ambiente.

Os dous materiais primarios utilizados para facer disipadores de calor son o cobre e as aliaxes de aluminio.Isto débese a que teñen excelentes calidades mecánicas como resistencia, resistencia á corrosión, durabilidade e alta condutividade térmica.Non obstante, aínda que é bastante caro, o diamante (2.000 W/m/k) pode ser o material ideal para disipadores de calor en dispositivos electrónicos de alto rendemento e precisión.

Ademais das pezas electrónicas, as baterías de iones de litio producen disipación de calor é necesaria.En tal situación, o cobre ou o aluminio poden non ser os materiais óptimos para o disipador de calor.

A solución da industria do automóbil para a xestión da calor é un material de fibra de carbono de condutividade máis fabulosa.

2.          Disposición das aletas e fluxo de aire

Outro factor que afecta o rendemento do disipador de calor é o medio de refrixeración, que incide significativamente na taxa de disipación de calor.Polo tanto, ao construír un disipador de calor, a forma, o tamaño e a disposición das aletas son aspectos importantes a ter en conta.Usar a técnica de optimización paramétrica é a mellor opción para atopar os valores dos parámetros ideais para coincidir coas restricións indicadas e acadar os obxectivos de deseño.

• Mellora o espazo entre as aletas para mellorar o fluxo de aire e reducir a resistencia térmica.

• Debido a que unha superficie maior aumenta a transferencia de calor por condución e convección, axudando á disipación da calor, considere aumentar o grosor e a altura.

• Crea unha capa límite térmica máis pequena e a dirección do fluxo de aire deseñouse nun ángulo ideal co disipador de calor para aumentar a eficiencia das aletas.

• Despois de preparar o deseño das aletas con CAD, pode simular o escenario de transferencia de calor para optimizar a súa eficiencia.

3.          Montaxe do disipador de calor

A forma en que a pía está conectada ao elemento de calefacción do dispositivo tamén afecta o seu funcionamento.Escolla o mellor método de conexión que maximice a velocidade de transmisión de calor a partir dos separadores separadores, clips de resorte planos, epoxi e opcións de cinta térmica.

4.          Interfaz térmica

Os defectos e a rugosidade da superficie do disipador de calor xogan un papel no aumento da resistencia térmica debido á diminución da área de contacto térmico e da presión da interface.Para superar este problema, os materiais de interface térmica son a mellor opción.O uso de polímeros líquidos, cera, aluminio, grafito e cintas na superficie do disipador de calor e do elemento de calefacción dos dispositivos reduce a resistencia térmica.

5.          Simulación

A simulación do deseño é importante para ver virtualmente o rendemento do disipador de calor.Computer Simulation dá a idea da mellora e confirma o deseño se é apto para as aplicacións requiridas ou non.

Proceso de fabricación de disipadores de calor

Despois de simular térmicamente o deseño dos disipadores de calor, agora pasou á produción.Vexamos os distintos procesos de fabricación en detalle;

1.          Mecanizado CNC

Disipador de calor feito con mecanizado CNC

Mecanizado CNCé o mellor enfoque para a fabricación de disipadores de calor para formas complexas.Este enfoque dá moita flexibilidade aos deseñadores.Utilízase un bloque enteiro de metal para crear a pía onde se cortan as aletas necesarias coas máquinas CNC e se dobran desde a base do bloque.Non obstante, é un método lento e de alto custo.

2.          Extrusión

Un dos procesos máis comúns para producir disipadores de calor éextrusión, que consiste en presionar tochos quentes de material dúctil nunha matriz de aceiro de alta resistencia para crear aletas de placa.Utilízanse para a maioría das aplicacións de refrixeración que inclúen disipadores de calor de aluminio.Por suposto, o aluminio é o material máis utilizado para a produción de disipadores de calor.

Disipador de calor feito con extrusión 

É un procedemento sinxelo e barato.Os disipadores de calor poden usarse nunha variedade de ambientes operativos.Non obstante, debido á limitación do ancho máximo de extrusión, non se pode usar con disipadores de calor que teñan aletas anchas.

