Disperdere il calore per migliorare l’efficienza: i dissipatori

Un dissipatore di calore Ha lo scopo di scambiare e trasferire il calore. Generalmente in metallo, esso rilascia energia sotto forma di calore, per dissiparlo a un fluido circostante, al fine di evitare il surriscaldamento del dispositivo a cui è collegato. Il dispositivo da raffreddare trasferisce il calore al dissipatore di calore per conduzione e questo, a sua volta, lo trasferisce al fluido per convezione. Solitamente il fluido circostante è rappresentato dall’aria. L’articolo presenta soluzioni e innovazioni su tale argomentazione.

Introduzione

I componenti elettronici, durante il loro funzionamento, producono inevitabilmente calore, che viene sprecato in energia inutilizzata. A volte producono molto calore. Per molti componenti e batterie, la temperatura deve essere tenuta sotto controllo, pena un decadimento delle prestazioni o, addirittura, la loro distruzione. Il funzionamento a freddo è sempre da preferire e i progettisti adottano diversi accorgimenti per abbassare i valori di calore. Nella maggior parte delle applicazioni elettroniche la temperatura è un fattore da tenere costantemente sott’occhio nella progettazione del sistema. Le perdite di commutazione e di conduzione possono riscaldare il materiale di giunzione al di sopra della Tjmax e causare guasti, anche molto importanti. I progettisti devono, dunque, studiare il funzionamento del dispositivo in modo che la temperatura, anche in condizioni critiche, non superi la Tjmax. La temperatura di esercizio dovrebbe essere sempre mantenuta al minimo. Anche le batterie generano calore che deve essere assolutamente dissipato. Una batteria è composta da celle che riescono a erogare una certa quantità di energia. La produzione di calore è, pertanto, inevitabile. Le reazioni chimiche che avvengono all’interno sono esotermiche, pertanto il calore che emette una batteria è proporzionale alla sua potenza. La dissipazione del calore di una batteria non è fine a se stessa ma serve per diversi scopi:

  • limitare il decadimento e l’obsolescenza dei componenti;
  • aumentare la quantità di energia che può essere generata dalla batteria.

Negli anni, i passi in avanti sono stati importanti, sia per quanto riguarda l’adozione di nuovi materiali termicamente conduttivi adottati che per le variegate forme e dimensioni dei dissipatori, agevolati anche grazie all’utilizzo di software di simulazione che prevedono la combinazione di tanti parametri fisici ed elettrici, per un miglior dimensionamento possibile. Il mercato offre decine di tipologie diverse di dissipatori: profili saldati, dissipatori standard, dissipatori di calore ad alta efficienza e assemblati vengono scelti dai progettisti per la realizzazione di circuiti di ricarica ad alta efficienza e per risolvere le problematiche del caso.

Dissipazione e resistenza termica

La gestione termica dovrebbe essere effettuata immediatamente, in fase di progettazione della scheda, e non dopo. La maggior parte dei circuiti elettronici si danneggiano proprio per problemi termici. La durata di tutti i dispositivi a semiconduttore, infatti, è inversamente proporzionale alla loro temperatura di esercizio. Per un funzionamento a lunga durata occorre garantire un adeguato raffreddamento del dispositivo. Esistono 3 modalità di trasferimento del calore:

  • per conduzione;
  • per convezione;
  • per radiazione.

La conduzione è il trasferimento di energia termica su un materiale come, ad esempio, l’Alluminio. La convezione è il trasferimento di energia termica da una superficie calda a un fluido in movimento (per esempio aria, acqua, ecc.) a una temperatura inferiore. E’ la modalità di trasferimento più difficile da caratterizzare con formule ed equazioni matematiche. La radiazione è il trasferimento di energia termica sotto forma di onde elettromagnetiche. Risulta più efficiente in ambiente sottovuoto. Il calore generato all’interno del componente elettronico deve essere trasferito all’esterno, passando attraverso molti livelli. Il sistema termico formato dalla giunzione, dall’involucro del componente, dall’interfaccia termica, dal dissipatore e dall’ambiente opera come un insieme di resistenze elettriche (vedi in figura 1). In questo caso è il calore a transitare più o meno agevolmente, invece della corrente elettrica. Ogni livello contribuisce a frenare, sempre di più, il calore ed è proprio per questo motivo che i materiali scelti dovrebbero possedere la più bassa resistenza termica.

Figura 1: il calore passa attraverso delle vere e proprie resistenze termiche

Una delle formule utilizzate è quella indicata in figura 2 e serve per determinare la resistenza termica del dissipatore di calore, affinché si mantenga bassa la temperatura di giunzione del componente elettronico. I parametri da specificare sono:

  • Tj: temperatura di giunzione;
  • Tambient: temperatura ambiente;
  • P: calore dissipato dalla fonte di calore;
  • Rth-jc: resistenza termica del contenitore della giunzione;
  • Rinterface: resistenza del materiale dell’interfaccia termica.
Figura 2: formula per determinare la resistenza termica richiesta del dissipatore di calore per mantenere una determinata temperatura di giunzione specificata

