Guia de Projeto de Dissipador de Calor: Dicas de Materiais e Processos

Dissipador de calor

Os dissipadores de calor desempenham um papel vital em vários dispositivos eletrônicos e tecnológicos de alto desempenho. Diferentes componentes eletrônicos e mecanismos geram calor que pode danificar o dispositivo se não for adequadamente dissipado. Um dissipador de calor é projetado para retirar o calor do dispositivo e dissipá-lo para o ambiente circundante, geralmente usando uma combinação de condução, convecção e radiação.

Eletrônicos e máquinas seriam mais propensos a superaquecimento e falhas sem dissipadores de calor, resultando em desempenho inferior, vida útil limitada e maiores despesas de manutenção. Este artigo irá discutir a processo de projeto de dissipador de calor em profundidade, incluindo considerações de projeto, seleção de material, princípio de funcionamento e métricas de desempenho.

Este artigo se aprofundará no processo de projeto do dissipador de calor, abordando considerações de projeto, seleção de material, princípios de trabalho e métricas de desempenho.

Como projetar um dissipador de calor?

A eficácia do projeto de um dissipador de calor depende de sua capacidade de conduzir o calor para longe do componente; portanto, é essencial entender os fundamentos do fluxo de calor antes de prosseguir com o projeto. 

At Boda, oferecemos serviços personalizados de design de dissipadores de calor para vários setores, incluindo eletrônicos, automotivo e aeroespacial.

Compreendendo a transferência de calor

O calor pode ser transferido por meio de três mecanismos principais: condução, convecção e radiação.

Condução é a transferência de calor através de uma substância de uma zona de temperatura mais alta para uma mais baixa. Quando um componente eletrônico gera calor, este é dissipado do componente por meio de uma substância sólida, como um dissipador de calor metálico. 

A taxa de transmissão de calor por condução é determinada pela condutividade térmica do material, que mede a facilidade com que o calor flui através do material.

A transferência de calor através de um fluido ou gás é conhecida como convecção. 

Quando o ar flui sobre um dissipador de calor, a convecção transporta o calor do dissipador para a atmosfera. A taxa de convecção depende da velocidade do fluido, da diferença de temperatura e da área de superfície.

Radiação Transmite calor por meio de ondas eletromagnéticas, como a radiação infravermelha. O princípio por trás da radiação é simples: quando um objeto está mais quente que o ambiente ao seu redor, ele irradia energia térmica por meio de ondas eletromagnéticas. 

Além disso, dissipadores de calor podem absorver essa energia térmica, junto com outras coisas incríveis.

Equação matemática:

Q = -kA(dT/dx)
(Onde Q = taxa de transferência de calor, k = condutividade térmica, A = área da seção transversal, dT = diferença de temperatura, dx = espessura)

Escolhendo o material certo para o projeto do dissipador de calor

Escolher o material certo para o projeto do dissipador de calor é crucial porque afeta a eficiência da transferência de calor, o peso e o custo do dissipador de calor. Você deve considerar a condutividade térmica, capacidade térmica específica, densidade e outras propriedades de acordo com as necessidades e especificações da aplicação pretendida.

A seguir estão os materiais comuns do dissipador de calor;

Existem várias outras considerações (com base na aplicação pretendida) a serem feitas ao escolher um material para um dissipador de calor, como tamanho e peso necessários, custo, processo de fabricação e condição operacional.

Mas sempre escolha com base em necessidades térmicas, restrições de custo e viabilidade de fabricação.

Cálculo do tamanho e do design das aletas

Antes de passar para a prototipagem ou produção em massa, é crucial ter cálculos ideais para o projeto das aletas. Os especialistas da Boda utilizam métricas de desempenho e modelagem de fluxo de ar para determinar dimensões precisas.

Dimensionamento do dissipador de calor

O tamanho do dissipador de calor e o design das aletas dependem muito do calor gerado pelo dispositivo, do espaço disponível e do fluxo de ar ao redor do componente.

