Una breve rassegna sulla progettazione e produzione di dissipatori di calore
Ultimo aggiornamento:09/01;Tempo di lettura: 6 min
Radiatore
Un dissipatore di calore è un dispositivo termodinamico che rimuove il calore dai sistemi meccanici, elettrici ed elettronici.In vari dispositivi e macchine, è essenziale mantenere l'intervallo di temperatura entro un limite specifico per mantenere la funzionalità di quel dispositivo o macchina.Qui entra in gioco il ruolo dei dissipatori di calore.Ad esempio, i pesanti macchinari del tuo laptop in diversi settori devono dissipare il suo calore.Quindi pensa a quanto è ampiamente utilizzato nel mondo della tecnologia di oggi.I dissipatori di calore dissipano il calore trasferendolo a un mezzo regolato, come aria o liquido, quindi espulso dall'apparato e dal mezzo di trasferimento.
Questo articolo esaminerà brevemente ilfunzionamento del dissipatore di calore, fasi di progettazione e approcci di produzione.
Funzionamento del dissipatore di calore
La legge di Fourier sui trasferimenti di calore, che afferma che il calore fluisce sempre da un mezzo ad alta temperatura a un mezzo a bassa temperatura, fornisce le basi per il funzionamento di un dissipatore di calore.Sebbene i dispositivi producano calore, che è più caldo dell'aria o del liquido circostante, lo trasferiscono per conduzione, convezione o occasionalmente per irraggiamento a un contatto più freddo.
Diamo un'occhiata al diagramma di flusso sottostante per un quadro chiaro del funzionamento del dissipatore di calore;
Diagramma di flusso per il funzionamento del dissipatore
· Dissipatori di calore passivi
I dissipatori di calore passivi trasferiscono naturalmente il calore assorbito all'aria ambiente senza convezione forzata, come un ventilatore o la circolazione dell'acqua attorno ad essi.Questi sono generalmente di forma grande e contengono una matrice di pinne esposta all'ambiente esterno.
· Dissipatore di calore attivo
Il dissipatore di calore attivo è costituito dalla ventola o dal ventilatore extra e dal liquido impostato per rimuovere il calore in modo diverso dall'approccio naturale.Questa configurazione aggiuntiva aumenta il processo di dissipazione del calore mediante il processo di convezione forzata.Ad esempio, quando la ventola è in funzione, aumenta la velocità dell'aria e trasferisce rapidamente il calore dal dissipatore di calore all'ambiente circostante.
Calcolo della resistenza termica
Durante la progettazione di un dissipatore, il calcolo della resistenza termica totale (Rhs) svolge un ruolo fondamentale nella comprensione delle prestazioni e dell'efficienza potenziali, quindi vediamo come può essere calcolata;
Rhs= (tj-Ta/P) – (Rth-jc) - RI
P= Calore totale dissipato
TI= Massima temperatura di giunzione del dispositivo a 0C.
Rth-jc= Giunzione alla resistenza termica della custodia
Ta= Temperatura aria ambiente a0C.
RI= Resistenza del materiale dell'interfaccia
RIO= (t/L x L x KI)
t = spessore del materiale di interfaccia
KI= Conduttività termica del materiale di interfaccia
L = Lunghezza della fonte di calore
W = Larghezza della fonte di calore
Progettazione del dissipatore di calore
Ci sono diversi passaggi nella progettazione.Diamo un'occhiata a ciascuno di essi in breve.
1. Selezione del materiale
La conducibilità termica è una delle caratteristiche essenziali di un materiale per dissipatori di calore perché consente la rapida trasmissione del calore da un componente del dispositivo riscaldato al dissipatore e all'ambiente.
I due materiali principali utilizzati per realizzare i dissipatori di calore sono il rame e le leghe di alluminio.Questo perché hanno eccellenti qualità meccaniche come robustezza, resistenza alla corrosione, durata e alta conducibilità termica.Tuttavia, sebbene sia piuttosto costoso, il diamante (2.000 W/m/k) può essere il materiale ideale per dissipatori di calore in dispositivi elettronici ad alte prestazioni e precisione.
