Радиатор - Heat sink

А с вентиляторным охлаждением радиатор на процессоре персонального компьютера. Справа - меньший радиатор охлаждения другая интегральная схема материнской платы.

Типичная комбинация радиатора и вентилятора на потребительском ноутбуке. Тепловые трубки, содержащие рабочую жидкость, находятся в прямом контакте с процессором и графическим процессором, отводя тепло от компонента и передавая его на пластину ребер, установленную на выпускном отверстии охлаждающего вентилятора. Плавник действует как жидкость-жидкость теплообменник передача тепловой энергии от рабочего тела внутри тепловых трубок к окружающему воздуху в мертвом состоянии.

А радиатор (также часто пишется радиатор^[1]) является пассивным теплообменник который передает тепло, выделяемое электронным или механическим устройством, на жидкость средний, чаще воздух или жидкий теплоноситель, где он рассеянный от устройства, что позволяет регулировать температуру устройства. В компьютерах радиаторы используются для охлаждения Процессоры, GPU, а также некоторые наборы микросхем и модули оперативной памяти. Радиаторы используются с мощными полупроводниковыми приборами, такими как силовые. транзисторы и оптоэлектроника, такая как лазеры и светоизлучающие диоды (светодиоды), где способность самого компонента к рассеиванию тепла недостаточна для снижения его температуры.

Радиатор предназначен для увеличения площади его поверхности, контактирующей с окружающей его охлаждающей средой, например с воздухом. Скорость воздуха, выбор материала, конструкция выступа и обработка поверхности - это факторы, которые влияют на производительность радиатора. Способы крепления радиатора и материалы термоинтерфейса также влияют на умереть температура интегральной схемы. Термоклей или же термопаста повысить производительность радиатора, заполнив воздушные зазоры между радиатором и теплораспределитель на устройстве. Радиатор обычно делают из алюминия или меди.

Принцип теплопередачи

Радиатор передает тепловую энергию от устройства с более высокой температурой к устройству с более низкой температурой. жидкость средний. Жидкая среда часто представляет собой воздух, но также может быть водой, хладагентом или маслом. Если текучей средой является вода, радиатор часто называют холодной пластиной. В термодинамика радиатор - это тепловой резервуар которые могут поглощать произвольное количество тепла без значительного изменения температуры. Практические радиаторы для электронных устройств должны иметь температуру выше, чем температура окружающей среды, чтобы передавать тепло путем конвекции, излучения и теплопроводности. Источники питания электроники не на 100% эффективны, поэтому выделяется дополнительное тепло, которое может отрицательно сказаться на работе устройства. Таким образом, в конструкцию включен радиатор для рассеивания тепла.^[2]^[3]

Чтобы понять принцип работы радиатора, рассмотрим Закон теплопроводности Фурье. Закон теплопроводности Фурье, упрощенный до одномерного вида в Икс-направление показывает, что при наличии градиента температуры в теле тепло будет передаваться из области более высоких температур в область более низких температур. Скорость, с которой тепло передается за счет теплопроводности, ${ displaystyle q_ {k}}$ , пропорциональна произведению температурного градиента и площади поперечного сечения, через которую передается тепло.

{ displaystyle q_ {k} = - kA { frac {dT} {dx}}}

Эскиз радиатора в воздуховоде, используемый для расчета основных уравнений сохранения энергии и закона охлаждения Ньютона

Рассмотрим радиатор в воздуховоде, в котором воздух проходит через канал. Предполагается, что основание радиатора имеет более высокую температуру, чем воздух. Применяя закон сохранения энергии для стационарных условий и Закон охлаждения Ньютона к температурным узлам, показанным на схеме, дает следующую систему уравнений:

{ displaystyle { dot {Q}} = { dot {m}} c_ {p, in} (T_ {air, out} -T_ {air, in})}

(1)

{ displaystyle { dot {Q}} = { frac {T_ {hs} -T_ {air, av}} {R_ {hs}}}}

(2)

куда

{ displaystyle T_ {air, av} = { frac {T_ {air, in} + T_ {air, out}} {2}}}

(3)

Использование средней температуры воздуха является допущением, которое справедливо для относительно коротких радиаторов. При расчете компактных теплообменников используется средняя логарифмическая температура воздуха. ${ displaystyle { dot {m}}}$ - массовый расход воздуха в кг / с.

