Principes fondamentaux du dissipateur thermique :définition, fonctionnement, composants, types et applications

Un dissipateur thermique est un dispositif utilisé pour transférer la chaleur d’une source de chaleur vers l’environnement. Le transfert de chaleur s’effectue grâce à une combinaison de conduction, de convection et, dans une moindre mesure, de rayonnement. Un dissipateur thermique comporte généralement une base avec plusieurs ailettes sur le dessus, conçues pour augmenter la surface de transfert de chaleur vers le fluide environnant. Ils peuvent être refroidis soit passivement (en utilisant la convection naturelle), soit activement (avec la convection forcée d'un ventilateur ou d'une pompe).

Cet article décrira ce qu'est un dissipateur thermique, comment il fonctionne, les différents composants qui composent un dissipateur thermique et certaines applications courantes des dissipateurs thermiques.

Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est un type d'échangeur de chaleur utilisé pour transférer la chaleur d'un appareil produisant de la chaleur ou d'une source de chaleur vers un fluide environnant. Ce fluide est généralement de l'air, mais peut également être de l'eau en boucles scellées ou des fluides caloporteurs non conducteurs spécialisés, tels que des mélanges de glycol ou des huiles diélectriques. Le refroidissement peut se produire passivement par convection naturelle ou activement par flux d'air forcé, généralement provenant d'un ventilateur. Les dissipateurs thermiques sont généralement fabriqués à partir de cuivre ou d'aluminium.

À quoi ressemble un dissipateur thermique ?

Un type courant de dissipateur thermique est illustré dans la figure 1 ci-dessous :

Une illustration montrant le fonctionnement d'un dissipateur thermique

Comment fonctionne un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique utilise les principes du transfert de chaleur conducteur, convectif et radiatif pour déplacer la chaleur d'une source plus chaude vers un fluide à plus basse température. La chaleur est conduite de cette source vers l’évier. Les dissipateurs thermiques sont fabriqués à partir de matériaux à haute conductivité thermique, tels que le cuivre ou l'aluminium, ce qui leur permet d'évacuer rapidement la chaleur de la source. Cette chaleur est ensuite transférée du puits au fluide environnant par convection et rayonnement. Le taux de transfert de chaleur est augmenté en ayant une grande surface en contact avec le fluide caloporteur. La surface peut être considérablement augmentée en découpant des ailettes dans le matériau de base du dissipateur thermique.

En fonction des demandes de refroidissement, les dissipateurs thermiques fonctionnent soit par convection naturelle (refroidissement passif), soit par convection forcée fournie par un ventilateur ou une pompe à liquide (refroidissement actif).

À quoi sert un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est conçu pour dissiper la chaleur perdue causée par le fonctionnement d’appareils électriques ou mécaniques. Cette chaleur perdue peut s'accumuler et provoquer des pannes ou dégrader les performances si elle n'est pas éliminée.

Quels sont les composants clés d'un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est un appareil relativement simple. Vous trouverez ci-dessous les cinq composants qui composent un dissipateur thermique typique :

1. Base

Une base de dissipateur thermique est généralement un bloc plat ou une feuille de matériau présentant une excellente conductivité thermique. La base a généralement une épaisseur transversale constante, mais elle peut également être conçue pour avoir un profil transversal qui optimise le transfert de chaleur pour la géométrie spécifique de la source de chaleur. La base est généralement montée sur la source de chaleur avec le matériel de montage et de la pâte thermique.

2. Palmes

Les ailettes dépassant de la base du dissipateur thermique sont responsables du transfert de chaleur vers le fluide environnant. Ces ailettes augmentent la surface du dissipateur thermique en contact avec l'air ou le liquide de refroidissement, ce qui améliore le taux de dissipation thermique.

Les ailettes peuvent soit faire partie intégrante de la base, soit être fixées séparément selon diverses techniques, par exemple via un processus de compression. La forme et la disposition des ailettes peuvent améliorer considérablement le taux de transfert de chaleur.

3. Caloducs

Un caloduc est conçu pour transférer de la chaleur le long de son axe. Les caloducs peuvent être incorporés à l’intérieur de dissipateurs de chaleur et de dissipateurs de chaleur standard par ajustement à la presse, soudure et époxy thermoconducteur pour améliorer leur efficacité de transfert de chaleur. Ils fonctionnent en transférant de la chaleur via un mécanisme de changement de phase qui provoque la vaporisation du fluide au niveau de la source de chaleur, puis se déplace le long de l'axe du caloduc jusqu'au point où il refroidit et se transforme à nouveau en liquide par condensation.

