Tipus de dissipador de calor explicats: refrigeració passiva vs activa, guia de materials i selecció

Els dissipadors de calor allunyen la calor de l'electrònica perquè funcionin més fred, durin més i eviten l'aturada tèrmica. Malgrat la gran varietat de formes que hi ha al mercat, gairebé tots els dissenys es divideixen en dues famílies-passius i actius- i es defineixen encara més pel seu material, la geometria de les aletes i el procés de fabricació.

Aquesta guia explica com funciona cada tipus, compara l'alumini i el coure, explica quan els tubs de calor i les cambres de vapor es guanyen el seu lloc i us ofereix una manera pràctica de dimensionar i seleccionar un dissipador de calor mitjançant un únic càlcul de -resistència tèrmica. Si només recordeu una cosa: feu coincidir el dissipador de calor amb la vostra càrrega d'energia real, el flux d'aire, el límit de soroll i el tancament-no amb un full d'especificacions mesurat a l'aire lliure.

Els dos tipus principals: refrigeració passiva vs activa

Els dissipadors de calor passius mouen la calor només amb conducció, convecció natural i radiació-sense ventiladors, sense bombes, sense peces mòbils. Els dissipadors de calor actius afegeixen un mecanisme alimentat, normalment un ventilador, i sovint el combinen amb tubs de calor o una cambra de vapor per canviar la calor molt més ràpidament. La família adequada depèn de la producció de calor, l'espai, la tolerància al soroll i el cost.

Com a guia aproximada, les càrregues per sota d'aproximadament 15-20 W són còmodes per a la refrigeració passiva, 20-50 W es troben en una zona grisa que depèn del flux d'aire i el recinte, i per sobre de 50-100 W normalment necessiteu un ventilador, tubs de calor o un disseny híbrid.

Com funcionen els dissipadors de calor passius

La calor deixa un component a través d'un material d'interfície tèrmica a la base del dissipador de calor, s'estén pel metall i finalment es transfereix a l'aire circumdant. Com que els dissenys passius es basen en l'ascens d'aire càlid i l'aire més fresc que el substitueix, el seu rendiment és molt sensible a l'orientació i a l'obertura del recinte. Un dissipador de calor muntat verticalment pot convecció notablement millor que la mateixa part muntada plana, i la diferència entre un banc obert i un armari segellat pot duplicar fàcilment la resistència tèrmica efectiva.

Dissenys passius comuns

• Els dissipadors de calor d'aletes utilitzen aletes fines d'alumini o coure per afegir superfície. Són els predeterminats per als mòduls LED, equips de xarxa i tancaments industrials.
• Els dissipadors de calor de pin-aletes utilitzen matrius de pins verticals i s'enfronten bé quan la direcció del flux d'aire és impredictible, ja que l'aire pot passar des de molts angles.
• Els dissipadors de calor de blocs apilats o sòlids comercialitzen la mida per la robustesa i es trien on la fiabilitat importa més que la compacitat.

L'espaiat de les aletes és el detall que la gent s'equivoca més sovint. Empaqueu les aletes massa fort i l'aire càlid s'estanca entre elles, ofegant la convecció natural; obre-los i guanyes flux d'aire però perds la superfície total. Els dissenys passius viuen i moren en aquest equilibri.

Alumini vs coure

L'alumini domina els productes comercials perquè ofereix el millor equilibri entre rendiment, pes i cost-l'alumini extruït és especialment econòmic per a equips de LED, telecomunicacions i industrials. El coure es reserva per a fonts de calor concentrades i d'alta-densitat on el seu avantatge d'escampament justifica el pes i el preu. Moltes peces-d'alt rendiment divideixen la diferència amb una base de coure i aletes d'alumini.

Dissipadors de calor actius: ventiladors, tubs de calor i cambres de vapor

El dissipador de calor actiu més senzill és un bloc amb aletes amb un ventilador. El flux d'aire forçat substitueix la convecció natural lenta i pot reduir dràsticament la resistència tèrmica. L'elecció del ventilador es redueix a més que el volum del flux d'aire:

Els ventiladors axials mouen l'aire al llarg de l'eix de l'eix i s'adapten a dissenys oberts-escriptoris, fonts d'alimentació i armaris industrials. Les mides habituals són 80 mm i 120 mm.

Els ventiladors centrífugs (ventiladors) generen una pressió estàtica més alta, de manera que empenyen l'aire a través d'aletes denses o canals restringits millors-servidors i tancaments compactes.

El dissipador de calor actiu més senzill és un bloc amb aletes amb un ventilador. El flux d'aire forçat substitueix la convecció natural lenta i pot reduir dràsticament la resistència tèrmica.

