Con l'avvento della tecnologia moderna, soprattutto i componenti elettrici e meccanici stanno diventando compatti, potenti e avanzati. Questi dispositivi spesso si surriscaldano durante il lavoro a causa del carico eccessivo e dei macchinari compatti, per questo motivo la progettazione di meccanismi di dissipazione del calore adeguati sta diventando ogni giorno più impegnativa. Gli scienziati stanno lavorando su diversi materiali e design per soddisfare questo requisito moderno. Questo articolo spiega in dettaglio perché i dissipatori di calore sono importanti e come vengono realizzati nel settore.
Cos'è un dissipatore di calore?
I dissipatori di calore sono in realtà dispositivi elettronici utilizzati nelle macchine elettriche o meccaniche per rimuovere il calore inappropriato generato. Questi dispositivi sono realizzati con materiali che hanno una buona conduttività termica, alluminio, rame, ecc. Il calore generato nei componenti viene assorbito dal fluido presente nei dissipatori di calore e disperso nell'ambiente esterno. Il fluido è solitamente aria o qualche fluido termoconduttivo presente nelle sue alette.
Il principio di funzionamento dei dissipatori di calore dipende dalla legge di Fourier del trasferimento di calore e il meccanismo consiste nel trasferire il calore dai serbatoi a temperatura più elevata a quelli a bassa temperatura, che in questo caso sono macchinari compatti verso l'aria. I dissipatori di calore sono utilizzati principalmente in sistemi elettronici, CPU, GPU, supercomputer, laser, unità elettroniche, transistor di potenza e in molte altre nicchie.
Quali sono i tipi di dissipatori di calore?
I dissipatori di calore sono progettati secondo i requisiti dell'applicazione perché se la temperatura del sistema supera le condizioni operative, il sistema potrebbe danneggiarsi o causare malfunzionamenti delle parti. È necessario un calcolo accurato e corretto prima di progettare qualsiasi dissipatore di calore. I dissipatori di calore sono di vari tipi, per lo più classificati in base al meccanismo di funzionamento e al posizionamento delle alette.
Dissipatori passivi:
I dissipatori di calore passivi sono quelli che si basano sulla convezione naturale dell'aria, non hanno bisogno di alcuna fonte esterna per la rimozione del calore. Il principio di funzionamento di questi dissipatori dipende dalla spinta idrostatica dell'aria calda, che provoca il flusso d'aria tra le alette, questi dissipatori di calore sono utilizzati quando dobbiamo gestire una minore rimozione del calore e la temperatura ottimale del sistema di lavoro è alta.
Dissipatori di calore attivi:
I dissipatori di calore attivi necessitano di una sorgente o unità di controllo adeguata, sono noti anche come dissipatori di calore unidirezionali. Per il flusso d'aria tra le alette è necessaria una fonte esterna come un ventilatore o un ventilatore. Sono utilizzati principalmente dove dobbiamo affrontare temperature elevate. Ad esempio, le alette del motore delle motociclette sono progettate in modo tale da eseguire operazioni di raffreddamento attraverso l'aria in rapido movimento.
Dissipatori di calore ibridi:
I dissipatori di calore ibridi sono raramente utilizzati, ma sono i più avanzati ed efficaci nella rimozione del calore. Il principio di funzionamento di questi dissipatori è attivo e passivo quando la temperatura del sistema è bassa, questi dissipatori di calore fanno convezione naturale, mentre quando abbiamo a che fare con temperature elevate il controllo avvia la convezione forzata, accendendo la ventola del sistema. Il miglior esempio di questi tipi di dissipatori di calore sono i supercomputer, che sono altamente sensibili e hanno bisogno di questi tipi di meccanismi per il raffreddamento.
Come sono realizzati i dissipatori di calore?
I dissipatori di calore sono progettati secondo i requisiti dell'applicazione, conduttività termica, sensibilità termica e intensità del flusso di calore sono alcuni dei punti importanti che dovrebbero essere tenuti a mente durante la realizzazione di un dissipatore di calore. Dopo il materiale, il design del reperto, la loro distanza e il rapporto del flusso d'aria sono i parametri che definiscono la geometria complessiva.
Diverse industrie utilizzano metodi diversi per preparare questi dissipatori di calore, ma quelli più famosi sono discussi di seguito.
Estrusione:
È il processo industriale più comune per realizzare dissipatori di calore, in questo processo le billette di metallo caldo vengono fatte passare attraverso i coloranti per ottenere le forme richieste.
Attraverso questo processo vengono trattati principalmente metalli teneri come l'alluminio 1050. È il metodo veloce, più economico ed efficace per realizzare dissipatori di calore su scala industriale.
