A cosa serve un dissipatore di calore?
I dissipatori di calore sono una delle forme più comuni di gestione termica nella tecnologia, nei macchinari e persino nei sistemi naturali. Questi componenti sono così onnipresenti che è facile trascurarli, anche da chi ha familiarità con la tecnologia. Esamineremo i principi di funzionamento di base dei dissipatori di calore, introdurremo le configurazioni attive e passive dei dissipatori di calore e discuteremo di come alcuni utenti implementano i dissipatori di calore nelle loro applicazioni.
Cos'è un dissipatore di calore?
Un dissipatore di calore è un componente che aumenta il flusso di calore lontano da un dispositivo caldo. Questo compito viene svolto aumentando la superficie di lavoro del dispositivo e la quantità di fluido a bassa temperatura che si muove sulla sua superficie ampliata. In base alla configurazione di ciascun dispositivo, troviamo una moltitudine di estetiche, design e capacità finali del dissipatore di calore. Nell'immagine all'inizio di questo articolo è raffigurato un dissipatore di calore ad alette diritte.
Come funziona un dissipatore di calore?
Un dissipatore di calore funziona allontanando il calore da un componente critico. Quasi tutti i dissipatori di calore svolgono questo compito in quattro passaggi fondamentali:
1. La sorgente genera calore. Questa fonte può essere qualsiasi sistema che crea calore e richiede la rimozione di tale calore per funzionare correttamente, come ad esempio:
- Meccanica
- Elettrica
- Chimico
- Nucleare
- Solare
- Attrito
2. Il calore si allontana dalla fonte. Anche i tubi di calore possono facilitare questo processo, ma tratteremo questi componenti separatamente. Nelle applicazioni a contatto diretto con il dissipatore di calore, il calore si sposta verso il dissipatore di calore e si allontana dalla sorgente tramite conduzione naturale. La conduttività termica del materiale del dissipatore di calore ha un impatto diretto su questo processo. Ecco perché i materiali ad alta conduttività termica, come rame e alluminio, sono i più comuni nella costruzione dei dissipatori di calore.
3. Il calore si distribuisce attraverso il dissipatore di calore. Il calore attraversa il dissipatore per conduzione naturale, spostandosi lungo il gradiente termico da un ambiente ad alta temperatura a uno a bassa temperatura. Ciò significa che il profilo termico del dissipatore di calore non è uniforme. Pertanto, i dissipatori di calore sono spesso più caldi verso la fonte e più freddi verso le estremità.
4. Il calore si allontana dal dissipatore di calore. Questo processo si basa sul gradiente di temperatura del dissipatore di calore e sul relativo fluido agente, in genere l'aria o un liquido non elettroconduttivo. Il fluido agente passa sulla superficie del dissipatore di calore caldo e utilizza la diffusione termica e la convezione per trasferire il calore dalla superficie all'ambiente circostante. Anche in questa fase viene sfruttato un gradiente di temperatura per rimuovere il calore dal dissipatore. Pertanto, se la temperatura ambiente non è più bassa di quella del dissipatore di calore, non si verifica alcuna convezione e conseguente rimozione del calore. Questa è anche la fase in cui si esprime tutto il vantaggio della superficie totale del dissipatore di calore. Un'ampia superficie fornisce una maggiore area su cui possono verificarsi diffusione termica e convezione.
Confronto tra dissipatori di calore attivi e passivi
I dissipatori di calore sono più comunemente utilizzati in configurazioni attive, passive o ibride.
- I dissipatori di calore passivi si basano sulla convezione naturale, vale a dire che la sola spinta idrostatica dell'aria calda determina il flusso d'aria generato nel sistema di dissipazione del calore. Questi sistemi risultano vantaggiosi perché non hanno bisogno di sistemi di alimentazione o di controllo secondari per rimuovere il calore. Tuttavia, i dissipatori di calore passivi sono meno efficaci nella rimozione di calore da un sistema rispetto a quelli attivi.
- I dissipatori di calore attivi utilizzano la ventilazione forzata per incrementare il flusso del fluido nell'area calda. La ventilazione forzata proviene in genere da una ventola, un compressore o persino dal movimento dell'intero oggetto, ad esempio nel caso del motore di una motocicletta, che viene raffreddato dall'aria che passa lungo le alette del dissipatore di calore integrate nel motore. Un esempio di ventola che produce ventilazione forzata in un dissipatore di calore è quello della ventola del PC, che si attiva quando il computer si riscalda. La ventola spinge l'aria all'interno del dissipatore di calore. Questo favorisce il passaggio di una maggiore quantità di aria non riscaldata sulla superficie del dissipatore, aumenta il gradiente termico totale del sistema di dissipazione e consente l'uscita di una maggiore quantità di calore dall'intero sistema.
- I dissipatori di calore ibridi combinano alcuni aspetti dei dissipatori passivi e di quelli attivi. Queste configurazioni sono meno comuni e spesso si basano su sistemi di controllo per raffreddare il sistema in base ai requisiti di temperatura. Quando il sistema funziona a livelli più freddi, la fonte di aria forzata è inattiva e raffredda solo passivamente il sistema. Quando la fonte raggiunge temperature più elevate, il meccanismo di raffreddamento attivo si attiva per aumentare la capacità di raffreddamento del sistema del dissipazione del calore.
Dissipatori di calore più diffusi
Come già detto, i dissipatori di calore si trovano più comunemente nelle CPU dei computer. Il modulo Jetson Nano, ad esempio, è dotato di un dissipatore di calore di grandi dimensioni per raffreddare la CPU ARM A57 quad-core e la GPU NVIDIA Maxwell a 128 core integrate, entrambe le quali generano grandi quantità di calore e richiedono prestazioni di raffreddamento eccezionali per evitare il throttling termico.
Sono disponibili dissipatori di calore in stock per il raffreddamento di chip delle dimensioni più diffuse. Alcuni dissipatori di calore vengono realizzati su misura per gestire al meglio i carichi termici di un chip o un dispositivo specifico. Scopri subito i dissipatori di calore per la gestione termica di Boyd Corporation, i dissipatori di calore per la gestione termica di Advanced Thermal Solutions e i dissipatori di calore per la gestione termica di Same Sky (formerly CUI Devices).
