Seis métodos de resfriamento para dispositivos eletrônicos

Com o rápido desenvolvimento de tecnologias de circuitos integrados de alta frequência e alta velocidade, a densidade de potência total dos componentes eletrônicos aumentou consideravelmente, enquanto seu tamanho físico continua a diminuir, resultando em maior densidade de fluxo de calor. Altas temperaturas afetam inevitavelmente o desempenho dos componentes eletrônicos, tornando o controle térmico eficiente essencial. Portanto, solucionar o problema da dissipação de calor em dispositivos eletrônicos tornou-se um foco crucial. Este artigo apresenta uma breve análise dos métodos de dissipação de calor para componentes eletrônicos.

O resfriamento eficiente de componentes eletrônicos é influenciado pelos princípios da transferência de calor e da mecânica dos fluidos. Resfriar dispositivos elétricos significa controlar a temperatura de operação dos equipamentos eletrônicos para garantir estabilidade e segurança, envolvendo dissipação de calor, materiais e outros fatores. Atualmente, os principais métodos de resfriamento incluem resfriamento natural, resfriamento forçado, resfriamento líquido, refrigeração, condução térmica e tecnologia de tubos de calor.

1. Método de resfriamento natural

O resfriamento natural ocorre em condições naturais, sem energia auxiliar externa, utilizando condução, convecção e radiação para dissipar o calor dos componentes para o ambiente circundante. Dentre esses mecanismos, a convecção natural é o mais comumente aplicado.

Este método é usado principalmente para dispositivos de baixa potência com baixos requisitos de controle de temperatura e baixa densidade de fluxo de calor. Também pode ser aplicado a dispositivos selados ou densamente montados quando nenhuma tecnologia de resfriamento adicional for necessária.

Quando os requisitos de dissipação de calor são baixos, a condução ou a radiação podem ser aprimoradas por meio da otimização estrutural para melhorar a convecção natural e fortalecer o desempenho geral de resfriamento do sistema.

2. Método de resfriamento forçado

O resfriamento forçado acelera o fluxo de ar ao redor dos componentes eletrônicos usando ventiladores ou dispositivos similares, removendo o calor de forma eficaz. Este método é simples, prático e oferece um desempenho de resfriamento significativo.

Pode ser aplicado quando houver espaço suficiente para a circulação de ar ou para a instalação de estruturas de resfriamento. A transferência de calor por convecção pode ser melhorada aumentando a área total de dissipação de calor e elevando o coeficiente de transferência de calor por convecção.

Estruturas com aletas são amplamente utilizadas para aumentar a área de superfície e intensificar a transferência de calor. Para dispositivos de alta potência, estruturas que aumentam a turbulência podem ser adicionadas para alterar o campo de fluxo sobre o dissipador de calor e melhorar a eficiência da troca térmica.

3. Método de Resfriamento Líquido

O resfriamento líquido dissipa o calor dos chips e módulos de chips e pode ser classificado em resfriamento direto e indireto.

O resfriamento líquido indireto utiliza meios intermediários — como módulos líquidos, módulos de transferência de calor, módulos de pulverização ou substratos resfriados a líquido — para transferir o calor dos componentes eletrônicos.

O resfriamento líquido direto (resfriamento por imersão) permite que o fluido refrigerante entre em contato direto com os componentes eletrônicos. O fluido refrigerante absorve e remove o calor de forma eficiente. Esse método é usado principalmente para dispositivos com alta densidade de fluxo de calor ou que operam em ambientes de alta temperatura.

4. Métodos de resfriamento baseados em refrigeração

O resfriamento baseado em refrigeração inclui o resfriamento por mudança de fase do refrigerante e o resfriamento Peltier, dependendo do ambiente de aplicação.

Resfriamento por mudança de fase do refrigerante

Este método utiliza a mudança de fase do refrigerante para absorver grandes quantidades de calor, tornando-o adequado para cenários de resfriamento específicos. Inclui os tipos de ebulição em piscina e ebulição em fluxo. As tecnologias criogênicas também podem ser aplicadas em sistemas de computação de alta potência, oferecendo maior eficiência de ciclo, uma ampla faixa de temperatura operacional e um design de sistema compacto.

Resfriamento Peltier (Resfriamento Termoelétrico)

O resfriamento Peltier oferece vantagens como tamanho compacto, facilidade de instalação e alta confiabilidade. Ele utiliza o efeito Peltier de materiais semicondutores — o calor é absorvido em uma junção e liberado em outra.

Embora ofereça resistência térmica negativa, seu custo mais elevado e menor eficiência limitam seu uso a sistemas compactos com requisitos de refrigeração modestos. Desempenho típico: temperatura de refrigeração ≤100°C; carga de refrigeração ≤300W.

5. Condução Térmica (Transferência de Energia)

A condução térmica transfere calor de componentes eletrônicos para outro ambiente usando elementos de transferência de calor. À medida que os circuitos eletrônicos se tornam mais integrados e a densidade de potência aumenta enquanto o tamanho dos dispositivos diminui, as estruturas de resfriamento devem manter um alto desempenho térmico.

A tecnologia de tubos de calor oferece excelente condutividade térmica, bom desempenho isotérmico, adaptabilidade a fluxos de calor variáveis ​​e resposta rápida. É amplamente utilizada em equipamentos eletrônicos, resfriamento de componentes e aplicações em semicondutores. O projeto de tubos de calor depende de fatores como gravidade, forças externas, seleção de materiais, processos de fabricação e limpeza. O controle de qualidade rigoroso e o monitoramento da temperatura são essenciais.

6. Resfriamento por Tubo de Calor

Um tubo de calor típico consiste em um invólucro, uma estrutura porosa em forma de pavio e um fluido de trabalho. Em um ambiente de vácuo, o fluido de trabalho absorve calor na seção do evaporador e vaporiza. Impulsionado por uma pequena diferença de pressão, o vapor flui para o condensador, libera calor latente e se condensa. O condensado retorna ao evaporador por ação capilar no pavio.

Este ciclo contínuo transfere calor de forma eficiente do evaporador para o condensador.

Os tubos de calor podem transferir grandes quantidades de calor com uma diferença mínima de temperatura — sua condutividade térmica efetiva é centenas de vezes maior que a do cobre, o que lhes valeu o nome de "condutores de calor quase supercondutores". No entanto, os tubos de calor têm um limite máximo de transferência de calor. Quando a entrada de calor excede esse limite, todo o fluido de trabalho vaporiza, o ciclo térmico para e o tubo de calor falha.