Lavorazione CNC:
La lavorazione CNC è un altro modo efficace per realizzare alette termiche. Il meccanismo prevede il taglio delle alette attraverso una porzione voluminosa di enormi parti metalliche. La lavorazione CNC è famosa perché attraverso questo processo è possibile ottenere strutture e progetti altamente complessi. Questa tecnica è utile sia che tu abbia a che fare con metallo morbido o metallo duro.
Skiving:
Lo skirving è una tecnica nella quale i metalli vengono tagliati a fette per ottenere le forme desiderate, viene utilizzata per la realizzazione di alette sottili. I dissipatori di calore realizzati con questo processo mostrano buone prestazioni nei dispositivi elettrici, soprattutto nei truciolari.
Le alette prodotte sono più sottili rispetto all'estrusione e sono fitte, quindi sono in grado di mostrare un buon rapporto del flusso d'aria tra le alette, che rimuove rapidamente il calore eccessivo.
casting:
La fusione è un altro modo di realizzare dissipatori di calore, in questo processo i metalli fusi vengono versati nei coloranti sagomati richiesti e i metalli assumono la forma dei coloranti. La fusione è anche un processo di produzione molto economico ed efficace. Attraverso la fusione, i produttori sono in grado di realizzare strutture complesse con eccellenti proprietà meccaniche. Viene utilizzato principalmente per la produzione di dissipatori di calore in zinco.
Materiali appropriati per i dissipatori di calore:
La scelta di un materiale appropriato per la produzione dei dissipatori di calore è il passo fondamentale verso la loro efficienza. Come descritto in precedenza, le proprietà complessive del dissipatore di calore dipendono dalle condizioni del sistema. Tuttavia, quelli che seguono sono i punti chiave di un materiale ideale per la produzione di qualsiasi dissipatore di calore.
- Alta conducibilità termica
- Basso coefficiente di dilatazione termica
- Bassa densità
- A basso costo
Alluminio:
L'alluminio e le sue leghe sono considerati il materiale migliore per la preparazione di dissipatori di calore. Ciò è dovuto all'eccellente conduttività termica dell'alluminio che è di circa 229 watt per metro-kelvin (W/m•K). Inoltre, l'alluminio è un metallo morbido e mostra una bassa resistenza meccanica, motivo per cui è facile da fondere a macchina ed estrudere. L'alluminio è utilizzato principalmente per la costruzione di processori a microprocessore, supercomputer, unità di controllo, raggi laser e altri domini correlati. Alcune delle famose leghe di alluminio utilizzate per la realizzazione di dissipatori di calore sono
- L'alluminio 1050 mostra un'eccellente conduttività termica, presenta una conduttività termica di 229 watt per metro-kelvin (W/m•K). Viene utilizzato principalmente in CPU e GPU.
- Le leghe di alluminio 6063 e 6061 sono utilizzate principalmente nella produzione di dissipatori di calore monopezzo. Mostrano un'eccellente conduttività termica rispettivamente di 201 e 166 W/m•K. Sono utilizzati principalmente nel settore automobilistico, nelle alette dei motori e nei meccanismi di dissipazione del calore dei macchinari pesanti.
Rame:
La conduttività termica del rame è (401 W/m•K), ovvero due volte quella dell'alluminio, e mostra un'elevata resistenza termica, resistenza ai biocarburanti e proprietà di resistenza alla corrosione. Tuttavia, il rame è più denso e più duttile dell’alluminio. Alcuni produttori hanno utilizzato anche alette in alluminio con piastre di base in rame. Ciò offre vantaggi a entrambi i materiali e migliora le proprietà termiche del dissipatore di calore.
Un altro materiale con conduttività termica ideale (2200 W/m•K) è il diamante, ma è molto costoso e viene utilizzato in circuiti altamente integrati, come i supercomputer, o nei chip aeronautici dove necessario. Anche alcuni materiali compositi, come la pseudolega rame-tungsteno e il Dymalloy (diamante in matrice di lega rame-argento), sono considerati materiali ideali per i dissipatori di calore.
Conclusione
I dissipatori di calore sono parti cruciali di qualsiasi dispositivo elettronico o meccanico, quindi puoi considerare il materiale e il tipo migliori in base alle nostre esigenze. Inoltre, progettazione, produzione, rapporto costo-efficacia, budget, livello di dissipazione del calore e conduttività termica sono i fattori che dovrebbero essere controllati prima di prendere in considerazione qualsiasi sistema. In secondo luogo, dovresti scegliere la migliore officina meccanica per i processi di lavorazione CNC e di estrusione.
