¿Importa el color de la pintura en un disipador de calor?

Question

El calor sale de un disipador por conducción, convección y radiación. Me enseñaron que las superficies negras son las que mejor irradian el calor y, por tanto, muchos disipadores son negros. Pero también tienen aletas para la convección. Y los disipadores grandes tienen muchas aletas grandes. Por tanto, la convección parece importante.

¿Qué ocurre si por razones estéticas tengo que pintar un disipador de calor de blanco brillante? Por supuesto, el blanco es el mejor color para reflejar la radiación térmica. ¿Reflejaría entonces el calor hacia el interior como un pavo envuelto en papel de aluminio? ¿Alguien puede calcular la pérdida de eficiencia o el aumento compensatorio necesario?

P.D. Los radiadores domésticos son blancos.

P.P.S. ¿Qué significa "acabado del material" en la terminología de los disipadores térmicos? no responde del todo.

Answer 1

No pinte los disipadores de calor. La capa de pintura actuará como aislante entre el metal y el aire, reduciendo su capacidad para disipar el calor.

Anodizado un disipador de calor es un problema menor. La capa de anodización es mucho más fina que la pintura (unos pocos micrómetros en el aluminio, por ejemplo), por lo que presenta una resistencia térmica mucho menor que la que presentaría la pintura.

El color de la pintura no tendrá un efecto significativo en la refrigeración, a menos que los distintos colores de pintura sean más finos o más gruesos que otros, o si el disipador de calor está expuesto a la luz solar directa.

Answer 2

Sí, el negro tiene la mayor emisividad (también absorbe mejor la radiación - reciprocidad - o ley de Kirchoff de la radiación térmica). Hay que tener en cuenta que tiene que ser "negro" en las longitudes de onda pertinentes, que no corresponden necesariamente a ser negro en el espectro visible.

Eso significa que la transferencia de calor por radiación será máxima si la emisividad se aproxima a 1 (cuerpo negro). Si su disipador de calor "ve" sobre todo cosas más frías tendrá mejor enfriamiento, y si ve cosas más calientes no enfriará tan bien.

Sin embargo, la transferencia de calor por radiación no suele ser tan importante en comparación con la transferencia de calor por conducción y (normalmente la más importante para los disipadores de calor de semiconductores en entornos normales) la transferencia de calor por convección. Por lo tanto, el color no es tan importante en comparación con el diseño de la dinámica de fluidos de cómo el aire fluye sobre las aletas y cómo el calor es conducido a las aletas. Las aletas en su mayoría "ven" a otras aletas, por lo que la radiación tiene aún menos efecto.

Existen excepciones para aquellos de nosotros que diseñamos electrónica que tiene que sobrevivir en el vacío y/o en el espacio o en altitudes muy elevadas, y si el elemento que se está disipando (o lo que ve) está muy caliente, la radiación puede llegar a ser más importante (4ª potencia de la temperatura).

Un ejemplo de situación en la que un disipador de calor brillante (baja emisividad) podría ser superior sería un disipador de regulador de voltaje a la vista directa de un calentador, una lámpara incandescente o un tubo de vacío.

Al anodizar se puede aplicar cualquier color de tinte que se desee, o ninguno, lo que se denomina anodizar "transparente". Normalmente, el aluminio oxidado (es no un revestimiento) es una capa aislante bastante fina, pero en algunos casos puede tener más de unos milímetros de grosor.

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Edición: Hagamos un cálculo aproximado para ver la importancia de la radiación. Voy a suponer un modelo 530002B02500G disipador térmico de Aavid Thermalloy. Tiene un valor nominal de convección natural de 2,6 grados C por vatio, que creo que está valorado en un aumento de 70 grados C sobre el ambiente.

Así, si la temperatura ambiente es de 25 ºC y el disipador de calor está a 95 ºC, la potencia total disipada será de 27 W.

¿Cuánto de eso se debe a la radiación? Podemos tratar el disipador de calor (sólo a efectos de acoplamiento radiativo*) como un bloque de dimensiones 64 mm x 25 mm x 42 mm (sin tener en cuenta la muesca), lo que representa una superficie de 0,011 metros cuadrados.

La pérdida de calor por radiación (suponiendo una emisividad de 1) es de

$q = \sigma A (T_H^4 - T_C^4)$ donde $\sigma$ es la constante de Stefan-Boltzmann ~5,7E-8 (y las temperaturas están en Kelvin)

Sustituyendo los valores obtenemos un flujo de calor de 6,4W debido a la radiación a 95 grados C de temperatura del disipador y 25 grados C ambiente, por lo que menos del 25% se debe a la radiación en condiciones óptimas para maximizar la pérdida por radiación. Lo más probable es que haya algo de convección forzada y que la pérdida de calor por radiación vuelva a ser menor. Un disipador de calor que está más cerca de un cubo tendría menos pérdida de calor debido a la radiación también. No tan baja como para ser ignorada, pero no dominante.