Oltre alle parti elettroniche, le batterie agli ioni di litio producono la dissipazione del calore necessaria.In una situazione del genere, il rame o l'alluminio potrebbero non essere i materiali ottimali per il dissipatore di calore.
La soluzione dell'industria automobilistica per la gestione del calore è un materiale in fibra di carbonio a conducibilità più favolosa.
2. Disposizione delle alette e flusso d'aria
Un altro fattore che influisce sulle prestazioni del dissipatore di calore è il mezzo di raffreddamento, che influisce in modo significativo sulla velocità di dissipazione del calore.Pertanto, quando si costruisce un dissipatore di calore, la forma, le dimensioni e la disposizione delle alette sono aspetti importanti da considerare.L'utilizzo della tecnica di ottimizzazione parametrica è l'opzione migliore per trovare i valori dei parametri ideali per soddisfare le restrizioni dichiarate e raggiungere gli obiettivi di progettazione.
- Migliora lo spazio tra le alette per migliorare il flusso d'aria e ridurre la resistenza termica.
- Poiché una superficie più ampia aumenta il trasferimento di calore per conduzione e convezione, favorendo la dissipazione del calore, prendere in considerazione l'aumento dello spessore e dell'altezza.
- Crea uno strato limite termico più piccolo e la direzione del flusso d'aria è stata progettata con un angolo ideale rispetto al dissipatore di calore per aumentare l'efficienza delle alette.
- Dopo aver preparato il progetto delle alette con il CAD, è possibile simulare lo scenario di trasferimento del calore per ottimizzarne l'efficienza.
3. Collegamento del dissipatore di calore
Anche il modo in cui il lavello è collegato all'elemento riscaldante del dispositivo influisce sul suo buon funzionamento.Scegli il miglior metodo di connessione che massimizza la velocità di trasmissione del calore tra i distanziatori, i fermagli a molla piatti, la resina epossidica e le opzioni del nastro termico.
4. Interfaccia termica
I difetti e la rugosità superficiale del dissipatore di calore svolgono un ruolo nell'aumento della resistenza termica a causa di una diminuzione dell'area di contatto termico e della pressione dell'interfaccia.Per superare questo problema, i materiali di interfaccia termica sono la scelta migliore.L'uso di polimeri liquidi, cera, alluminio, grafite e nastri sulla superficie del dissipatore di calore e dell'elemento riscaldante dei dispositivi riduce la resistenza termica.
5. Simulazione
La simulazione del design è significativa per vedere virtualmente le prestazioni del dissipatore di calore.La simulazione al computer fornisce l'idea per il miglioramento e conferma il progetto se è adatto o meno alle applicazioni richieste.
Processo di produzione per dissipatore di calore
Dopo aver simulato termicamente il Design dei dissipatori, ora si passa alla produzione.Vediamo nel dettaglio i vari processi di lavorazione;
1. Lavorazione CNC
Dissipatore di calore realizzato con lavorazione CNC
Lavorazione CNCè l'approccio migliore per la produzione di dissipatori di calore per forme complesse.Questo approccio offre molta flessibilità ai progettisti.Un intero blocco di metallo viene utilizzato per creare il lavello dove le alette necessarie vengono tagliate con le macchine a controllo numerico e piegate dalla base del blocco.Tuttavia, è un metodo che richiede tempo e costi elevati.
2. Estrusione
Uno dei processi più comuni per la produzione di dissipatori di calore èestrusione, che prevede la pressatura di billette calde di materiale duttile in uno stampo in acciaio ad alta resistenza per creare alette di lamiera.Sono utilizzati per la maggior parte delle applicazioni di raffreddamento che coinvolgono dissipatori di calore in alluminio.Naturalmente, l'alluminio è il materiale più utilizzato per la produzione di dissipatori di calore.
Dissipatore realizzato con Estrusione
È una procedura semplice e poco costosa.I dissipatori di calore possono essere utilizzati in una varietà di ambienti operativi.Tuttavia, a causa della limitazione massima della larghezza di estrusione, non può essere utilizzato con dissipatori di calore dotati di alette larghe.
