Los conceptos básicos de los disipadores de calor:¿cómo funcionan?

No es necesario ser un graduado del MIT para saber que los dispositivos electrónicos y las máquinas generan calor cuando están en funcionamiento. Cuando no se supervisa, esta situación puede hacer que el dispositivo se sobrecaliente rápidamente y no funcione correctamente. Entonces, a menos que reaccione lo suficientemente rápido, este mal funcionamiento puede provocar daños permanentes.

Para evitar el sobrecalentamiento, la mayoría de los dispositivos incorporan disipadores de calor, componentes responsables de la gestión del calor dentro del dispositivo. Funcionan disipando el calor de áreas vitales de la máquina o un dispositivo, como la unidad central de procesamiento (CPU), manteniéndolo fresco y en funcionamiento.

Curiosamente, si bien desempeñan un papel fundamental para que sus dispositivos electrónicos funcionen correctamente, los disipadores de calor a menudo se pasan por alto, probablemente debido a su tamaño bastante pequeño. Si desea obtener más información sobre estos componentes milagrosos, esta guía le brindará toda la información esencial que necesita para comprender qué son los disipadores de calor y cómo funcionan.

Vamos a hundirnos (juego de palabras intencionado).

¿Qué es un disipador de calor?

Comencemos explicando con más detalle qué es un disipador de calor. En términos simples, es un componente que funciona como un intercambiador de calor pasivo, regulando la temperatura de un dispositivo mecánico o electrónico.

Lo hace aumentando el área de superficie de trabajo del dispositivo, transfiriendo el calor de un componente generador de calor a un fluido de baja temperatura. De esta manera, el calor se disipa lejos del dispositivo, asegurando que funcione sin sobrecalentamiento.

Debido a sus fantásticas propiedades de enfriamiento, los disipadores de calor se utilizan en numerosas industrias, incluido el mecanizado CNC. Por lo general, se usan para enfriar los componentes de la computadora (por lo general, una CPU y una GPU) y transistores de potencia o láseres.

¿Cómo se construyen los disipadores de calor?

La necesidad de un área de superficie más grande afecta significativamente la forma en que se construyen los disipadores de calor. Un disipador de calor típico consta de una base conectada a aletas o clavijas muy estrechas. De esa forma, los disipadores de calor pueden ocupar la mayor superficie posible en un volumen específico.

Sin embargo, el tamaño y la forma de las aletas varían entre los diferentes disipadores de calor. Además, tienen un impacto significativo en el rendimiento del disipador de calor. Podemos distinguir entre:

• Disipadores de calor tipo clavija. Dichos disipadores de calor tienen pasadores que se extienden desde su base. Vienen con el área de superficie más grande entre los diferentes tipos de disipadores de calor y funcionan mejor en casos de bajo flujo de aire. Los pasadores suelen tener forma cilíndrica, elíptica o cuadrada.
• Disipadores de calor con aletas de placa. Un disipador de calor con aletas de placa tiene aletas rectangulares que se extienden desde su base. Dichos disipadores de calor son más comunes que los sistemas pin-fin y funcionan mejor con flujo de aire unidireccional.
• Disipadores de calor con aletas acampanadas. Los sistemas de aletas acampanadas son una variación de los disipadores de calor de aletas de placas. Tienen una disposición de aletas acampanadas (de ahí el nombre) que disminuye la resistencia al flujo.

Algunos disipadores de calor también tienen ventiladores y sopladores adjuntos. Estos se denominan disipadores de calor activos. Hablaremos más sobre ellos más adelante en el artículo.

¿Cómo funciona un disipador de calor?

Los disipadores de calor utilizan un conductor térmico que extrae el calor de la fuente de calor y lo atrae hacia su superficie, que luego entra en contacto con el aire o el fluido de refrigeración. Todo el proceso consta de cuatro pasos básicos:

1. La fuente genera calor. La fuente puede ser cualquier sistema que genere calor cuando esté en funcionamiento y requiera refrigeración para su correcto funcionamiento. Puede ser un sistema mecánico, eléctrico, químico, nuclear, solar o de fricción.
2. El calor se transfiere lejos de la fuente. A través de la conducción natural, el calor se mueve hacia el disipador de calor y se aleja de la fuente. Este proceso está directamente asociado con la conductividad térmica del material del disipador de calor. Esa es la razón por la cual materiales como el aluminio o el cobre se utilizan a menudo para construir disipadores de calor. Tienen propiedades de alta conductividad térmica.
3. El calor se distribuye por todo el disipador de calor. Luego, el calor viajará a través del disipador de calor, moviéndose de un ambiente de alta temperatura a uno de baja temperatura. Lo que significa para el disipador de calor es que su perfil de calor no será consistente. Por lo tanto, los disipadores de calor suelen estar más calientes hacia la fuente y más fríos hacia sus extremos.
4. El disipador de calor aleja el calor. El paso final implica que el calor se aleje del disipador de calor. Depende en gran medida del gradiente de temperatura del fregadero y de su líquido refrigerante (normalmente, aire o líquido conductor de electricidad). El fluido pasa a través de la superficie del disipador de calor y elimina el calor hacia el entorno circundante mediante la difusión térmica y la convección. Lo que es importante tener en cuenta aquí es que si la temperatura ambiente no es más fría que el disipador de calor, el disipador no eliminará el calor.

Los diferentes tipos de disipadores de calor

Cuando hablamos de disipadores de calor, diferenciamos tres tipos básicos de disipadores de calor:pasivos, activos e híbridos. Más sobre ellos a continuación.