L'elecció del ventilador es redueix a més que el volum del flux d'aire:

• Els ventiladors axials mouen l'aire al llarg de l'eix de l'eix i s'adapten a dissenys oberts-escriptoris, fonts d'alimentació i armaris industrials. Les mides habituals són 80 mm i 120 mm.
• Els ventiladors centrífugs (ventiladors) generen una pressió estàtica més alta, de manera que empenyen l'aire a través d'aletes denses o canals restringits millors-servidors i tancaments compactes.

Dos números importen quan s'especifica un ventilador: CFM (quant aire mou) i pressió estàtica (com de bé força aquest aire a través de la resistència). Les piles d'aletes denses necessiten una pressió estàtica alta; les aletes obertes necessiten menys. RPM més alt es refreda millor, però és més fort, per això la majoria dels sistemes utilitzen control PWM per canviar la temperatura contra el soroll. A la sala d'estar o a l'oficina l'objectiu rarament és el màxim flux d'aire-és la millor relació de refrigeració-a-soroll.

Quan els tubs de calor i les cambres de vapor ajuden

Una canonada de calor mou la calor per canvi de fase: un fluid de treball s'evapora prop de l'extrem calent, viatja cap a l'extrem més fred, es condensa i torna. Això li dóna una conductivitat efectiva de diversos milers de W/m·K-molt més enllà del coure sòlid-, de manera que pot transportar la calor des d'un punt calent a una pila d'aletes més gran i millor-ventilada. Una cambra de vapor fa el mateix, però distribueix la calor en dues dimensions, la qual cosa és ideal per a matrius grans com les GPU i les CPU d'alta-potència.

Els tubs de calor no substitueixen les aletes; els alimenten. La regla general:

• Calor concentrada en una àrea petita, o calor que s'ha de traslladar lluny de la font → solen guanyar els tubs de calor.
• Molta superfície i baixa densitat de calor → un gran dissipador de calor d'aleta plana sovint és més econòmic.
• Electrònica compacta i-de gran potència → normalment es requereixen tubs de calor o cambres de vapor.

Els seus punts febles no solen ser la canonada en si, sinó les juntes de soldadura o soldadura, de manera que els proveïdors de qualitat confien en proves de fuites i inspecció de les juntes. Les canonades de calor industrials-ben fetes solen tenir una durada de desenes de milers d'hores.

Fabricació i geometria d'aletes

Com es fa un dissipador de calor estableix el seu cost, el gruix mínim de l'aleta i la densitat de superfície assolible.

Pel que fa a la geometria, les aletes rectes (plaques) donen baixa caiguda de pressió i brillen quan la direcció del flux d'aire és previsible, la qual cosa les converteix en l'opció natural per als sistemes d'-aire forçat. Les aletes de pin toleren un flux d'aire turbulent i multi-direccional, però creen més resistència, de manera que poden tenir un rendiment inferior en un flux d'aire feble. Més enllà de l'estil d'aleta, quatre paràmetres generen els resultats: l'espai de les aletes, el gruix, l'alçada i la forma de la vora-l'espai estret afegeix àrea però restringeix l'aire, les aletes més altes afegeixen àrea però augmenten la resistència i les vores arrodonides redueixen les pèrdues de turbulència.

Mida d'un dissipador de calor: l'únic càlcul que necessiteu

Cada selecció parteix de la resistència tèrmica, mesurada en grau per watt. Més baix és millor.

R_th= ΔT ÷ Potència

on ΔT és l'augment màxim de temperatura permès per sobre de l'ambient, i la potència és la calor que dissipa el component.

Exemple 1 - un mòdul incrustat de 10 W

Permetre un augment de 40 graus: R_th = 40 ÷ 10 = 4 graus /W. Un dissipador de calor passiu d'alumini-ben dissenyat pot afectar-ho en un recinte obert amb un flux d'aire decent.

Exemple 2 - una CPU d'escriptori de 95 W

Permetre un augment de 50 graus: R_th = 50 ÷ 95 ≈ 0,53 graus /W. Una part passiva necessitaria una gran superfície i un flux d'aire generós per arribar-hi, de manera que un refrigerador actiu amb un ventilador o tubs de calor és la resposta pràctica.

Com a referència, els dissipadors de calor passius solen aterrir al voltant d'1 a 5 graus /W segons la mida, mentre que els dissenys actius solen arribar a 0,1 a 1 graus /W perquè el flux d'aire forçat multiplica la convecció. Acaba sempre el control ambtemperatura màxima del component=ambient + potència × R_th, perquè un armari calent de 40 graus deixa molt menys marge que un laboratori de 25 graus.

Guia de selecció ràpida

Instal·lació, interfície tèrmica i muntatge

Fins i tot un excel·lent dissipador de calor falla amb una mala junta tèrmica. El camí fa xip → material de la interfície tèrmica → base → aletes → aire, i cada enllaç afegeix resistència.