Приведенные выше уравнения показывают, что

Когда поток воздуха через радиатор уменьшается, это приводит к увеличению средней температуры воздуха. Это, в свою очередь, увеличивает базовую температуру радиатора. Кроме того, увеличится тепловое сопротивление радиатора. Конечный результат - более высокая базовая температура радиатора.
- Увеличение теплового сопротивления радиатора при уменьшении расхода будет показано далее в этой статье.
Температура воздуха на входе сильно зависит от базовой температуры радиатора. Например, если в продукте есть рециркуляция воздуха, температура воздуха на входе не соответствует температуре окружающего воздуха. Следовательно, температура воздуха на входе в радиатор выше, что также приводит к более высокой базовой температуре радиатора.
Если вокруг радиатора нет воздушного потока, передача энергии невозможна.
Радиатор - это не устройство, обладающее «магической способностью поглощать тепло, как губка, и отправлять его в параллельную вселенную».^[4]

Естественная конвекция требует свободного прохождения воздуха через радиатор. Если ребра не выровнены по вертикали или если ребра расположены слишком близко друг к другу, чтобы обеспечить достаточный воздушный поток между ними, эффективность радиатора снизится.

Факторы дизайна

Термическое сопротивление

Для полупроводниковых устройств, используемых в разнообразной бытовой и промышленной электронике, идея термическое сопротивление упрощает выбор радиаторов. Тепловой поток между полупроводниковым кристаллом и окружающим воздухом моделируется как ряд сопротивлений тепловому потоку; существует сопротивление от матрицы к корпусу устройства, от корпуса к радиатору и от радиатора к окружающему воздуху. Сумма этих сопротивлений представляет собой полное тепловое сопротивление матрицы окружающему воздуху. Термическое сопротивление определяется как повышение температуры на единицу мощности, аналогично электрическому сопротивлению, и выражается в градусах Цельсия на ватт (° C / Вт). Если мощность рассеивания устройства в ваттах известна и общее тепловое сопротивление вычислено, можно рассчитать превышение температуры кристалла над окружающим воздухом.

Представление о тепловом сопротивлении полупроводникового радиатора является приблизительным. Он не учитывает неравномерное распределение тепла по устройству или радиатору. Он только моделирует систему, находящуюся в тепловом равновесии, и не принимает во внимание изменение температуры со временем. Он также не отражает нелинейность излучения и конвекции по отношению к повышению температуры. Однако производители приводят типичные значения термического сопротивления для радиаторов и полупроводниковых устройств, что позволяет упростить выбор серийно выпускаемых радиаторов.^[5]

Промышленные радиаторы из экструдированного алюминия имеют тепловое сопротивление (теплоотвод к окружающему воздуху) в диапазоне от 0,4 ° C / Вт для большой раковины, предназначенной для ТО-3 устройств, до 85 ° C / Вт для прикрепляемого радиатора для ТО-92 небольшой пластиковый корпус.^[5] Популярные 2N3055 силовой транзистор в корпусе ТО3 имеет внутреннее тепловое сопротивление от перехода к корпусу 1,52 ° C / Вт.^[6] Контакт между корпусом устройства и радиатором может иметь тепловое сопротивление между От 0,5 до 1,7 ° C / Вт, в зависимости от размера корпуса и использования смазки или изоляционной слюдяной шайбы.^[5]

Материал

Наиболее распространенные материалы радиатора: алюминиевые сплавы.^[7] Алюминиевый сплав 1050 имеет одно из самых высоких значений теплопроводности при 229 Вт / м • К ^[8] но механически мягкий. Алюминиевые сплавы 6060 (низкое напряжение), 6061, и 6063 обычно используются со значениями теплопроводности 166 и 201 Вт / м • К соответственно. Значения зависят от характер сплава. Цельные алюминиевые радиаторы могут быть изготовлены экструзия, Кастинг, зуботочение или фрезерование.