Diversas fórmulas e programas de software estão disponíveis para calcular o tamanho necessário e o design das aletas do dissipador de calor. Os fatores a serem considerados incluem a resistência térmica do dissipador de calor, a área de superfície das aletas e a velocidade e direção do fluxo de ar. Antes de construir o próximo protótipo de dissipador de calor, deixe que nossos especialistas ajudem você a calcular as dimensões perfeitas.

No entanto, você também pode usar esta equação simplificada: Rth = (Tj – Ta) / P (Resistência térmica = Temperatura da junção – Temperatura ambiente / Potência dissipada)

Recurso relacionado: Calculadora de tamanho do dissipador de calor

Considerações de projeto para fabricação de dissipadores de calor

Para minimizar o desperdício de material e aumentar a eficiência, o projeto do dissipador de calor deve ser otimizado para a fabricação. Você pode garantir isso considerando espessura do material, tolerâncias de usinagem, e o número e tamanho das aletas para garantir que o dissipador de calor possa ser produzido de forma eficiente e econômica.

Aqui estão alguns dos principais considerações de design do dissipador de calor para garantir que pode ser fabricado de forma eficiente e eficaz.

• Material para o dissipador de calor: O material que você escolher para o dissipador de calor afetará sua condutividade térmica, resistência à corrosão e facilidade de fabricação.
• Configuração da aleta:
• O formato e o posicionamento das aletas do seu dissipador de calor influenciam seu desempenho térmico. Vários formatos de aletas podem afetar a área de superfície disponível para dissipação de calor, incluindo aletas retas e aletas em forma de pino.
• Tamanho e formato das nadadeiras: O tamanho e a forma das aletas influenciam a capacidade de transferência de calor e a dimensão geral. Por exemplo, aletas muito grandes ou muito pequenas podem não dissipar o calor em comparação com o tamanho e a forma corretos.
• Acabamento de superfície: Considere o método de fabricação e acabamento superficial desejado no início do processo de design. Assim, você pode otimizar a transferência de calor eficiente e a resistência à corrosão.
• Mecanismo de fixação: Projete o mecanismo de fixação para reduzir a resistência térmica e facilitar a montagem.
• Tolerâncias: É essencial equilibrar a necessidade de dimensões precisas com as considerações práticas do processo de fabricação.

Comparando usinagem CNC e extrusão de alumínio para dissipador de calor

Quando se trata de eficiência de fabricação, tanto a usinagem CNC quanto a extrusão de alumínio têm seus pontos fortes e fracos. A usinagem CNC pode produzir dissipadores de calor altamente complexos e personalizados, mas o processo pode ser mais demorado e caro, especialmente para grandes execuções de produção. Por outro lado, a extrusão de alumínio é um método mais eficiente e econômico para produzir grandes quantidades de dissipadores de calor, embora o processo possa não ser adequado para projetos altamente complexos ou especializados.

Em última análise, a escolha entre usinagem CNC e extrusão de alumínio para fabricação de dissipadores de calor dependerá de fatores como a complexidade do projeto, o volume de produção necessário e os requisitos específicos de gerenciamento térmico da aplicação.

Aplicações de dissipadores de calor extrudados na eletrônica moderna

Dissipadores de calor extrudados de alumínio são adequados para uma ampla gama de aplicações em eletrônicos modernos, incluindo:

1. Eletrônicos de consumo: em dispositivos como smartphones, tablets e laptops, dissipadores de calor extrudados de alumínio podem ser usados ​​para dissipar o calor de forma eficiente de processadores, memória e outros componentes.
2. Iluminação LED: Os dissipadores de calor extrudados são comumente usados ​​em sistemas de iluminação LED para evitar o superaquecimento e garantir desempenho e longevidade ideais.
3. Equipamentos de telecomunicações: Em equipamentos como roteadores e switches, os dissipadores de calor extrudados de alumínio podem ajudar a manter temperaturas operacionais estáveis ​​e melhorar o desempenho geral.
4. Eletrônica industrial: Em aplicações como acionamentos de motores, fontes de alimentação e sistemas de controle, os dissipadores de calor extrudados de alumínio podem fornecer gerenciamento térmico eficaz para garantir uma operação confiável.
5. Eletrônica automotiva: Com o uso crescente de eletrônicos em veículos, os dissipadores de calor extrudados de alumínio podem ser usados ​​para resfriar componentes como ECUs, sistemas de infoentretenimento e eletrônicos de potência.

Mundo real Exemplos de dissipadores de calor

Os clientes costumam perguntar: “Qual é a aparência real de um bom design na prática?” Aqui estão projetos reais nos quais trabalhamos na Boda em vários setores.

Utilizamos ferramentas avançadas, como FEA e CFD, para otimizar o desempenho térmico em condições reais.

Caso I: Alumínio para Eletrônica de Potência

O projeto de um dissipador de calor de alumínio para eletrônica de potência começa com o cálculo do calor gerado pelos componentes eletrônicos. Esse cálculo fornece as informações necessárias para determinar o tamanho e o formato do dissipador de calor de alumínio projetado para dissipar o calor de forma eficaz.

Além disso, o tamanho e a forma oferecem área de superfície suficiente para dissipação de calor, ao mesmo tempo em que se ajustam aos limites físicos da eletrônica de potência.

Por fim, determine como o dissipador de calor será conectado ao dispositivo. A montagem através do orifício e a montagem em superfície são as mais frequentes métodos de anexo.

• A montagem através do orifício implica furos de perfuração no dissipador de calor e no dispositivo e fixá-los com parafusos ou cavilhas.
• A montagem em superfície envolve a fixação do dissipador de calor na superfície do dispositivo com um adesivo térmico ou clipe.

Caso II: Projetos personalizados para alto desempenho

Em aplicações de alto desempenho, como sistemas de computação avançados, veículos velozes ou equipamentos aeroespaciais, os projetos de dissipadores de calor personalizados precisam atender aos requisitos térmicos exclusivos do dispositivo. Portanto, projetos personalizados de dissipadores de calor podem ser complicados, exigindo técnicas avançadas de engenharia e aplicativos de software.

A primeira etapa envolve entender os requisitos térmicos, como o calor gerado pelo dispositivo de alto desempenho, a faixa de temperatura operacional necessária e o tamanho e formato do dissipador de calor.

Depois de determinar os requisitos térmicos, um projeto de dissipador de calor pode ser projetado utilizando ferramentas de software avançadas, como o software de análise de elementos finitos (FEA). O software FEA permite que os engenheiros simulem a transferência de calor e o desempenho térmico do design do dissipador de calor de alumínio e o otimizem para as necessidades do dispositivo. No geral, a melhor parte do design do dissipador de calor personalizado é que ele pode resolver os problemas de aquecimento exclusivos de eletrônicos e máquinas.

Exemplos de projetos de dissipadores de calor bons e ruins

Um bom design de dissipador de calor drena efetivamente o calor dos componentes eletrônicos, garantindo que a função do dispositivo seja confiável e eficiente. Vamos discutir as características de bons e maus exemplos de projetos de dissipadores de calor.

Um bom projeto de dissipador de calor deve ter os seguintes elementos:

• Área de superfície suficiente para dissipação de calor
• Projeto de aleta apropriado para uma aplicação específica
• Excelente contato térmico com componentes elétricos
• Método eficaz de fixação do dispositivo
• Uso de material apropriado, como alumínio ou cobre

Um design de dissipador de calor ruim não consegue dissipar o calor adequadamente, resultando em falha do dispositivo ou desempenho inferior, o que pode incluir as seguintes características:

• Área de superfície de dissipação de calor inadequada
• Projeto de aleta incorreto para a aplicação
• Contato térmico limitado com componentes elétricos
• Uso de materiais de baixa condutividade térmica, como plástico ou madeira.