3. Colata
Dissipatore di calore realizzato con Casting
Nelfusionedi dissipatore di calore,alluminio, rame o zinco sono i materiali comuni.In questo processo, i lingotti di materiali selezionati vengono prima fusi e iniettati nello stampo del dissipatore di calore con una certa pressione.Dopo che il materiale liquido iniettato si è solidificato nello stampo, viene rilasciato e viene eseguita un'ulteriore lavorazione minima per eliminare qualsiasi imperfezione superficiale.È meglio ottenere forme complesse con un alto grado di precisione.
4. Forgiatura a freddo
Dissipatore di calore realizzato con stampaggio a freddo
È un altro approccio produttivo ad alta precisione per i dissipatori di calore adatti all'alluminio e alle sue leghe.Tuttavia, è applicabile anche per rame e bronzo.La forgiatura a freddo utilizza una pressione estrema e deforma la forma del metallo a temperatura ambiente per creare perni rotondi ed ellittici per il dissipatore di calore.Inoltre, viene utilizzato per produrre alette ad alta densità, che miglioreranno il trasferimento di calore in condizioni di flusso d'aria ad alta velocità.
5. Stampa 3D
Dissipatore di calore stampato in 3D
Lo sviluppo della stampa 3D come metodo per produrre dissipatori di calore è il risultato del progresso tecnologico.Le tecnologie di fusione a letto di polvere e di deposizione di energia diretta sono i due metodi più diffusi nella stampa di dissipatori di calore.
6. Stampaggio
Dissipatore realizzato con stampaggio a freddo
ILstampaggiometodo viene utilizzato dove è necessario realizzare i tubi di calore all'interno delle alette.Quindi, premendo le strisce di metallo, vengono prodotte le alette.Nei casi in cui viene utilizzata la tecnologia di stampaggio ad alta velocità, è particolarmente efficace per la produzione di massa.Tuttavia, il prezzo è alto.
Conclusione
I dissipatori di calore sono essenziali nei dispositivi meccanici, elettrici ed elettronici.In questo articolo, ho esaminato il processo di progettazione dettagliata e la produzione incentrata sui dispositivi elettronici.La progettazione dei dissipatori di calore influenza pesantemente il tasso di dissipazione del calore, quindi ogni fase di progettazione è fondamentale da seguire per ottimizzare le prestazioni.Inoltre, la simulazione termica dopo la progettazione aiuta a comprendere lo scenario di lavoro pratico e migliorare il design.
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FAQ
Come posso migliorare l'efficienza dei dissipatori di calore?
L'efficienza può essere aumentata in diversi modi, inclusa la riduzione della resistenza al calore, l'ottimizzazione delle dimensioni, della forma e della disposizione delle alette e il miglioramento dell'interfaccia delle alette.
Qual è il miglior materiale per i dissipatori di calore?
I migliori materiali per i dissipatori di calore sono il rame e le leghe di alluminio.Ancora una volta, tuttavia, la velocità di trasferimento del calore dipende dal design del dissipatore di calore.
Come funziona il dissipatore di calore?
I dissipatori di calore sono realizzati con materiali ad alta conduttività termica come rame e alluminio con alette.Si attacca ai componenti riscaldati e assorbe il calore.Quindi il calore assorbito si dissipa nell'ambiente circostante per conduzione, convezione o irraggiamento.
Quali sono le fasi di progettazione dei dissipatori di calore?
Ecco i passaggi;
- Selezione del materiale
- fissaggio di forma, dimensione e disposizione delle alette
- Fissaggio dell'attacco (dissipatore di calore e componente del dispositivo)
- Interfacciamento termico delle alette
- Simulazione termica della progettazione CAD
Quali sono gli approcci di produzione comuni per il dissipatore di calore?
La lavorazione CNC, la fusione, la forgiatura, lo stampaggio e la stampa 3D sono approcci comuni.
Tempo di pubblicazione: 15-lug-2022