4. Matériau d'interface thermique

Les matériaux d'interface thermique, ou pâtes thermiques, sont utilisés pour améliorer considérablement le transfert de chaleur entre la source de chaleur et la base du dissipateur thermique en remplissant les vides d'air entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. L'air est un mauvais conducteur de chaleur, donc remplir les espaces d'air avec un matériau plus conducteur thermique améliore l'efficacité de refroidissement d'un dissipateur thermique. Les pâtes thermiques peuvent être à base de céramique, d'oxyde métallique ou de silicone. Les pâtes thermiques à base de métal offrent une conductivité thermique élevée mais sont électriquement conductrices et doivent être utilisées avec prudence à proximité de composants sensibles.

5. Matériel de montage

Les dissipateurs de chaleur peuvent être solidement fixés à leurs sources de chaleur cibles à l'aide de différentes méthodes de montage. Pour les dissipateurs thermiques plus petits, un adhésif à haute conductivité thermique est utilisé pour coller directement le dissipateur thermique sur une source de chaleur. Cette méthode est généralement utilisée sur des composants PCB plus petits. Pour les dissipateurs thermiques plus grands, des vis normales peuvent être utilisées, ou bien des punaises à ressort sont utilisées pour optimiser la pression de contact entre la source de chaleur et le dissipateur thermique.

De quels matériaux sont fabriqués les dissipateurs thermiques ?

Les dissipateurs thermiques sont fabriqués à partir de matériaux à haute conductivité thermique. Les plus courants sont répertoriés ci-dessous.

1. Aluminium :l'aluminium est un matériau léger et peu coûteux doté d'une bonne conductivité thermique. Il est couramment utilisé dans les dissipateurs thermiques des appareils électroniques, tels que les ordinateurs et les lampes LED.
2. Cuivre :le cuivre possède une excellente conductivité thermique et peut être utilisé sur des composants plus sensibles tels que les processeurs d'ordinateur.
3. Alliages d'aluminium :l'aluminium pur est mou et difficile à usiner, c'est pourquoi des alliages d'aluminium sont souvent utilisés. Les alliages de haute pureté comme le 1050 conservent une excellente conductivité thermique, tandis que les alliages plus résistants comme le 6061 offrent une résistance mécanique améliorée au prix d'une conductivité thermique réduite.
4. Graphite :certaines formes de graphite technique, comme le graphite pyrolytique, ont une conductivité thermique dans le plan très élevée, rivalisant ou dépassant le cuivre, et sont nettement plus légères. Cependant, le graphite en vrac ou isotrope a des performances thermiques inférieures.
5. Diamant :le diamant a une conductivité thermique bien supérieure à celle du cuivre et est utilisé dans des applications spécialisées dans les semi-conducteurs. Cependant, son coût élevé le limite à des utilisations de niche telles que les dissipateurs de chaleur hautes performances ou le refroidissement des diodes laser.

Quels sont les types de dissipateurs thermiques ?

Il existe trois types principaux de dissipateurs thermiques. Ils sont décrits plus en détail ci-dessous :

1. Dissipateurs de chaleur passifs

Un dissipateur thermique passif est le type de dissipateur thermique le plus simple. Il s'agit simplement d'une base avec des ailerons. La chaleur est transférée principalement par convection naturelle. À mesure que l’air autour des ailettes se réchauffe par conduction, l’air chaud monte, provoquant son remplacement par de l’air plus froid. Il s'agit d'un processus continu. Ces types de dissipateurs thermiques ne sont pas les plus efficaces.

2. Dissipateurs thermiques hybrides

Un dissipateur thermique hybride utilise un système de contrôle pour décider quand adopter un comportement passif ou actif. Lorsque la source de chaleur produit de faibles niveaux de chaleur, le ventilateur ou la pompe ne sont pas allumés, car la convection naturelle est suffisante pour transférer la quantité de chaleur requise loin de la source de chaleur. Lorsque la convection naturelle n'est pas adéquate, le ventilateur est activé et la convection forcée contribue à augmenter la quantité de chaleur transférée loin de la source.

