Les bases des dissipateurs de chaleur :comment fonctionnent-ils ?

Vous n'avez pas besoin d'être diplômé du MIT pour savoir que les appareils et machines électroniques génèrent de la chaleur lorsqu'ils fonctionnent. Sans surveillance, cette situation peut rapidement entraîner une surchauffe de l'appareil, provoquant son dysfonctionnement. Ensuite, à moins que vous ne réagissiez assez rapidement, ce dysfonctionnement peut entraîner des dommages permanents.

Pour éviter la surchauffe, la plupart des appareils intègrent des dissipateurs thermiques, des composants responsables de la gestion de la chaleur au sein de l'appareil. Ils fonctionnent en dissipant la chaleur des zones vitales de la machine ou d'un appareil, comme l'unité centrale de traitement (CPU), en le gardant au frais et en le faisant fonctionner.

Fait intéressant, tout en jouant un rôle central dans le bon fonctionnement de vos appareils électroniques, les dissipateurs de chaleur sont souvent négligés, probablement en raison de leur taille plutôt petite. Si vous souhaitez en savoir plus sur ces composants miraculeux, ce guide vous fournira toutes les informations essentielles dont vous avez besoin pour comprendre ce que sont les dissipateurs thermiques et comment ils fonctionnent.

Allons-y (jeu de mots).

Qu'est-ce qu'un dissipateur de chaleur ?

Commençons par expliquer plus en détail ce qu'est un dissipateur thermique. En termes simples, c'est un composant qui fonctionne comme un échangeur de chaleur passif, régulant la température d'un appareil mécanique ou électronique.

Il le fait en augmentant la surface de travail de l'appareil, en transférant la chaleur d'un composant générant de la chaleur à un fluide à basse température. De cette façon, la chaleur se dissipe loin de l'appareil, garantissant son fonctionnement sans surchauffe.

En raison de leurs fantastiques propriétés de refroidissement, les dissipateurs thermiques sont utilisés dans de nombreuses industries, y compris l'usinage CNC. En règle générale, ils sont utilisés pour refroidir les composants informatiques (généralement, un processeur et un processeur graphique) et alimenter des transistors ou des lasers.

Comment sont construits les dissipateurs de chaleur ?

Le besoin d'une plus grande surface affecte considérablement la façon dont les dissipateurs thermiques sont construits. Un dissipateur de chaleur typique se compose d'une base reliée à des ailettes ou des broches très étroites. De cette façon, les dissipateurs thermiques peuvent contenir autant de surface que possible dans un volume spécifique.

Cependant, la taille et la forme des ailettes varient entre les différents dissipateurs thermiques. De plus, ils ont un impact significatif sur la performance du dissipateur thermique. Nous pouvons distinguer :

• Dissipateurs thermiques Pin-fin. De tels dissipateurs thermiques ont des broches s'étendant à partir de leur base. Ils ont la plus grande surface parmi les différents types de dissipateurs thermiques et fonctionnent mieux dans les cas à faible débit d'air. Les broches se présentent généralement sous une forme cylindrique, elliptique ou carrée.
• Dissipateurs de chaleur à plaques et ailettes. Un dissipateur thermique à plaques et ailettes a des ailettes rectangulaires qui s'étendent à partir de sa base. Ces dissipateurs thermiques sont plus courants que les systèmes à ailettes et fonctionnent mieux avec un flux d'air unidirectionnel.
• Dissipateurs thermiques à ailettes évasées. Les systèmes à ailettes évasées sont une variante des dissipateurs thermiques à ailettes. Ils ont une disposition d'ailettes évasées (d'où le nom) qui diminue la résistance à l'écoulement.

Certains dissipateurs thermiques sont également équipés de ventilateurs et de soufflantes. Ceux-ci sont appelés dissipateurs thermiques actifs. Nous en reparlerons plus tard dans l'article.

Comment fonctionne un dissipateur de chaleur ?

