Sont-ils appropriés les radiateurs thermiques pour les systèmes d'échange de chaleur?

La chaleur monte rapidement. Si un système ne peut pas la déplacer, les parties ralentissent, échouent prématurément ou nécessitent des réparations coûteuses.

Oui, les dissipateurs thermiques peuvent être adaptés pour les systèmes d'échange de chaleur lorsque la conception nécessite un transfert de chaleur simple, stable et à entretien réduit. Ils fonctionnent au mieux lorsqu'ils sont associés au bon flux d'air, à la surface, au matériau et au chemin thermique.

Un dissipateur thermique n'est pas un échangeur thermique complet dans tous les cas. Mais il peut devenir une partie clé d'un tel échangeur. Dans de nombreux projets réels, le meilleur résultat provient de l'utilisation de dissipateurs thermiques avec de l'air, du liquide ou des composants de refroidissement de niveau système.

Quels échangeurs de chaleur utilisent la refroidissement passif?

Le refroidissement passif semble simple, mais de nombreux systèmes échouent car le chemin thermique est trop faible. Une mauvaise conception fait que la chaleur reste proche de la source.

Les échangeurs de chaleur de refroidissement passif incluent les réservoirs de chaleur par convection naturelle, les enceintes à ailettes, les unités à plaque et ailettes, les structures de refroidissement à style de cheminée et les systèmes similaires à des radiateurs qui ne dépendent pas de ventilateurs ou de pompes alimentés par l'énergie.

Le refroidissement passif fonctionne lorsque la chaleur peut se déplacer d'une partie chaude vers une zone plus froide sans force active. Dans mon travail de projet, cela commence souvent par une question directe : où va la chaleur après qu'elle ait quitté le composant?Si la réponse n'est pas claire, le système passif ne sera pas stable. Un dissipateur thermique peut aider car il offre une plus grande surface à la chaleur. Une surface plus grande offre plus de points de contact à l'air. Cela aide la chaleur à quitter la surface métallique plus rapidement.

Structures de refroidissement passif commun

Le principal obstacle est la différence de température. Le refroidissement passif nécessite un espace clair entre la surface chaude et l'air ambiant. Si l'air est déjà chaud, le dissipateur thermique a moins de place pour fonctionner. C'est pourquoi les échangeurs thermiques passifs nécessitent une attention particulière à l'espacement des ailettes, à la hauteur des ailettes et à la direction de montage. Les ailettes verticales fonctionnent souvent mieux pour la convection naturelle car l'air chaud peut monter plus facilement.

Quand le refroidissement passif a du sens

Le refroidissement passif est utile lorsque le bruit, la poussière, la consommation d'énergie et l'entretien doivent rester faibles. Il est également utile dans l'équipement hermétique. Un ventilateur peut sembler une solution simple, mais il peut aspirer de la poussière dans le système. Il peut également échouer. Un dissipateur thermique passif n'a pas de pièces mobiles, donc il peut offrir une durée de vie plus longue. Cependant, il nécessite suffisamment d'espace. Un dissipateur thermique de petite taille ne peut pas éliminer des charges thermiques importantes par magie. La conception doit correspondre à la charge thermique, la température de surface autorisée et l'environnement de travail réel.

Peut le design des ailettes améliorer les performances des échangeurs de chaleur?

Beaucoup de gens blâment d'abord le matériau, mais la forme des ailettes crée souvent le véritable goulet d'étranglement. Des ailettes mal conçues peuvent gaspiller de bon aluminium ou cuivre.

Oui, la conception des ailettes peut améliorer les performances des échangeurs de chaleur en augmentant la surface, en guidant le flux d'air, en réduisant la résistance thermique et en améliorant le contact entre le fluide de refroidissement et la surface métallique.

La conception des ailettes est l'une des méthodes les plus pratiques pour améliorer un dissipateur thermique à l'intérieur d'un système d'échange thermique. L'objectif n'est pas seulement d'ajouter plus d'ailettes. L'objectif est d'aider la chaleur à s'échapper avec moins de résistance. Un pack d'ailettes dense peut sembler puissant, mais il peut bloquer le flux d'air. Lorsque l'air ne peut pas circuler à travers les canaux, les ailettes supplémentaires ne sont pas très utiles. Dans la convection naturelle, ce problème est plus grave car le flux d'air est faible. Dans les systèmes d'air forcé, les ailettes denses peuvent fonctionner mieux, mais le ventilateur doit surmonter la perte de pression.