Медь имеет отличные теплоотводящие свойства с точки зрения теплопроводности, коррозионной стойкости, устойчивости к биологическому обрастанию и антимикробной стойкости (Смотрите также Медь в теплообменниках ). Медь имеет примерно вдвое большую теплопроводность, чем алюминий, около 400 Вт / м • К для чистой меди. Его основные области применения - промышленные объекты, электростанции, солнечная тепловая энергия водные системы, системы HVAC, газовые водонагреватели, системы воздушного отопления и охлаждения, геотермальное отопление и охлаждение, а также электронные системы.

Медь в три раза плотнее^[7] и дороже алюминия.^[7] Цельные медные радиаторы могут быть изготовлены зуботаж или же измельченный. Ребра из листового металла можно припаять к прямоугольному медному корпусу. Медь менее пластична, чем алюминий, поэтому ее нельзя прессовать в радиаторы.^[9]^[10]

Эффективность плавников

Эффективность ребра является одним из параметров, который делает важным материал с более высокой теплопроводностью. Ребро радиатора можно рассматривать как плоскую пластину с теплом, текущим с одного конца и рассеиваемым в окружающую жидкость по мере продвижения к другому.^[11] Когда тепло течет через ребро, сочетание теплового сопротивления радиатора, препятствующего потоку, и тепла, теряемого из-за конвекции, температуры ребра и, следовательно, теплопередачи к жидкости будут уменьшаться от основания до конец плавника. Эффективность ребра определяется как фактическое тепло, передаваемое ребром, деленное на теплопередачу, если ребро должно быть изотермическим (гипотетически ребро имеет бесконечную теплопроводность). Уравнения 6 и 7 применимы для прямых ласт:

{ displaystyle eta _ {f} = { frac { tanh (mL_ {c})} {mL_ {c}}}}

^[12] (6)

{ displaystyle mL_ {c} = { sqrt { frac {2h_ {f}} {kt_ {f}}}} L_ {f}}

^[12] (7)

Где:

час_ж это коэффициент конвекции плавника
- Воздух: от 10 до 100 Вт / (м²K)
- Вода: от 500 до 10 000 Вт / (м²K)
k - это теплопроводность материала плавников
- Алюминий: от 120 до 240 W /(м ·K )
L_ж высота ребра (м)
т_ж толщина ребра (м)

Эффективность ребра увеличивается за счет уменьшения ребра соотношение сторон (делая их толще или короче), или используя более проводящий материал (например, медь вместо алюминия).

Сопротивление растеканию

Другой параметр, который касается теплопроводности материала радиатора, - это сопротивление растеканию. Сопротивление растеканию возникает, когда тепловая энергия передается от небольшой площади к большей площади в веществе с конечной теплопроводностью. В радиаторе это означает, что тепло не распределяется равномерно через основание радиатора. Явление сопротивления растеканию проявляется в том, как тепло распространяется от источника тепла и вызывает большой градиент температуры между источником тепла и краями радиатора. Это означает, что некоторые ребра имеют более низкую температуру, чем если бы источник тепла был однородным по основанию радиатора. Эта неоднородность увеличивает эффективное тепловое сопротивление радиатора.

Чтобы уменьшить сопротивление растеканию в основании радиатора:

Увеличиваем толщину основы
Выберите другой материал с более высокой теплопроводностью.
Используйте паровую камеру или тепловая труба в основании радиатора

Аранжировки плавников

Типы радиаторов: штыревой, прямой и расширяющийся.

Штыревой радиатор - это радиатор, штырьки которого выступают из его основания. Штифты могут быть цилиндрическими, эллиптическими или квадратными. Штырь - это один из наиболее распространенных типов радиаторов, доступных на рынке.^{[нужна цитата ]} Второй тип расположения ребер радиатора - это прямые ребра. Они проходят по всей длине радиатора. Разновидностью радиатора с прямыми ребрами является радиатор с поперечным разрезом. Радиатор с прямым ребром режется через равные промежутки времени.

Как правило, чем больше площадь поверхности радиатора, тем лучше он работает.^[4] Однако это не всегда так. Концепция радиатора со штыревыми ребрами заключается в том, чтобы попытаться уместить как можно большую площадь поверхности в заданный объем.^[4] Кроме того, он хорошо работает в любой ориентации. Кордыбан^[4] сравнил характеристики плоского радиатора и радиатора с прямым ребром аналогичных размеров. Хотя штыревой плавник имеет 194 см.² площадь поверхности, в то время как прямой плавник имеет 58 см², разница температур между основанием радиатора и окружающим воздухом для штифтового ребра составляет 50 ° С. Для прямого ребра она была на 44 ° C или на 6 ° C лучше, чем для стержневого ребра. Характеристики теплоотвода со штыревыми ребрами значительно лучше, чем с прямыми ребрами, когда они используются по назначению, когда жидкость течет в осевом направлении вдоль штифтов (см. рисунок 17 ), а не только по касательной к штырям.