• Pasta tèrmicaomple els buits microscòpics; apliqueu una capa fina i uniforme sobre una superfície neta-molt és tan dolent com massa poc.
• Coixinets tèrmicsmanejar superfícies irregulars i proporcionar aïllament elèctric, a costa d'una major resistència quan és gruixut.
• Materials de canvi de fase-suavitza en servei i sovint aguanta millor que el greix durant molts cicles tèrmics.

Els mètodes de muntatge habituals-clips de molla,-cargols controlats de parell, suports o adhesiu tèrmic-tots tenen com a objectiu una pressió correcta i constant. Els cargols de molla-són populars perquè mantenen la força de subjecció durant els cicles d'expansió. Premeu massa-i correu el risc de trencar el paquet; sota-estrènyer i posar-se en contacte amb la resistència puja.

Fiabilitat i manteniment

Aquí és on la refrigeració passiva té una clara avantatge: sense peces mòbils, els seus únics modes d'envelliment reals són la degradació de la interfície, la corrosió, l'acumulació de pols i la fatiga del muntatge. Un dissipador de calor d'alumini so pot servir durant una dècada o més.

La refrigeració activa afegeix punts de fallada-desgast dels coixinets del ventilador, avaries del motor, bloqueig de pols i fallades del controlador. La vida útil típica del ventilador oscil·la entre unes 20.000 i 40.000 hores per als coixinets de màniga fins a les 70.000 i les 150.000 hores per als ventiladors de doble-bola industrial (50.000 hores són aproximadament 5,7 anys d'ús continu). En entorns polsosos, netegeu les aletes i les fulles cada 6-12 mesos, ja que la pols acumulada pot augmentar la resistència tèrmica entre un 20 i un 50 % i sufocar el flux d'aire. Per a sistemes 24/7 o de missió-crítica, els ventiladors redundants o-canviables en calent i un disseny híbrid-aletes passives grans amb un-ventilador de baixa velocitat que només gira sota la càrrega màxima-sovint ofereixen la millor combinació de silenci, fiabilitat i capacitat.

Un marc de selecció senzill

1. Calcula la potència calorífica en watts.
2. Establiu l'augment de temperatura màxim permès.
3. Calculeu la resistència tèrmica requerida.
4. Comproveu l'espai disponible i les limitacions de muntatge.
5. Avaluar el flux d'aire del recinte i els límits de soroll.
6. Trieu passiu, actiu o híbrid-i després valideu-lo amb proves tèrmiques reals, no només amb especificacions-a l'aire lliure.
7.  

Conclusió

No hi ha un "millor" dissipador de calor-només l'adequat per als vostres objectius de potència, espai, flux d'aire, soroll i fiabilitat. Els dissenys passius guanyen en silenci i longevitat a càrregues baixes a moderades; els dissenys actius i híbrids desbloquegen les altes densitats de calor dels processadors moderns; i les canonades de calor o les cambres de vapor cobreixen la bretxa quan la calor es concentra o s'ha de moure. Comenceu des de les matemàtiques de -resistència tèrmica, respecteu fins a quin punt difereix el vostre recinte real d'un banc de proves i l'elecció normalment es fa per si mateixa.

Preguntes freqüents

Quins són els dos tipus principals de dissipadors de calor?

Passiu i actiu. Els dissipadors de calor passius es basen en la convecció i la radiació naturals sense parts mòbils; Els dissipadors de calor actius afegeixen un ventilador (i sovint tubs de calor) per forçar el flux d'aire i eliminar la calor més ràpidament.

Què és millor per a un ordinador domèstic silenciós o dispositiu multimèdia?

Per a sistemes silenciosos i de baixa potència, un gran dissipador de calor passiu és ideal. Per obtenir un rendiment més alt, un híbrid amb un ventilador-gran i lent que gira normalment ofereix un millor equilibri entre la refrigeració-a-soroll que la refrigeració passiva pura.

Com es comparen els dissipadors de calor d'alumini i coure?

El coure condueix la calor gairebé el doble que l'alumini, però és aproximadament tres vegades més pesat i més car. L'alumini guanya en cost, pes i fabricabilitat, de manera que domina els productes comercials.

Quan és suficient la refrigeració passiva?

Generalment per sota d'uns 15-20 W, especialment amb una bona orientació i un flux d'aire obert. Entre 20 i 50 W depèn de la carcassa; Normalment es necessita refrigeració activa o híbrida per sobre de 50 W.

Què és la resistència tèrmica (R_th)?

Mesura amb quina eficàcia un dissipador de calor elimina la calor, expressada com a augment de temperatura per watt (grau /W). Calculeu el requisit com a ΔT ÷ Potència; un valor més baix significa un millor refredament.

Quan he d'afegir tubs de calor o una cambra de vapor?

When the heat source is concentrated or space is tight, or when heat must be moved away before it can be dissipated. They add cost but can reduce thermal resistance substantially.