À quoi sert un dissipateur thermique ?
Les dissipateurs thermiques sont l’une des formes les plus courantes de gestion thermique dans la technologie, les machines et même dans les systèmes naturels. Ces composants sont si omniprésents qu’ils sont faciles à négliger, même par ceux qui connaissent la technologie. Nous aborderons les principes de fonctionnement de base impliqués dans les dissipateurs thermiques, présenterons les configurations de dissipateurs thermiques actifs et passifs et discuterons de la manière dont certains utilisateurs implémentent les dissipateurs thermiques dans leurs applications.
Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique ?
Un dissipateur thermique est un composant qui augmente le flux de chaleur loin d'un appareil chaud. Il accomplit cette tâche en augmentant la surface de travail de l'appareil et la quantité de fluide à basse température qui se déplace sur sa surface agrandie. En fonction de la configuration de chaque appareil, nous trouvons une multitude d'apparences, de conceptions et de performances maximales de dissipateur thermique. Vous pouvez voir un dissipateur thermique à ailettes droites dans l’image en haut de cet article.
Comment fonctionne un dissipateur thermique ?
Un dissipateur thermique fonctionne en éloignant la chaleur d’un composant critique. Presque tous les dissipateurs thermiques accomplissent cette tâche en quatre étapes de base :
1. La source génère de la chaleur. Cette source peut être n’importe quel système qui crée de la chaleur et nécessite l’évacuation de cette chaleur pour fonctionner correctement, comme :
- Mécanique
- Électricité
- Chimique
- Nucléaire
- Énergie solaire
- Friction
2. La chaleur est transférée loin de la source. Les caloducs peuvent également contribuer à ce processus, mais nous aborderons ces composants séparément. Dans les applications à contact direct avec le dissipateur thermique, la chaleur se déplace vers le dissipateur thermique et s'éloigne de la source par conduction naturelle. La conductivité thermique du matériau du dissipateur thermique a un impact direct sur ce processus. C'est pourquoi les matériaux à haute conductivité thermique tels que le cuivre et l'aluminium sont les plus courants dans la construction des dissipateurs thermiques.
3. La chaleur se répartit dans tout le dissipateur thermique. La chaleur se propage naturellement à travers le dissipateur thermique par conduction naturelle, se déplaçant à travers le gradient thermique d'un environnement à haute température vers un environnement à basse température. Cela signifie en fin de compte que le profil thermique du dissipateur thermique ne sera pas uniforme. Ainsi, les dissipateurs thermiques seront souvent plus chauds vers la source et plus froids vers les extrémités du dissipateur.
4. La chaleur s’éloigne du dissipateur thermique. Ce processus repose sur le gradient de température du dissipateur thermique et sur son fluide de travail, le plus souvent de l'air ou un liquide non conducteur d'électricité. Le fluide de travail traverse la surface du dissipateur thermique chaud et utilise la diffusion thermique et la convection pour évacuer la chaleur de la surface et dans l'environnement ambiant. Cette étape repose, encore une fois, sur un gradient de température pour évacuer la chaleur du dissipateur thermique. Par conséquent, si la température ambiante n’est pas plus froide que celle du dissipateur thermique, aucune convection ni évacuation ultérieure de la chaleur ne se produiront. C'est également à cette étape que la surface totale du dissipateur thermique devient la plus avantageuse. Une grande surface offre une surface accrue pour la diffusion thermique et la convection.
Dissipateurs thermiques actifs vs. dissipateurs thermiques passifs
Les dissipateurs thermiques sont le plus souvent utilisés dans des configurations actives, passives ou hybrides.
- Les dissipateurs thermiques passifs s'appuient sur la convection naturelle, ce qui signifie que la flottabilité de l'air chaud à elle seule provoque le flux d'air généré à travers le système de dissipateur thermique. Ces systèmes sont avantageux car ils ne nécessitent pas d’alimentation secondaire ni de systèmes de contrôle pour évacuer la chaleur du système. Cependant, les dissipateurs thermiques passifs sont moins efficaces pour transférer la chaleur d’un système que les dissipateurs thermiques actifs.
- Les dissipateurs thermiques actifs utilisent l'air forcé pour augmenter le flux de fluide dans la zone chaude. L'air forcé est le plus souvent généré par un ventilateur, un souffleur ou même le mouvement de l'objet entier, comme le moteur d'une moto refroidi par l'air passant le long des ailettes du dissipateur thermique conçues dans le moteur. Un exemple de ventilateur produisant de l'air forcé à travers un dissipateur thermique est le ventilateur de votre ordinateur personnel qui s'allume une fois que votre ordinateur est chaud. Le ventilateur force l'air à travers le dissipateur thermique, ce qui permet à davantage d'air non chauffé de se déplacer sur la surface du dissipateur thermique, augmentant ainsi le gradient thermique total à travers le système de dissipateur thermique et permettant à davantage de chaleur de sortir du système global.
- Les dissipateurs thermiques hybrides combinent certains aspects des dissipateurs thermiques passifs et actifs. Ces configurations sont moins courantes et s’appuient souvent sur des systèmes de contrôle pour refroidir le système en fonction des exigences de température. Lorsque le système fonctionne à des niveaux plus froids, la source d’air pulsé est inactive et refroidit uniquement le système de manière passive. Une fois que la source atteint des températures plus élevées, le mécanisme de refroidissement actif s'enclenche pour augmenter la capacité de refroidissement du système de dissipateur thermique.
Dissipateurs thermiques populaires
Comme nous l’avons mentionné, les dissipateurs thermiques se trouvent le plus souvent dans les processeurs des ordinateurs. Par exemple, le Jetson Nano dispose d'un grand dissipateur thermique pour aider à refroidir le processeur ARM A57 quadricœur intégré et le GPU NVIDIA Maxwell 128 cœurs, qui génèrent tous deux de grandes quantités de chaleur et nécessitent un refroidissement exceptionnel pour éviter la limitation thermique.
Vous pouvez trouver des dissipateurs thermiques de série pour refroidir la plupart des tailles de puces courantes. Certains dissipateurs thermiques sont conçus sur mesure pour gérer au mieux les charges thermiques d'une puce ou d'un appareil spécifique. Découvrez les dissipateurs thermiques de gestion thermique Boyd Corporation, les dissipateurs thermiques de gestion thermique Advanced Thermal Solutions et les dissipateurs thermiques de gestion thermique Same Sky (formerly CUI Devices) aujourd'hui.