Les dissipateurs thermiques utilisent un conducteur thermique qui éloigne la chaleur de la source de chaleur et l'attire vers sa surface, qui entre ensuite en contact avec l'air ou le fluide de refroidissement. L'ensemble du processus comprend quatre étapes de base :

1. La source génère de la chaleur. La source peut être n'importe quel système qui crée de la chaleur lorsqu'il fonctionne et nécessite un refroidissement pour fonctionner correctement. Il peut s'agir d'un système mécanique, électrique, chimique, nucléaire, solaire ou à friction.
2. La chaleur s'éloigne de la source. Par conduction naturelle, la chaleur se déplace dans le dissipateur thermique et s'éloigne de la source. Ce processus est directement associé à la conductivité thermique du matériau du dissipateur thermique. C'est la raison pour laquelle des matériaux comme l'aluminium ou le cuivre sont souvent utilisés pour construire des dissipateurs thermiques. Ils ont des propriétés de conductivité thermique élevées.
3. La chaleur est distribuée dans tout le dissipateur thermique. La chaleur traversera ensuite le dissipateur thermique, passant d'un environnement à haute température à un environnement à basse température. Cela signifie pour le dissipateur thermique que son profil thermique ne sera pas cohérent. Par conséquent, les dissipateurs thermiques sont généralement plus chauds vers la source et plus froids vers leurs extrémités.
4. Le dissipateur thermique évacue la chaleur. La dernière étape consiste à éloigner la chaleur du dissipateur thermique. Il dépend fortement du gradient de température du dissipateur et de son fluide de refroidissement (généralement de l'air ou un fluide électriquement conducteur). Le fluide traverse la surface du dissipateur thermique et élimine la chaleur dans l'environnement environnant en utilisant la diffusion thermique et la convection. Ce qu'il est important de noter ici, c'est que si la température ambiante n'est pas inférieure à celle du dissipateur thermique, celui-ci n'évacuera pas la chaleur.

Les différents types de dissipateurs de chaleur

Lorsque nous parlons de dissipateurs thermiques, nous distinguons trois types de base de dissipateurs thermiques :passif, actif et hybride. Plus d'informations ci-dessous.

Dissipateurs de chaleur passifs

Les dissipateurs thermiques passifs reposent sur la convection naturelle. Cela signifie que seule la flottabilité de l'air chaud génère un flux d'air à travers la surface du dissipateur thermique. Pour cette raison, les dissipateurs thermiques passifs ne nécessitent pas d'alimentation secondaire ou de systèmes de contrôle lors de l'évacuation de la chaleur. D'un autre côté, ils ne sont pas aussi efficaces pour transférer la chaleur d'un système que les dissipateurs thermiques actifs.

Dissipateurs de chaleur actifs

Contrairement aux dissipateurs thermiques passifs, les dissipateurs thermiques actifs ne reposent pas uniquement sur la convection naturelle. Ils utilisent de l'air forcé pour augmenter le débit de fluide dans la zone chauffée. Ils le font à l'aide d'un ventilateur, d'un ventilateur ou d'un mouvement d'objet entier.

Un exemple typique du fonctionnement d'un dissipateur de chaleur actif est le ventilateur de votre PC qui s'allume lorsque votre ordinateur commence à chauffer. Le ventilateur force l'air à circuler à travers le dissipateur thermique, permettant à l'air non chauffé de se déplacer sur sa surface. De ce fait, le gradient thermique total dans tout le système de dissipateur thermique augmente, éliminant davantage de chaleur de l'appareil.

Dissipateurs thermiques hybrides

Comme leur nom l'indique, les dissipateurs thermiques hybrides combinent les propriétés des systèmes de dissipateurs thermiques passifs et actifs. Fait intéressant, les systèmes hybrides ne sont pas aussi populaires que les dissipateurs thermiques passifs ou actifs. Ils s'appuient également souvent sur des systèmes de contrôle dédiés pour refroidir l'appareil en fonction d'exigences de température spécifiques.

Lorsque le système fonctionne à des niveaux de température plus froids, la source d'air forcé (un ventilateur ou une soufflante) reste inactive, refroidissant passivement le système. Le système actif ne commence à fonctionner que lorsque l'appareil commence à atteindre des températures plus élevées, augmentant ainsi la capacité de refroidissement du dissipateur thermique.