3. Dissipateurs de chaleur actifs

Un dissipateur thermique actif utilise la convection forcée pour transférer la chaleur. Lorsqu'un ventilateur ou une pompe provoque un écoulement de fluide sur le dissipateur thermique, ce flux constant continue de remplacer le fluide chaud autour du dissipateur thermique par un fluide plus froid. Plus le débit est élevé, plus le taux de transfert de chaleur est élevé. Les dissipateurs thermiques actifs sont plus efficaces que les dissipateurs thermiques passifs.

Quelles sont les applications des dissipateurs thermiques ?

Les dissipateurs thermiques sont utilisés partout où la chaleur perdue est susceptible d'endommager l'équipement. Quelques exemples sont répertoriés ci-dessous :

1. Processeurs informatiques

Les processeurs informatiques (CPU) produisent une grande quantité de chaleur perdue pendant leur fonctionnement. Les processeurs utilisent souvent des systèmes de refroidissement actifs avec des dissipateurs thermiques en cuivre pour gérer des charges thermiques élevées pendant le fonctionnement. Les processeurs cool peuvent fonctionner plus efficacement.

2. Éclairage LED

Les lumières LED n’émettent pas beaucoup de chaleur rayonnante comme les ampoules à incandescence, mais la jonction LED elle-même génère une énergie thermique importante pendant son fonctionnement. Cette chaleur doit être dissipée, généralement via des dissipateurs thermiques passifs dans des LED plus petites.

3. Électronique de puissance

L'électronique de puissance comme les convertisseurs AC-DC génère de la chaleur perdue à partir de composants tels que les MOSFET et les régulateurs de tension. Les dissipateurs thermiques en aluminium sont couramment utilisés dans ces applications, parfois combinés à des ventilateurs actifs pour des charges thermiques plus exigeantes.

4. Industrie automobile

Outre les dissipateurs thermiques utilisés sur les circuits de commande des véhicules, les dissipateurs thermiques sont également utilisés pour maintenir les moteurs électriques au frais pendant leur fonctionnement ainsi que pour refroidir les chargeurs embarqués pour les véhicules électriques.

5. Industrie aérospatiale

Les systèmes aérospatiaux utilisent des dissipateurs thermiques dans les circuits de commande et l’électronique embarquée. Dans les vaisseaux spatiaux, où il n'y a pas d'atmosphère propice à la convection, des dissipateurs thermiques spécialisés rayonnent la chaleur dans l'espace à l'aide de surfaces à haute émissivité et incluent souvent des caloducs pour transporter la chaleur vers les radiateurs.

6. Electronique grand public

L'électronique grand public utilise largement les dissipateurs de chaleur pour maintenir les appareils au frais et fonctionner efficacement. Des exemples typiques incluent les dissipateurs thermiques des ordinateurs et des téléphones portables.

Quels appareils d'un ordinateur utilisent des dissipateurs thermiques ?

De nombreux composants d’un ordinateur utilisent des dissipateurs thermiques. Par exemple, le CPU (unité centrale de traitement) et le GPU (unité de traitement graphique) utilisent couramment des dissipateurs thermiques pour améliorer l'efficacité et la durée de vie. Les modules RAM hautes performances et les composants internes du bloc d'alimentation peuvent également intégrer des dissipateurs thermiques, en fonction des exigences thermiques. Les CMS individuels (appareils montés en surface) sur la carte mère peuvent également utiliser de petits dissipateurs de chaleur pour rester froids.

Comment choisir le dissipateur thermique adapté à mon application ?

Afin de sélectionner le dissipateur thermique adapté à votre application, il est important de comprendre la quantité de chaleur que votre appareil produira, ainsi que l'environnement dans lequel il fonctionnera. Une fois ceux-ci connus, le dissipateur thermique peut être conçu en calculant le taux de transfert de chaleur requis pour maintenir votre appareil à la température optimale, puis en concevant une configuration du dissipateur thermique pour atteindre cette température.

Quels sont les avantages des dissipateurs thermiques ?

Vous trouverez ci-dessous quelques avantages courants liés à l'utilisation de dissipateurs thermiques :

1. Fiabilité améliorée :les dissipateurs thermiques aident à maintenir une température de fonctionnement constante, ce qui contribue à améliorer la fiabilité d'un appareil.
2. Durée de vie prolongée :les dissipateurs thermiques éliminent la chaleur perdue d'un appareil qui, autrement, réduirait sa durée de vie.
3. Performances améliorées :les appareils tels que les processeurs, par exemple, fonctionnent plus efficacement lorsqu'ils sont refroidis. Un dissipateur thermique efficace peut améliorer les performances d'un appareil.
4. Bruit réduit :si un dissipateur thermique passif peut être utilisé, un ventilateur de refroidissement n'est peut-être pas nécessaire. Cela réduira finalement le bruit de l'appareil.
5. Économies de coûts :les dissipateurs thermiques améliorent la gestion thermique, ce qui peut prolonger la durée de vie des composants et réduire le besoin de systèmes de refroidissement supplémentaires, contribuant ainsi à des économies potentielles sur les coûts de conception et de maintenance du système.

