Cos'è un dissipatore di calore e come funziona?

Jul 16, 2023

I moderni dispositivi elettronici sono caldi. Ecco come i dissipatori di calore li mantengono freschi affinché possiamo usarli.

Il surriscaldamento è problematico per i tuoi dispositivi; ecco perché la rimozione del calore è vitale per controllare la temperatura di dispositivi elettronici o fonti di calore simili.

I dissipatori di calore vengono utilizzati nei dispositivi elettronici per dissipare l'energia termica nell'ambiente e per raffreddare i dispositivi. Ma cos’è esattamente un dissipatore di calore e come funziona?

Nell’era moderna siamo circondati da sistemi elettronici e gadget. Da un chip a microprocessore a una stazione ricetrasmittente base (BTS) per sistemi di comunicazione mobile, i prodotti elettronici necessitano di energia elettrica per funzionare.

Mentre una parte di questa energia viene utilizzata per il funzionamento del dispositivo, il resto viene dissipato (a seconda dell’efficienza del dispositivo), principalmente sotto forma di calore.

Tuttavia, a causa della miniaturizzazione dei dispositivi, i dispositivi elettronici non possono accumulare calore e devono dissipare questa energia termica nell'ambiente. A questo scopo vengono spesso utilizzati dissipatori di calore.

Un dissipatore di calore è una parte applicata a un dispositivo elettronico caldo per assorbirne il calore attraverso la conduzione e quindi rilasciare questa energia nell'ambiente attraverso convezione e irraggiamento. Una struttura comune di un dissipatore di calore è la seguente:

I dispositivi elettronici sono progettati in modo tale da utilizzare un'interfaccia minima e materiali termicamente conduttivi per collegare una fonte di generazione di calore e un dissipatore di calore in modo che il calore non possa accumularsi all'interno del dispositivo. I dissipatori di calore sono progettati in modo da fornire un percorso a bassa resistenza termica ai dispositivi per la rimozione del calore.

I dissipatori di calore sono realizzati con materiali termicamente conduttivi, più comunemente alluminio (conduttività termica: 237 W/m K). L'alluminio è un metallo a basso costo rispetto ad altri materiali termicamente conduttivi come argento e oro.

Il calore proveniente da un involucro elettronico relativamente piccolo viene assorbito da una piastra metallica piatta per conduzione. La conduzione viene spesso facilitata applicando una pasta termica tra l'involucro esterno del dispositivo elettronico e il dissipatore di calore. Ciò garantisce un corretto contatto fisico con la pasta ad alta conduttività termica.

Il calore proveniente da un involucro elettronico relativamente più piccolo è destinato a diffondersi sulla superficie più grande del dissipatore di calore attraverso la conduzione.

Tuttavia, l'energia termica subisce una resistenza termica diffusa quando una superficie minore della fonte di calore entra in contatto fisico con una superficie maggiore del dissipatore di calore. Ecco perché è importante controllare la resistenza alla diffusione scegliendo lo spessore di contatto adeguato della piastra di base del dissipatore di calore.

Un dissipatore di calore con resistenza di diffusione minima assicura che il calore sia distribuito quasi uniformemente sulla piastra di base e sulle alette. Pertanto, la superficie del dissipatore di calore viene utilizzata in modo efficiente. Tuttavia, il calcolo della resistenza alla diffusione non rientra nell'ambito di questo articolo.

Sull'altro lato della piastra di base del dissipatore di calore vengono utilizzate numerose alette metalliche per fornire una maggiore superficie per la convezione termica del calore. Le alette non sono posizionate troppo vicine tra loro poiché ciò può ostacolare la capacità del fluido, ovvero dell'aria, nella maggior parte dei casi, di fluire liberamente tra le alette per dissipare il calore.

Il calore distribuito uniformemente alla base del dissipatore di calore utilizza l'intera superficie fornita dalle alette per diffondere calore nell'aria ambiente utilizzando la convezione naturale o la convezione forzata dell'aria.

La convezione naturale è un processo in cui l'aria ambiente trasporta l'energia termica dalle alette del dissipatore di calore utilizzando il flusso naturale del fluido, ovvero senza applicare pressione attraverso una fonte esterna. In questo processo, il flusso o la velocità delle molecole del fluido è lento.

Nel metodo della convezione forzata per lo scambio di calore, viene utilizzato un ventilatore o un ventilatore per aumentare la velocità del flusso del fluido attraverso la superficie sulle alette del dissipatore di calore. È possibile utilizzare una ventola DC o PWM.

L'aumento del flusso d'aria comporta una maggiore dissipazione del calore dal dissipatore di calore. Di solito, la convezione forzata viene utilizzata nei casi in cui è necessaria la rimozione di una grande quantità di energia termica o in un progetto in cui è richiesto un dissipatore di calore più piccolo.