• Para la radiación, las circunvoluciones del disipador "ven" sobre todo otras superficies del disipador, por lo que un bloque de las dimensiones exteriores es correcto para la radiación (en una primera aproximación). En realidad tienen un efecto en la fabricación de la emisividad efectiva más cerca de 1,0 que la propia superficie, ya que parte de la luz que no es absorbida rebotará en otras superficies y obtener otra oportunidad de ser absorbido (y lo mismo a la inversa, por supuesto, para la radiación de calor, pero es más fácil imaginar la absorción de la luz porque podemos ver la luz visible y no puede ver las longitudes de onda IR que el disipador de calor está emitiendo a temperaturas razonables - si su disipador de calor está brillando rojo, amarillo o azul-blanco es probable que tenga otros problemas).

Answer 3

Yo solía vender revestimientos de alto rendimiento, incluidos revestimientos para la gestión térmica, y esto no es en absoluto una pregunta sencilla. Por ejemplo, un proveedor fabricaba dos revestimientos de color negro mate con un espesor de película seca recomendado inferior a dos milésimas de pulgada, uno diseñado como aislante y otro como revestimiento disipador térmico. Los casos de uso recomendados eran los colectores de escape y las pinzas de freno, respectivamente.

Yo tenía disipadores recubiertos e hice algunos experimentos y descubrí que a bajas diferencias de temperatura el disipador desnudo funcionaba mejor seguido del aislado y el recubrimiento radiante era el peor. En diferenciales de alta temperatura el revestimiento emisivo mostró su valía superando el metal desnudo y el revestimiento aislante también se hizo más eficaz en la desaceleración de la transferencia de calor.

También jugué con otros revestimientos, como pinturas convencionales que eran todas aislantes hasta que se incendiaban, y un revestimiento aislante grueso que era el mejor aislante hasta que se derretía.

Conclusión: Depende de su temperatura, la transferencia de calor necesaria y otros factores que el recubrimiento es el mejor para sus necesidades, pero el uso de una pintura estándar nunca ayudará a un disipador de calor.

Answer 4

Las superficies metálicas brillantes son extremadamente bueno para reflejar, extremadamente pobre para emitir radiación. Cualquier cosa (casi cualquier cosa) con que los pintes mejorará la radiación térmica.

Las superficies pintadas de negro absorben mejor la luz solar, porque la mayor parte de la energía de ésta se encuentra en el espectro visible. Pero a menos que el disipador de calor esté tan caliente que brille, no emitirá mucha radiación en el espectro visible, por lo que su color es completamente irrelevante.

Los disipadores ventilados pasivamente que no están encerrados en un contenedor reflectante emiten una cantidad significativa de radiación. Lo siento, no tengo las cifras a mano, pero es inferior al 50%. Para aletas paralelas del mismo color, la radiación se equilibra con la absorción, por lo que el color de la aleta interna no importa mucho, pero para superficies expuestas sí importa.

Por esta razón, verá que los disipadores de aire forzado de su ordenador no suelen tener las patillas anodizadas en negro.

De todos modos, los disipadores de aluminio expuestos deben pintarse/anodizarse para evitar la corrosión; de lo contrario, tendrás que incluir instrucciones como "no utilizar a menos de 1.000 metros de la orilla del mar".

Answer 5

La propiedad que probablemente esté buscando es la emisividad.

Existen 3 procesos principales a través de los cuales se transfiere el calor:

• Conducción (movimiento del calor dentro del material)
• Convección (movimiento del calor a través del movimiento del material calentado)
• Radiación

La eficacia de cada uno de estos procesos depende de los materiales en cuestión y de la temperatura ambiente. El flujo de calor total es la suma del flujo de calor de cada uno de los procesos en el límite aire/disipador.

En flujo de calor radiativo es proporcional a la emisividad de la superficie, la temperatura a la cuarta y la superficie efectiva.

Eche un vistazo a esto lista práctica de emisividades a temperatura ambiente .

Las emisividades más altas se encuentran en el hielo, el agua, el vidrio, la piedra caliza y la pintura (incluido el blanco); nótese que todos ellos no son negros. De hecho, parece que, aparte de los metales pulidos, todos los materiales tienen una emisividad casi ideal.

Además, como se ha señalado en la mayoría de las otras respuestas, una capa de pintura actuará como un gran aislante (para la conducción dentro del disipador).