Principaux facteurs de conception des ailerons

Une bonne conception de la fin commence par la source de chaleur. Un petit chip chaud nécessite une forte propagation à la base. Une source de chaleur large peut nécessiter une propagation moindre mais une plus grande surface. C'est pourquoi la même forme de dissipateur thermique ne peut pas résoudre tous les problèmes d'échangeur de chaleur. La base, les ailettes et le flux d'air doivent être conçus comme un système unique.

Pourquoi l'espace entre les ailettes est important

L'écartement des ailettes est souvent le détail qui distingue un design stable d'un design faible. Pour le refroidissement passif, un écartement plus large aide à la montée de l'air chaud. Pour le refroidissement forcé par l'air, un écartement plus étroit peut augmenter la surface, mais le débit d'air doit être suffisamment fort. Si le ventilateur est petit, des ailettes étroites peuvent créer une perte de pression. Puis l'air ralentit, et le dissipateur thermique fonctionne pire que prévu.

Dans les révisions de conception réelles, j'aime comparer trois valeurs avant de changer la géométrie des ailettes : charge thermique, chemin d'air et déperdition de pression autorisée. Ces trois valeurs montrent si les ailettes devraient être plus hautes, plus larges, plus fines ou moins nombreuses. Un dissipateur thermique n'est pas seulement une pièce métallique. C'est un chemin pour le chaleur et l'air. Lorsque ce chemin est propre, la performance s'améliore.

Les systèmes HVAC industriels intègrent-ils des dissipateurs de chaleur?

Les systèmes HVAC industriels traitent souvent de forts charges thermiques. Si le chemin thermique est faible, le système utilise plus de puissance et devient plus difficile à contrôler.

Oui, certains systèmes HVAC industriels intègrent des radiateurs dans les circuits électroniques, des modules de commande, des unités de commande, des onduleurs, des capteurs, et des sections de récupération de chaleur compacte ou de traitement de l'air.

Le HVAC industriel n'est pas seulement question de conduits, de spirales et de compresseurs. Les systèmes HVAC modernes incluent également des composants électroniques de puissance, des panneaux de commande, des moteurs et des capteurs intelligents. Ces parties créent de la chaleur. Si la chaleur reste à l'intérieur d'un boîtier ou d'une boîte de commande fermée, le système HVAC peut perdre en fiabilité. Un dissipateur thermique peut protéger ces parties en déplaçant la chaleur loin de la source et dans l'air, un mur de boîte ou une structure de refroidissement plus grande.

Où les dissipateurs thermiques apparaissent dans les systèmes HVAC

Les dissipateurs thermiques sont courants près des convertisseurs de fréquence variable, des alimentations, des redresseurs, des inverseurs et des unités de contrôle moteur. Ces composants commutent un courant élevé. Cela crée de la chaleur dans une petite surface. Un dissipateur thermique compact aide à dissiper la chaleur et à réduire la température des composants. Dans certains systèmes, le dissipateur thermique est placé à l'intérieur du coffret. Dans d'autres, il est monté à travers le mur afin que la chaleur puisse quitter l'espace fermé.

Cela importe car les systèmes HVAC industriels fonctionnent souvent dans des endroits poussiéreux, chauds ou humides. Ouvrir l'enveloppe pour un flux d'air direct peut ne pas être une bonne idée. Un dissipateur thermique permet au concepteur de protéger les composants sensibles tout en évacuant la chaleur. Cela peut réduire l'utilisation du ventilateur, diminuer l'entrée de poussière et améliorer la durée de vie du service.