Сравнение плоского и плоского радиатора аналогичных размеров.
По данным ^[4]
Тип ребра радиатора	Ширина [см]	Длина [см]	Высота (см]	Площадь поверхности [см²]	Объем [см³]	Разница температур, Т_дело−T_{воздуха} [° C]
Прямой	2.5	2.5	3.2	58	20	44
Штырь	3.8	3.8	1.7	194	24	51

Другая конфигурация - радиатор с расширенными ребрами; его ребра не параллельны друг другу, как показано на рис. 5. Расширение ребер снижает сопротивление потоку и заставляет больше воздуха проходить через канал ребер радиатора; иначе через ласты попадет больше воздуха. Их наклон сохраняет общие размеры, но обеспечивает более длинные плавники. Форган и др.^[13] опубликовали данные испытаний, проведенных на радиаторах со штифтовым, прямым и расширяющимся ребрами. Они обнаружили, что при низкой скорости приближающегося воздуха, обычно около 1 м / с, тепловые характеристики как минимум на 20% лучше, чем у радиаторов с прямыми ребрами. Ласанс и Эггинк^[14] также обнаружили, что для конфигураций байпаса, которые они тестировали, расширяющийся радиатор работал лучше, чем другие протестированные радиаторы.

Полости (перевернутые плавники)

Полости (перевернутые ребра), встроенные в источник тепла, представляют собой области, образованные между соседними ребрами, которые являются основными промоторами пузырькового кипения или конденсации. Эти полости обычно используются для отвода тепла от различных тепловыделяющих элементов к радиатору.^[15]^[16]

Проводящая толстая пластина между источником тепла и радиатором

Размещение проводящей толстой пластины в качестве границы раздела теплопередачи между источником тепла и холодной текучей средой (или любым другим радиатором) может улучшить характеристики охлаждения. В такой конфигурации источник тепла охлаждается под толстой пластиной, а не в прямом контакте с охлаждающей жидкостью. Показано, что толстая пластина может значительно улучшить теплопередачу между источником тепла и охлаждающей жидкостью за счет оптимального проведения теплового тока. Двумя наиболее привлекательными преимуществами этого метода являются отсутствие дополнительной мощности откачки и дополнительной площади поверхности теплопередачи, что сильно отличается от ребер (удлиненных поверхностей).

Цвет поверхности

Карта флэш-памяти серверного уровня с черным радиатором.

В теплопередача от радиатора происходит за счет конвекции окружающего воздуха, проводимости через воздух и радиация.

Передача тепла за счет излучения зависит как от температуры радиатора, так и от температуры окружающей среды, с которой радиатор оптически связан. Когда обе эти температуры составляют порядка от 0 ° C до 100 ° C, вклад излучения по сравнению с конвекцией обычно невелик, и этим фактором часто пренебрегают. В этом случае оребренные радиаторы, работающие в режиме естественной конвекции или принудительного потока, не будут подвергаться значительному воздействию поверхности. излучательная способность.

В ситуациях с низкой конвекцией, например на плоской панели без ребер с низким потоком воздуха, радиационное охлаждение может быть существенным фактором. Здесь свойства поверхности могут быть важным фактором дизайна. Матово-черные поверхности будут излучать гораздо эффективнее, чем блестящий голый металл.^[17]^[18] Блестящая металлическая поверхность имеет низкий коэффициент излучения. Излучательная способность материала сильно зависит от частоты и связана с поглощающей способностью (которой на блестящих металлических поверхностях очень мало). Для большинства материалов коэффициент излучения в видимом спектре аналогичен коэффициенту излучения в инфракрасном спектре.^{[нужна цитата ]}; однако есть исключения, в частности, некоторые оксиды металлов, которые используются в качестве "селективные поверхности ".