Quelles sont les limites des dissipateurs thermiques ?

Vous trouverez ci-dessous quelques limitations courantes liées à l'utilisation de dissipateurs thermiques :

1. Capacité de refroidissement limitée :en raison des limitations d'espace et de matériaux, un dissipateur thermique ne peut évacuer la chaleur qu'à un certain taux. Essayer de fabriquer des dissipateurs thermiques qui élimineront encore plus de chaleur encore plus rapidement devient peu pratique et peu économique.
2. Contraintes d'espace :dans certains cas, l'espace nécessaire pour un dissipateur thermique approprié peut être plus grand que l'espace disponible.
3. Exigences de maintenance :les dissipateurs de chaleur, en particulier à l'intérieur d'un PC, accumulent souvent de la poussière. Ils doivent être régulièrement nettoyés pour éviter une baisse du taux de transfert de chaleur.
4. Bruit :les dissipateurs de chaleur actifs peuvent nécessiter un ventilateur bruyant pour fonctionner efficacement. Même les ventilateurs silencieux ajouteront un certain degré de bruit.
5. Coût :les dissipateurs thermiques en cuivre sont efficaces mais coûteux et peuvent ne pas être économiquement réalisables pour l'appareil. Des matériaux moins chers comme l'aluminium sont disponibles, mais peuvent ne pas avoir les mêmes performances que le cuivre.

Quels sont les facteurs qui affectent les performances d'un dissipateur thermique ?

Les performances d'un dissipateur thermique peuvent dépendre d'un certain nombre de facteurs, comme expliqué ci-dessous :

1. Conductivité thermique :la conductivité thermique du matériau du dissipateur thermique est l'un des facteurs les plus importants affectant les performances. Les matériaux ayant une conductivité thermique plus élevée, tels que le cuivre ou le diamant, peuvent transférer la chaleur du composant électronique plus efficacement.
2. Conception des ailettes :un nombre accru d'ailettes améliore généralement le transfert de chaleur en augmentant la surface, mais des ailettes trop denses peuvent gêner la circulation de l'air et réduire les performances.
3. Flux d'air :la chaleur est évacuée du dissipateur thermique par l'action de la convection naturelle ou forcée. Plus le débit d'air autour des ailettes du dissipateur thermique est élevé, plus le taux de transfert de chaleur est élevé.
4. Résistance thermique :la résistance au transfert de chaleur à l'interface entre une source de chaleur et son dissipateur thermique peut être provoquée par l'existence d'entrefers entre les composants. L'utilisation de pâte thermique à l'interface permet de réduire la résistance thermique en éliminant les poches d'air isolantes.
5. Température ambiante :une température ambiante plus élevée entraînera un gradient de température plus faible entre la source de chaleur et le fluide environnant. Cela réduira les performances du dissipateur thermique.

Questions fréquemment posées sur les dissipateurs thermiques

Les dissipateurs thermiques provoquent-ils un fluage de chaleur lors de l'impression 3D ?

Non, un dissipateur thermique est conçu pour éliminer le fluage thermique lors de l’impression 3D. Il transfère la chaleur de l'extrémité chaude vers l'air ambiant et l'empêche de remonter jusqu'à l'extrudeuse.

Quelle est la différence entre un dissipateur thermique et un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique comprend généralement une base et des ailettes et dissipe la chaleur dans le fluide environnant, souvent grâce à la convection. Un dissipateur de chaleur, en revanche, ne dissipe pas la chaleur de manière significative, mais la redistribue sur une plus grande surface pour réduire les points chauds locaux et faciliter le transfert vers un autre composant de refroidissement, tel qu'un dissipateur thermique, une plaque froide ou un châssis système.

Résumé

Cet article présente les dissipateurs thermiques, explique ce qu'ils sont et explique comment ils fonctionnent. Pour en savoir plus sur les dissipateurs thermiques, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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