Il materiale fa la differenza

I materiali con elevata conduttività termica e bassa espansione sono da preferire per la realizzazione dei dissipatori di calore. Per lo stato stazionario, tuttavia, viene osservato solo il parametro della conduttività termica. La conducibilità termica è la potenza termica che passa attraverso una superficie di area unitaria con spessore unitario, per una differenza di temperatura pari a un grado Celsius. I materiali in Alluminio e Rame sono, probabilmente, i più utilizzati nella produzione di dissipatori di calore per la loro elevata conduttività termica. La seguente tabella mostra il coefficiente k[W/m°C] per alcuni materiali, alla temperatura di 25°C:

  • Acciaio Cr 20%: 22;
  • Bronzo Cu 75%, Sn 25%: 26;
  • Piombo: 35;
  • Acciaio C 1,5%: 36;
  • Acciaio C 0,5%: 54;
  • Acciaio Cr 1%: 61;
  • Stagno: 64;
  • Platino: 70;
  • Ferro: 73;
  • Ottone Cu 70%, Zn 30%: 111;
  • Zinco: 112;
  • Alluminio: 204;
  • Rame: 386;
  • Argento: 407.

Alluminio contro Rame

L’Alluminio è il metallo più utilizzato per la realizzazione dei dissipatori di calore, ma a volte viene utilizzato anche il Rame. Esaminiamo diversi criteri di valutazione per scoprire pregi e difetti dei due materiali. Il Rame è termicamente più conduttivo dell’Alluminio, così come attesta la tabella di cui sopra. Per quanto riguarda i costi, l’Alluminio è molto più economico del Rame. Mediamente il prezzo è di circa un terzo. Scegliendo l’Alluminio estruso si ha un notevole risparmio sui costi. Anche il peso ha la sua influenza nella scelta finale. La densità dell’Alluminio è di circa il 30% di quella del Rame. Ciò si traduce in strutture di dissipazione molto leggere. La lega di Alluminio 1050A ha una conducibilità termica molto elevata ma è meccanicamente “morbida”. L’Alluminio può essere estruso, ma il Rame no. Il costo e il peso sono determinanti per la preferenza dell’Alluminio. Anche i costi di produzione e lavorazione dell’Alluminio sono nettamente inferiori. Si adotta il Rame quando la necessità di una maggiore conducibilità termica è preponderante e pone in secondo piano gli altri criteri. Esso risulta realmente utile solo se il dissipatore di calore opera in combinazione con un efficiente raffreddamento ad aria.

Centinaia di tipologie

Il mercato mette a disposizione dei progettisti decine di migliaia di tipologie diverse di dissipatori di calore (vedi figura 3). Inoltre le aziende possono creare modelli totalmente personalizzati, per materiali, forme, pesi e ingombri. Il seguente elenco mostra alcune tipologie, tenendo conto di diversi fattori:

  • passivi;
  • attivi;
  • ibridi;
  • in Alluminio;
  • in Rame;
  • solidi;
  • a liquido;
  • a due fasi;
  • estrusi;
  • incollati;
  • a pettine;
  • stampati;
  • pressati;
  • e molti altri.

A tale riguardo, la Tecnoal produce dissipatori di qualunque dimensione dettata dal cliente, per i quali l’unica dimensione fissa è l’altezza. Alcuni profili sono utilizzati come contenitori che, essendo alettati, hanno anche la funzione di dissipatori di calore.

Figura 3: esistono migliaia di tipologie di diversi tipi ed è impossibile elencarle tutte

Dissipatori in Alluminio

I dissipatori in Alluminio costituiscono i prodotti più utilizzati per le soluzioni termiche. Inoltre tale elemento è il più comune nella crosta terrestre, dopo l’ossigeno e il silicio. Le ottime sue caratteristiche ne agevolano l’adozione in maniera imponente. Esse contemplano:

  • buona conducibilità termica ed elettrica;
  • bassa densità kg/m^3;
  • basso peso;
  • eccellente resistenza alla corrosione;
  • elevata resistenza meccanica;
  • facile malleabilità;
  • semplice lavorazione;
  • facile da riciclare;
  • non è magnetico ed evita l’interferenza da campi magnetici.

Un dissipatore in Alluminio (vedi in figura 4) è un ottimo conduttore di calore. La lega A6061 (detta anche Alluminio aeronautico) ha una conduttività termica di 167 W/m-K ed è tipicamente utilizzato per i dissipatori di calore lavorati mentre la lega A6063 è normalmente utilizzata per dissipatori di calore estrusi. Sebbene le proprietà termiche siano inferiori a quelle del Rame, un dissipatore in Alluminio pesa circa la metà di un conduttore di Rame avente la stessa conduttività e risulta meno costoso.

Figura 4: dissipatori di calore in Alluminio

L’Alluminio reagisce con l’ossigeno nell’aria per formare uno strato estremamente sottile di ossido di alluminio. L’anodizzazione aumenta lo spessore dello strato di ossido e migliora la resistenza della protezione naturale dalla corrosione. La figura 5 mostra un grafico calcolato del trasferimento termico di un dissipatore quadrato in Alluminio da 1/8”. Sull’asse X è riportata l’area di un lato del dissipatore, in pollici quadrati, mentre sull’asse Y la relativa resistenza termica.