Como funcionam os dissipadores de calor

Os dissipadores de calor melhoram o resfriamento convectivo e oferecem uma grande área de superfície para transmissão de calor. Boda, nossos métodos de fabricação são baseados em requisitos do produto, complexidade e tamanho do batch. 

Ajudamos nossos clientes a escolher a técnica adequada para sua aplicação e orçamento. Aqui estão três formas de transferência de calor que ocorrem através do mecanismo do dissipador de calor.

• A transferência de calor por condução ocorre e o calor flui dos componentes eletrônicos para o dissipador de calor conectado devido à diferença de temperatura.

• Ventiladores ou outros acessórios no dispositivo aumentam a taxa de transferência de calor (do dissipador de calor para o ambiente) por meio de convecção natural ou forçada. Freqüentemente, os projetos de dissipadores de calor para eletrônica de potência usam um ventilador ou sistema de resfriamento adicional para convecção forçada.
• O calor também é transferido para o ambiente na forma de ondas eletromagnéticas.

Princípios de Operação

A operação de um dissipador de calor pode ser explicada usando princípios de transferência de calor, e esses princípios são os princípios básicos para iniciar um projeto de design de dissipador de calor. Ele afirma: “Quando há uma diferença de temperatura entre duas coisas, a transferência de calor ocorre quando a energia se move do objeto com a temperatura mais alta para o objeto com a temperatura mais baixa”.

O calor flui dos componentes eletrônicos para o dissipador de calor devido à diferença de temperatura entre os componentes aquecidos e o material do dissipador de calor. Em seguida, o dissipador de calor transfere o calor para o ambiente, ventiladores ou outro mecanismo é frequentemente usado para controlar a transferência de calor do dissipador de calor para os componentes.

Resistência Térmica vs Condutividade

Diagrama de resistência térmica

A resistência térmica refere-se à capacidade de um material de resistir ao fluxo de calor. A transformação de calor através de um material torna-se mais difícil à medida que a resistência térmica aumenta. Em contraste, a condutividade térmica mede a capacidade do material de conduzir calor. Isso significa que quanto maior a condutividade térmica, melhor o fluxo de calor através do material.

É fundamental no projeto de dissipadores de calor selecionar materiais com alta condutividade térmica e baixa resistência térmica. Isso permite que o calor passe rapidamente do componente eletrônico para o dissipador de calor e do dissipador de calor para o ar circundante.

Métricas de desempenho do dissipador de calor

Métricas de desempenho são essenciais para maximizar a dissipação de calor e minimizar o aumento de temperatura no componente eletrônico. No projeto do dissipador de calor, três métricas principais são usadas: resistência térmica, impedância e métricas de capacidade.

• Métricas de resistência térmica: A resistência térmica mede a capacidade do material de transferir calor através dele. Normalmente é medido em graus Celsius por watt (°C/W) e indica quanto a temperatura do dissipador de calor aumentará para cada watt de potência dissipada.
• Métricas de impedância térmica: A impedância térmica refere-se a uma medida da resistência ao fluxo de calor entre dois objetos. Essa métrica é essencial no projeto do dissipador de calor, pois determina quanto a temperatura do componente eletrônico aumentará para cada watt de potência dissipado.
• Métrica de capacidade térmica: O projetista pode calcular quanto calor um dissipador de calor pode absorver antes de atingir uma temperatura específica. É comumente expresso em joules por grau Celsius (J/°C) e reflete quanta energia o dissipador de calor pode armazenar antes de ficar saturado.

No geral, as métricas de desempenho são cruciais para o projeto do dissipador de calor. Eles ajudam os projetistas a selecionar o dissipador de calor mais adequado para uma aplicação específica, otimizar seu desempenho e garantir o desempenho ideal e confiável dos dispositivos eletrônicos.