Quels matériaux sont utilisés pour fabriquer des dissipateurs de chaleur ?

Comme indiqué, le matériau du dissipateur thermique doit fournir une conductivité thermique naturelle. C'est pourquoi les dissipateurs thermiques sont généralement fabriqués en aluminium ou en cuivre, le matériau étant déterminé par l'application, l'intensité thermique, la méthode de production et le budget.

• Aluminium. En règle générale, les fabricants de dissipateurs thermiques utilisent de l'aluminium 1050, 6060, 6061 ou 6063. Le premier est très thermiquement conducteur mais manque de résistance, tandis que les trois autres sont moins favorables mais offrent des propriétés mécaniques plus fortes. En ce qui concerne la rentabilité, les dissipateurs thermiques les plus abordables sont fabriqués en alliage d'aluminium.
• Cuivre. Le cuivre offre une excellente conductivité thermique. En effet, il est deux fois plus conducteur que l'aluminium. De plus, il résiste à la corrosion, aux antimicrobiens et offre d'autres propriétés souhaitables. C'est pourquoi les dissipateurs thermiques en cuivre sont considérés comme haut de gamme, étant plus chers que les dissipateurs thermiques en aluminium et généralement plus difficiles à fabriquer.

Comment sont fabriqués les dissipateurs de chaleur ?

La fabrication de dissipateurs thermiques implique plusieurs processus et technologies de production, tels que l'extrusion d'aluminium, le moulage sous pression ou le fraisage CNC. Ils sont généralement fabriqués en utilisant :

• Fraisage. Le fraisage est le processus soustractif de découpe de matériau à partir d'une pièce brute. C'est également un moyen abordable de produire des dissipateurs thermiques plus rapidement.
• Extrusion. C'est le processus de forcer les billettes de métal chaud à travers une matrice en acier. L'extrusion est la méthode la plus courante pour fabriquer des dissipateurs thermiques, car elle est considérée comme rapide, efficace et, par conséquent, plus économique.
• Mise en scène. La coulée consiste à verser du métal en fusion dans un moule et constitue un autre moyen populaire de fabriquer des dissipateurs thermiques en cuivre et en aluminium. Ces dissipateurs thermiques ont un niveau de complexité plus élevé et offrent des propriétés mécaniques améliorées.
• Esquiver. Autrement connu sous le nom de scarification, le skiving est un processus de découpe de matériau en tranches. Le biseautage est généralement utilisé lors de la production de dissipateurs thermiques à ailettes et à ailettes évasées, offrant un placement d'ailettes plus fin et plus précis.
• Impression 3D. Les dissipateurs thermiques imprimés en 3D sont devenus une alternative viable à leurs homologues produits traditionnellement. Cela s'explique principalement par les progrès récents de la fabrication additive en cuivre, qui ont fait de l'impression 3D une méthode plus abordable pour la fabrication de dissipateurs thermiques.

Quels facteurs affectent les performances du dissipateur thermique ?

Plusieurs facteurs peuvent affecter le fonctionnement d'un dissipateur thermique et sa capacité à dissiper efficacement la chaleur d'un composant particulier (par exemple, un processeur ou un processeur graphique). Ces variables sont :

• La taille du dissipateur thermique,
• La conductivité thermique du matériau du dissipateur thermique (aluminium ou cuivre),
• La forme, le volume et la disposition des ailettes
• Le débit d'air,
• La taille des conduits entre les ailettes.

Les performances peuvent également dépendre du type de dissipateur thermique. Les dissipateurs thermiques actifs sont considérés comme plus efficaces, c'est pourquoi ils sont généralement utilisés dans les appareils nécessitant un refroidissement plus rapide.

Principaux plats à emporter

J'espère qu'après avoir lu notre guide, vous aurez une meilleure compréhension de l'importance des dissipateurs thermiques et de leur fonctionnement. Ils peuvent être de petite taille, mais leur impact sur les performances d'un appareil électrique ou mécanique est incroyable, les empêchant de surchauffer et garantissant qu'ils fonctionnent au plus haut niveau possible.