Figura 5: il grafico del trasferimento termico di un dissipatore da 1/8”

Dissipatori in Rame

I dissipatori in Rame integrale (vedi in figura 6) sono utilizzati quando i dissipatori in Alluminio risultano insufficienti per diverse applicazioni. Le alette, opportunamente dimensionate, si applicano alla base per ottenere il migliore risultato. Il Rame risulta molto più pesante e costoso dell’Alluminio pertanto questi dissipatori si dovrebbero utilizzare solo quando quelli tradizionali non riescono a soddisfare le esigenze più specifiche. SPECIAL-IND, azienda che commercializza da oltre 65 anni componentistica elettronica di aziende all’avanguardia come, ad esempio Tecnoal, è specializzata nella progettazione e lavorazione di dissipatori di calore in Alluminio, ad alta efficienza, in Rame e ad acqua.

Figura 6: i dissipatori in Rame integrale permettono una importante dissipazione di calore

Dissipatori a liquido

Esistono casi in cui il carico termico è talmente elevato da non consentire l’impiego di un dissipatore ad aria. In tutti questi casi si può ricorrere ai dissipatori a liquido. Un dissipatore ad acqua (vedi in figura 7) è composto da un piatto in Alluminio e da un sistema di canalizzazione in tubi di Rame opportunamente curvati. I tubi di Rame sono incastrati senza l’impiego di collanti, che frenerebbero l’azione dissipante. Tali dissipatori possono essere utilizzati anche con le batterie agli ioni di litio, e non solo nei circuiti elettrici.

Figura 7: un tipico dissipatore a liquido

Un esempio di dati dinamici di un tipico dissipatore a liquido potrebbe prevedere i seguenti valori:

  • portata: 10 litri al minuto;
  • temperatura dell’acqua in ingresso: 16° C;
  • temperatura dell’acqua in uscita: 22° C;
  • potenza dissipata: 2700 W;
  • temperatura alla superficie: 37° C;
  • resistenza termica: 0,0077°C/W.

Alcuni dissipatore a liquido sono corredati di “fori profondi”, che sono opportuni fori longitudinali nei quali scorre un liquido refrigerante. Per queste tipologie di dissipatori sono esaminati diversi parametri operativi come, ad esempio, le diverse velocità del flusso refrigerante e le sue temperature d’ingresso. Molti ricercatori hanno dimostrato che il raffreddamento a liquido è uno dei metodi di raffreddamento più promettenti rispetto a quello ad aria, sebbene quest’ultimo abbia diversi vantaggi in termini di costi di produzione, di spazio occupato, di complessità della struttura e così via.

Dissipatori a pettine

I profili a pettine (vedi in figura 8) sono i più diffusi dissipatori per le applicazioni elettroniche. A volte è possibile rifilare o saldare insieme diversi elementi al fine di ottenere profili con dimensioni diverse.

Figura 8: alcuni esempi di dissipatori a pettine

Dissipatori per PCB per alte temperature

Nei casi in cui occorre disperdere il calore dei dispositivi ad alta temperatura è possibile utilizzare dissipatori speciali con ventole integrate (fansink).

Dissipazione del calore delle batterie

Per quanto riguarda le batterie agli ioni di Litio, la loro temperatura interna non deve superare gli 80-90° C. Il calore generato al suo interno, per via delle reazioni chimiche, deve essere dissipato per allungare la sua vita media e aumentare la quantità di energia. Per i materiali utilizzati, in via generale, occorre ricordare che un buon isolante elettrico raramente è un eccellente conduttore termico. La scelta di materiali segue, dunque, un compromesso tra proprietà dielettriche, classe termica, costo e caratteristiche meccaniche. Tra le tecniche utilizzate si possono elencare i film termicamente conduttivi, i nastri adesivi termici o nastri termoadesivi, le pastiglie termiche e i mastici e le paste termiche. Esistono anche conduttori termici in forma liquida, i “gap fillers”, utilizzati per riempire spazi vuoti. Essi eliminano le bolle d’aria che costituiscono ottimi isolanti termici.

Conclusioni

Le batterie dei veicoli elettrici generano inevitabilmente calore. Esso può essere dissipato utilizzando pellicole, nastri adesivi, tamponi, mastici termici e anche prodotti liquidi. Un dissipatore di calore dovrebbe possedere una resistenza termica inferiore al valore di progettazione. Questo garantirebbe la dissipazione del calore richiesta. Oggi esistono migliaia di modelli differenti di dissipatori e gli utenti possono richiedere alle aziende qualsiasi altra tipologia di forma e di dimensione. Grazie ai complessi software di simulazione esistenti (vedi esempio in figura 10), è possibile realizzare virtualmente dei modelli preliminari di dissipatori, senza realizzare fisicamente il prototipo, con conseguente risparmio di tempo e di denaro.

Figura 10: simulazione termica di un dissipatore a pettine

Link:

www.specialind.it/it/aree-tematiche/potenza

www.specialind.it/it/fornitore/jamicon

www.specialind.it/it/fornitore/tecnoal

Redazione Fare Elettronica