3.          Fundición

Disipador de calor feito con Casting

Nofundiciónde disipador de calor,aluminio, cobre ou cinc son os materiais comúns.Neste proceso, os lingotes dos materiais seleccionados fúndense primeiro e inxéctanse na matriz do disipador de calor con certa presión.Despois de que o material líquido inxectado se solidifique na matriz, lánzase e realízase un mecanizado mínimo adicional para eliminar calquera imperfección da superficie.É mellor obter formas complexas cun alto grao de precisión.

4.          Forxa en frío

Disipador de calor feito con forxa en frío

É outro enfoque de fabricación de alta precisión para os disipadores de calor axeitados para o aluminio e as súas aliaxes.Aínda que, tamén é aplicable para cobre e bronce.A forxa en frío utiliza unha presión extrema e deforma a forma do metal a temperatura ambiente para crear pasadores redondos e elípticos para o disipador de calor.Ademais, úsase para producir aletas con alta densidade, o que mellorará a transferencia de calor en condicións de fluxo de aire de alta velocidade.

5.          Impresión 3D

Disipador de calor impreso en 3D

O desenvolvemento da impresión 3D como método para producir disipadores de calor foi o resultado do progreso tecnolóxico.A fusión en leito de po e as tecnoloxías de deposición de enerxía dirixida son os dous métodos máis populares na impresión de disipadores de calor.

6.          Estampación

Disipador de calor feito con estampación en frío 

Oestampaciónutilízase cando é necesario construír os tubos de calor dentro das aletas.Despois, presionando as tiras metálicas, prodúcense as aletas.Nos casos en que se utiliza tecnoloxía de estampación de alta velocidade, é particularmente eficaz para a fabricación en masa.Non obstante, o prezo é alto.

Conclusión

Os disipadores de calor son esenciais nos dispositivos mecánicos, eléctricos e electrónicos.Neste artigo, repasei o proceso de deseño detallado e a fabricación centrados nos dispositivos electrónicos.O deseño dos disipadores térmicos inflúe moito na taxa de disipación de calor, polo que cada paso do deseño é fundamental para optimizar o rendemento.Ademais, a simulación térmica despois do deseño axuda a comprender o escenario práctico de traballo e mellorar o deseño.

Aquí en ProleanHub temos deseñadores con máis dunha década de experiencia e unidades de fabricación avanzadas.Ofrecemos servizos de deseño e fabricación de disipadores de calor de primeiro nivel.Ademais, os nosos enxeñeiros mecánicos simulan o deseño para mellorar a funcionalidade e o rendemento.Finalmente, o noso departamento de control de calidade supervisa cada paso da fabricación, para que non teñas que comprometer a nosa calidade de servizo, se necesitas fabricar un disipador de calor, sóContacta connosco.

Preguntas frecuentes

Como podo mellorar a eficiencia dos disipadores de calor?

A eficiencia pódese aumentar de varias maneiras, incluíndo a diminución da resistencia á calor, a optimización do tamaño, a forma e a disposición das aletas e a mellora da interface das aletas.

Cal é o mellor material para disipadores de calor?

Os mellores materiais para disipadores de calor son o cobre e as aliaxes de aluminio.De novo, porén, a taxa de transferencia de calor depende do deseño do disipador de calor.

Como funciona o disipador de calor?

Os disipadores de calor están feitos de materiais de alta condutividade térmica como cobre e aluminio con aletas.Apúntase aos compoñentes quentados e absorbe a calor.Despois, a calor absorbida disípase no ambiente circundante por condución, convección ou radiación.

Cales son os pasos de deseño dos disipadores de calor?

Aquí están os pasos;

1. Selección do material
2. fixación da forma, tamaño e disposición das aletas
3. Fixación do accesorio (disipador de calor e compoñente do dispositivo)
4. Interfaz térmico de aletas
5. Simulación térmica de deseño CAD

Cales son os enfoques de fabricación comúns para o disipador de calor?

Mecanizado CNC, fundición, forxa, estampación e impresión 3D son enfoques comúns.