Como fazer um dissipador de calor?

Dissipador de calor da usinagem CNC

Projetos de dissipadores de calor podem ser convertidos em formas físicas com várias técnicas de fabricação, como usinagem CNC, Corte de fio EDMOs processos de fabricação incluem estampagem, extrusão e fundição de dissipadores de calor. A escolha da abordagem de fabricação adequada depende da precisão exigida, do material do dissipador de calor, da complexidade do projeto e de muitos outros fatores.

Vamos discutir brevemente algumas das abordagens de fabricação de dissipadores de calor.

usinagem CNC

A usinagem CNC é a melhor maneira de criar dissipadores de calor com projetos complexos. Os designers obtêm uma grande flexibilidade com essa abordagem. Um bloco inteiro de metal pode ser usado para criar a pia onde as aletas necessárias são cortadas com as máquinas CNC e dobradas a partir da base do bloco. No entanto, A fabricação de dissipadores de calor para CNC pode ser cara e demorada.

EDM com fio

EDM com fio é outro método para fabricar dissipadores de calor. O primeiro passo no corte de arame é criar um Desenho 2D do projeto do dissipador de calor. Em seguida, monte a peça de trabalho em uma máquina de corte de fio e corte o dissipador de calor na forma e tamanho desejados por meio de instruções digitais.

Extrusão de alumínio

Fabricação de dissipadores de calor com extrusão envolve a prensagem de tarugos de material maleável em uma matriz de aço de alta resistência para formar aletas de placa. Eles são utilizados na maioria das aplicações de resfriamento, incluindo dissipadores de calor de alumínio. Obviamente, o alumínio é o material mais comumente usado na fabricação de dissipadores de calor.

Técnicas de Acabamento de Superfície

A qualidade da superfície tem um impacto substancial no desempenho do dissipador de calor. A superfície de um dissipador de calor deve ser lisa e livre de falhas ou rugosidade, pois podem limitar a transferência de calor. A superfície áspera pode criar bolsões de ar e restringir a área de contato entre o dissipador de calor e o componente, resultando em baixa transferência de calor e temperaturas mais altas.

Portanto, é fundamental aplicar o acabamento superficial correto para evitar a corrosão e otimizar a qualidade da superfície do dissipador de calor. Você pode considerar as seguintes práticas comuns de acabamento superficial para dissipadores de calor durante o projeto do dissipador de calor.

• Anodização
• Revestimento eletro e eletrolítico
• revestimento em pó
• polimento

No entanto, a opção de acabamento de superfície para um determinado dissipador de calor depende do tipo de material, das condições operacionais, da complexidade do dissipador de calor e de outras considerações.

Relacionado a: Dissipadores de calor de alumínio anodizado: soluções de resfriamento para eletrônicos modernos

Conclusão

O design adequado do dissipador de calor é crucial para manter a temperatura operacional segura dos componentes eletrônicos, aumentando sua vida útil e confiabilidade e garantindo um desempenho ideal. Somente um dissipador de calor bem projetado pode dissipar com eficiência o calor gerado pelo elemento, proporcionando área de superfície suficiente.

Portanto, o projeto do dissipador de calor exige a consideração da escolha do material e da aplicação pretendida. Isso ajuda a controlar a temperatura do componente, evitando fuga térmica e possíveis falhas do sistema. 

Além disso, um dissipador de calor bem projetado reduz o tamanho e o peso dos dispositivos, mantendo uma dissipação de calor eficiente.

Boda oferece serviços de fabricação para seu projeto de dissipador de calor com usinagem CNC, extrusão e fio EDM. Nossos engenheiros experientes e nossa avançada estrutura de fabricação fornecerão o melhor serviço de fabricação de dissipadores de calor com consultoria de design. 

Então por favor envie-nos o projeto do seu dissipador de calor para um orçamento para iniciar o projeto.

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