Les dissipateurs thermiques et les échangeurs de chaleur fonctionnant ensemble

Un dissipateur thermique peut également soutenir un échangeur de chaleur plus grand. Par exemple, une plaque froide en liquide peut enlever de la chaleur d'un module de transmission, tandis que les ailettes libèrent cette chaleur dans une autre section. Dans ce cas, le dissipateur thermique fait partie d'une chaîne thermique complète. La chaîne peut inclure un matériau d'interface thermique, des plaques de base en métal, des canaux de liquide, des ailettes et un débit d'air.

Le principal point est simple. La performance de la HVAC n'est pas seulement mesurée par la climatisation des pièces. Elle est également mesurée par la stabilité du système. Si les composants d'alimentation fonctionnent plus frais, les contrôles fonctionnent mieux, les alarmes diminuent et l'entretien devient plus facile. Donc, les dissipateurs thermiques peuvent être une petite partie avec un grand effet systémique.

Quels gains d'efficacité peuvent être attendus des dissipateurs thermiques?

La perte d'efficacité se cache souvent dans la chaleur. Un appareil chaud peut toujours fonctionner, mais il peut gaspiller de l'énergie et vieillir plus rapidement.

Les gains d'efficacité attendus des dissipateurs thermiques dépendent du système, mais les dissipateurs thermiques bien conçus peuvent réduire la résistance thermique, abaisser la température de fonctionnement, améliorer la durée de vie des composants et réduire le besoin d'énergie de refroidissement actif.

Un dissipateur thermique ne crée pas d'air froid. Il rend la transmission de la chaleur plus facile. Cela signifie que les gains d'efficacité viennent de la résistance thermique inférieure et d'une meilleure contrôle de la température. Lorsqu'un composant fonctionne à une température plus basse, il fonctionne souvent avec moins de stress. Dans les électroniques de puissance, une température plus basse peut réduire le risque de défaillance. Dans les systèmes de contrôle de la HVAC, une température stable peut améliorer l'exactitude du contrôle et réduire les arrêts. Dans l'équipement hermétique, un bon dissipateur thermique peut également réduire le besoin de ventilateurs.

Qu'est-ce que signifie vraiment le "gain d'efficacité"?

L'augmentation de l'efficacité peut signifier plusieurs choses. Cela peut signifier une utilisation d'énergie inférieure. Cela peut signifier une durée de vie plus longue. Cela peut signifier moins de pannes. Cela peut également signifier une taille de système plus petite. Un dissipateur thermique peut permettre à un concepteur d'utiliser un ventilateur plus petit, une vitesse de ventilateur plus lente ou un chemin de refroidissement moins complexe. Ces gains ne sont pas toujours représentés par un pourcentage simple. Ils dépendent de la charge thermique, de la température de l'air, du débit d'air, du matériau, de la pression de montage et de la finition de surface.

Un processus de conception réaliste ne doit pas promettre une gain fixe avant les tests. Au lieu de cela, il devrait comparer la résistance thermique avant et après le changement du dissipateur thermique. Il devrait également vérifier la température de jonction, la température de surface et la puissance de refroidissement. Si le dissipateur thermique abaisse suffisamment la température, le système peut fonctionner à un point plus sûr. Cela représente une véritable gain.

Attentes pratiques

Dans de nombreux projets, le plus grand gain vient de correspondre le dissipateur thermique au système complet. Un dissipateur thermique plus grand seul peut ne pas aider si la surface de contact est mauvaise. Un matériau de haute qualité peut ne pas aider si l'air est bloqué. Une simulation parfaite peut ne pas aider si la pression de montage change pendant la production.

C'est pourquoi je traite généralement l'efficacité du dissipateur thermique comme un résultat de système, et non un résultat de pièce. Le meilleur dissipateur thermique n'est pas toujours le plus grand. C'est celui qui fournit la température requise avec le poids, le coût, l'espace et la consommation d'énergie minimaux. C'est cet équilibre qui rend les dissipateurs thermiques adaptés aux systèmes d'échange thermique.

Conclusion

Les dissipateurs thermiques sont adaptés à de nombreux systèmes d'échange thermique lorsqu'ils sont conçus comme partie de l'ensemble du chemin thermique. Le bon matériau, les ailettes, le flux d'air et la méthode de montage peuvent améliorer le refroidissement, la stabilité et la durée de vie du service.