В вакуум или в космическое пространство, конвективная теплопередача отсутствует, поэтому в этих средах излучение является единственным фактором, определяющим тепловой поток между радиатором и окружающей средой. Для спутника в космосе поверхность 100 ° C (373 Кельвина), обращенная к солнце поглотит много лучистого тепла, потому что солнце Температура поверхности у нас составляет почти 6000 Кельвинов, тогда как та же самая поверхность, обращенная в глубокий космос, будет излучать много тепла, поскольку эффективная температура глубокого космоса составляет всего несколько градусов Кельвина.

Инженерные приложения

Микропроцессорное охлаждение

Система охлаждения Asus Видеокарта GTX-650; видны три тепловые трубки

Рассеивание тепла - неизбежный побочный продукт электронных устройств и схем.^[11] Как правило, температура устройства или компонента будет зависеть от теплового сопротивления компонента окружающей среде и тепла, рассеиваемого компонентом. Чтобы компонент не перегреть, инженер-теплотехник пытается найти эффективный путь теплопередачи от устройства к окружающей среде. Путь теплопередачи может проходить от компонента к печатной плате (PCB), к радиатору, к воздушному потоку, обеспечиваемому вентилятором, но во всех случаях, в конечном итоге, в окружающую среду.

Два дополнительных конструктивных фактора также влияют на термические / механические характеристики теплового расчета:

Метод, с помощью которого радиатор устанавливается на компонент или процессор. Об этом и пойдет речь в разделе методы крепления.
Для каждого интерфейса между двумя объектами, контактирующими друг с другом, будет происходить перепад температуры на интерфейсе. Для таких композитных систем падение температуры на границе раздела может быть значительным.^[12] Это изменение температуры может быть связано с так называемым сопротивлением теплового контакта.^[12] Материалы термоинтерфейса (TIM) уменьшают сопротивление теплового контакта.

Методы прикрепления

По мере увеличения рассеиваемой мощности компонентов и уменьшения размера пакета компонентов инженеры-теплотехники должны вводить новшества, чтобы гарантировать, что компоненты не будут перегреть. Устройства с более низкой температурой служат дольше. Конструкция радиатора должна удовлетворять как тепловым, так и механическим требованиям. Что касается последнего, компонент должен оставаться в тепловом контакте со своим радиатором с умеренными ударами и вибрацией. Радиатор может быть медной фольгой печатной платы или отдельным радиатором, установленным на компонент или печатную плату. Методы крепления включают теплопроводящую ленту или эпоксидную смолу, проволочную форму. z клипы, плоские пружинные зажимы, распорные втулки и нажимные штифты с концами, которые расширяются после установки.

Лента теплопроводящая

Рулон теплопроводящей ленты.

Теплопроводящая лента - один из самых экономичных материалов для крепления радиаторов.^[19] Он подходит для радиаторов с малой массой и компонентов с низким уровнем рассеивания мощности. Он состоит из теплопроводного материала-носителя с самоклеящимся клеем с каждой стороны.

Эта лента наклеивается на основание радиатора, которое затем прикрепляется к компоненту. На характеристики термоленты влияют следующие факторы:^[19]

Поверхности компонента и радиатора должны быть чистыми, без остатков, например пленки силиконовая смазка.
Предварительное давление необходимо для обеспечения хорошего контакта. Недостаточное давление приводит к появлению участков, не соприкасающихся с захваченным воздухом, и приводит к более высокому, чем ожидалось, тепловому сопротивлению поверхности раздела.
Более толстые ленты имеют тенденцию обеспечивать лучшую «смачиваемость» неровных поверхностей компонентов. «Смачиваемость» - это процентная площадь контакта ленты с компонентом. Однако более толстые ленты обладают более высоким термическим сопротивлением, чем более тонкие. С точки зрения конструкции лучше всего соблюдать баланс, выбирая толщину ленты, которая обеспечивает максимальную «смачиваемость» при минимальном термическом сопротивлении.