Disipadores de calor pasivos

Los disipadores de calor pasivos se basan en la convección natural. Eso significa que es solo la flotabilidad del aire caliente lo que genera un flujo de aire a través de la superficie del disipador de calor. Por eso, los disipadores de calor pasivos no requieren energía secundaria o sistemas de control cuando eliminan el calor. Por otro lado, no son tan eficientes y efectivos en la transferencia de calor de un sistema como los disipadores de calor activos.

Disipadores de calor activos

A diferencia de los disipadores de calor pasivos, los disipadores de calor activos no se basan únicamente en la convección natural. Usan aire forzado para aumentar el flujo de fluido a través del área calentada. Lo hacen usando un ventilador, un soplador o el movimiento de un objeto completo.

Un ejemplo típico de cómo funciona un disipador de calor activo es el ventilador de su PC que se enciende cuando su computadora comienza a calentarse. El ventilador hace que el aire fluya a través del disipador de calor, lo que permite que el aire sin calentar se mueva por su superficie. Debido a eso, el gradiente térmico total en todo el sistema del disipador de calor aumenta, eliminando más calor del dispositivo.

Disipadores de calor híbridos

Como sugiere el nombre, los disipadores de calor híbridos combinan las propiedades de los sistemas de disipadores de calor pasivos y activos. Curiosamente, los sistemas híbridos no son tan populares como los disipadores de calor pasivos o activos. También suelen depender de sistemas de control dedicados para enfriar el dispositivo según los requisitos de temperatura específicos.

Cuando el sistema funciona a niveles de temperatura más fríos, la fuente de aire forzado (un ventilador o soplador) permanece inactiva, enfriando el sistema de forma pasiva. El sistema activo comienza a funcionar solo cuando el dispositivo comienza a alcanzar temperaturas más altas, lo que aumenta la capacidad de enfriamiento del disipador de calor en el proceso.

¿Qué materiales se utilizan para fabricar disipadores de calor?

Como se dijo, el material del disipador de calor debe proporcionar conductividad térmica natural. Es por eso que los disipadores de calor generalmente se fabrican con aluminio o cobre, y el material se determina según la aplicación, la intensidad del calor, el método de producción y el presupuesto.

• Aluminio. Por lo general, los fabricantes de disipadores de calor usan aluminio 1050, 6060, 6061 o 6063. El primero es muy conductivo térmicamente pero carece de resistencia, mientras que los tres restantes son menos conductivos pero ofrecen propiedades mecánicas más sólidas. En cuanto a la rentabilidad, los disipadores de calor más asequibles se fabrican con aleación de aluminio.
• Cobre. El cobre proporciona una excelente conductividad térmica. De hecho, es dos veces más propicio que el aluminio. Además, es resistente a la corrosión, resistente a los antimicrobianos y ofrece otras propiedades deseables. Es por eso que los disipadores de calor de cobre se consideran de gama alta, ya que son más caros que los disipadores de calor de aluminio y, en general, son más difíciles de fabricar.

¿Cómo se fabrican los disipadores de calor?

La fabricación de disipadores de calor implica varios procesos y tecnologías de producción, como la extrusión de aluminio, la fundición a presión o el fresado CNC. Por lo general, se fabrican utilizando:

• Fresado. El fresado es el proceso sustractivo de cortar material de una pieza de trabajo en blanco. También es una forma económica de producir disipadores de calor más rápido.
• Extrusión. Es el proceso de forzar palanquillas de metal caliente a través de un troquel de acero. La extrusión es la forma más común de fabricar disipadores de calor, ya que se considera rápida, eficaz y, por lo tanto, más económica.
• Reparto. La fundición implica verter metal fundido en un molde y es otra forma popular de fabricar disipadores de calor de cobre y aluminio. Dichos disipadores de calor tienen un mayor nivel de complejidad y proporcionan propiedades mecánicas mejoradas.
• Recorte. También conocido como biselado, el biselado es un proceso de corte de material en rodajas. El biselado se usa generalmente cuando se producen disipadores de calor con aletas planas y aletas acampanadas, lo que ofrece una colocación de aletas más delgada y precisa.
• Impresión 3D. Los disipadores de calor impresos en 3D se han convertido en una alternativa viable a sus homólogos producidos tradicionalmente. La razón principal de esto es el avance reciente en la fabricación aditiva de cobre, que ha hecho que la impresión 3D sea un método más asequible para fabricar disipadores de calor.

¿Qué factores afectan el rendimiento del disipador de calor?

Varios factores pueden afectar el rendimiento de un disipador de calor y si puede disipar el calor de manera efectiva de un componente en particular (por ejemplo, una CPU o GPU). Estas variables son:

• El tamaño del disipador de calor,
• La conductividad térmica del material del disipador de calor (aluminio frente a cobre),
• La forma, el volumen y la disposición de las aletas,
• La tasa de flujo de aire,
• El tamaño de los conductos entre las aletas.

El rendimiento también puede depender del tipo de disipador de calor. Los disipadores de calor activos se consideran más efectivos, por lo que generalmente se usan en dispositivos que requieren un enfriamiento más rápido.

Conclusiones clave

Con suerte, después de leer nuestra guía, comprenderá mejor la importancia de los disipadores de calor y cómo funcionan. Pueden ser de tamaño pequeño, pero su impacto en el rendimiento de un dispositivo eléctrico o mecánico es increíble, evitando que se sobrecalienten y asegurando que funcionen al más alto nivel posible.