Эпоксидная смола

Эпоксидная смола дороже ленты, но обеспечивает более прочное механическое соединение между радиатором и компонентом, а также улучшенную теплопроводность.^[19] Выбранная эпоксидная смола должна быть разработана для этой цели. Большинство эпоксидных смол представляют собой двухкомпонентные жидкие составы, которые необходимо тщательно перемешать перед нанесением на радиатор и перед установкой радиатора на компонент. Затем эпоксидная смола отверждается в течение определенного времени, которое может варьироваться от 2 до 48 часов. Более быстрое время отверждения может быть достигнуто при более высоких температурах. Поверхности, на которые наносится эпоксидная смола, должны быть чистыми и без остатков.

Эпоксидная связь между радиатором и компонентом полупостоянная / постоянная.^[19] Это делает переделку очень трудной, а иногда и невозможной. Наиболее типичным повреждением, вызываемым переделкой, является отделение теплораспределителя компонента от его корпуса.

Штифтовый радиатор с ребрами жесткости и Z-образным зажимом.

Проволока в форме Z-образных зажимов

Более дорогие, чем лента и эпоксидная смола, z-образные зажимы в виде проволоки механически прикрепляют радиаторы. Чтобы использовать z-образные зажимы, печатная плата должна иметь анкеры. Анкеры можно либо припаять к плате, либо протолкнуть. Любой из этих типов требует, чтобы в плате были сделаны отверстия. Использование припоя RoHS должно быть разрешено, потому что такой припой механически слабее, чем традиционный припой Pb / Sn.

Для сборки с z-клипса, прикрепите одну сторону к одному из анкеров. Отклоняйте пружину до тех пор, пока другая сторона зажима не войдет в другой фиксатор. Отклонение вызывает пружинную нагрузку на компонент, который поддерживает очень хороший контакт. В дополнение к механическому креплению, которое обеспечивает z-образный зажим, он также позволяет использовать материалы с более высокими характеристиками термического интерфейса, такие как типы с фазовым переходом.^[19]

Два способа крепления радиатора, а именно maxiGRIP (слева) и Talon Clip (справа).

Клипы

Доступно для процессоров и массив сетки мячей (BGA) компоненты, зажимы позволяют прикрепить радиатор BGA непосредственно к компоненту. Зажимы используют зазор, образованный решеткой шариков (BGA) между нижней стороной компонента и верхней поверхностью печатной платы. Таким образом, зажимы не требуют отверстий в печатной плате. Они также позволяют легко переделывать компоненты.

Пара булавок.

Нажимные штифты с пружинами сжатия

Для больших радиаторов и более высоких предварительных нагрузок очень эффективны нажимные штифты с пружинами сжатия.^[19] Нажимные штифты, обычно изготовленные из латуни или пластика, имеют на конце гибкий выступ, который входит в отверстие в печатной плате; после установки зубец удерживает штифт. Пружина сжатия удерживает узел вместе и поддерживает контакт между радиатором и компонентом. Требуется осторожность при выборе размера канцелярской кнопки. Слишком большое усилие вставки может привести к растрескиванию штампа и последующему отказу компонентов.

Резьбовые стойки с пружинами сжатия

Для очень больших радиаторов нет замены резьбовой стойке и креплению сжимающей пружины.^[19] Стойка с резьбой - это полая металлическая трубка с внутренней резьбой. Один конец закреплен винтом через отверстие в печатной плате. Другой конец принимает винт, который сжимает пружину, завершая сборку. В типичном радиаторе в сборе используются от двух до четырех стоек, что делает его наиболее дорогостоящим конструктивным элементом крепления радиатора. Еще один недостаток - необходимость в отверстиях на печатной плате.

Краткое описание способов крепления радиатора^[19]
Метод	Плюсы	Минусы	Расходы
Термолента	Легко прикрепить. Недорого.	Невозможно обеспечить механическое крепление для более тяжелых радиаторов или в условиях повышенной вибрации. Поверхность необходимо очистить для оптимальной адгезии. Теплопроводность от умеренной до низкой.	Очень низкий
Эпоксидная смола	Сильная механическая адгезия. Относительно недорогой.	Затрудняет переделку платы, так как может повредить компонент. Поверхность необходимо очистить для оптимальной адгезии.	Очень низкий
Проволока в форме Z-образных зажимов	Прочное механическое крепление. Легкое снятие / переделка. Применяет предварительную нагрузку к материалу термоинтерфейса, улучшая тепловые характеристики.	Требуются отверстия в плате или анкеры для пайки. Дороже, чем лента или эпоксидка. Индивидуальный дизайн.	Низкий
Клип на	Применяет предварительную нагрузку к материалу термоинтерфейса, улучшая тепловые характеристики. Не требует отверстий или анкеров. Легкое снятие / доработка.	Для зажима вокруг BGA должна быть зона "вне зоны действия". Дополнительные этапы сборки.	Низкий
Нажимной штифт с пружинами сжатия	Прочное механическое крепление. Максимальная предварительная нагрузка материала термоинтерфейса. Легкое снятие и установка.	Требуются отверстия в плате, что увеличивает сложность следов на плате.	Умеренный
Стойки с пружинами сжатия	Сильнейшее механическое крепление. Самый высокий предварительный натяг для материала термоинтерфейса. Идеально подходит для больших радиаторов.	Требуются отверстия в плате, что увеличивает сложность разметки трасс. Сложная сборка.	Высоко

Материалы термоинтерфейса

Теплопроводность и сопротивление интерфейса составляют часть сопротивления теплового интерфейса материала теплового интерфейса.

Сопротивление термического контакта возникает из-за пустот, создаваемых эффектами шероховатости поверхности, дефектами и несовпадением границы раздела. Пустоты на границе раздела заполнены воздухом. Таким образом, теплопередача происходит из-за проводимости через фактическую площадь контакта и за счет теплопроводности (или естественной конвекции) и излучения через зазоры.^[12] Если площадь контакта мала, как для шероховатых поверхностей, основной вклад в сопротивление вносят зазоры.^[12] Чтобы уменьшить сопротивление теплового контакта, шероховатость поверхности может быть уменьшена при увеличении давления на границе раздела. Однако эти методы улучшения не всегда практичны или возможны для электронного оборудования. Термоинтерфейсные материалы (TIM) являются обычным способом преодоления этих ограничений.

Правильно нанесенные термоинтерфейсные материалы вытесняют воздух, который присутствует в зазорах между двумя объектами, с помощью материала, который имеет гораздо более высокую теплопроводность. Воздух имеет теплопроводность 0,022 Вт / м • К.^[20] в то время как TIM имеют проводимость 0,3 Вт / м • К^[21] и выше.

При выборе TIM необходимо обращать внимание на значения, указанные производителем. Большинство производителей указывают значение теплопроводности материала. Однако коэффициент теплопроводности не учитывает интерфейсные сопротивления. Следовательно, если TIM имеет высокую теплопроводность, это не обязательно означает, что сопротивление интерфейса будет низким.

Выбор TIM основан на трех параметрах: межфазный зазор, который должен заполнить TIM, контактное давление и удельное электрическое сопротивление TIM. Контактное давление - это давление, приложенное к границе раздела между двумя материалами. В подборку не входит стоимость материала. Удельное электрическое сопротивление может быть важным в зависимости от деталей электрической конструкции.

Выбор на основе зазора в интерфейсе^[21]
Значения зазора интерфейса		Доступные типы продуктов
<0,05 мм	<2 мил	Термопаста, эпоксидная смола, материалы с фазовым переходом
0,05 - 0,1 мм	2-5 мил	Материалы с фазовым переходом, полиимид, графит или алюминиевые ленты
0,1 - 0,5 мм	5-18 мил	С силиконовым покрытием ткани
> 0,5 мм	> 18 мил	Заполнители зазоров

Выбор на основе контактного давления^[21]
Шкала контактного давления	Типичные диапазоны давления	Доступные типы продуктов
Очень низкий	<70 кПа	Заполнители зазоров
Низкий	<140 кПа	Термопаста, эпоксидные, полиимидные, графитовые или алюминиевые ленты
Высоко	2 МПа	Ткани с силиконовым покрытием

Выбор на основе диэлектрической прочности^[21]
Электрическая изоляция	Диэлектрическая прочность	Типичные значения		Доступные типы продуктов
Не требуется	Нет данных	Нет данных	Нет данных	Термопаста, эпоксидная смола, материалы с фазовым переходом, графит, или алюминиевые ленты.
Необходимый	Низкий	10 кВ / мм	<300 В / мил	С силиконовым покрытием ткани, заполнители зазоров
Необходимый	Высоко	60 кВ / мм	> 1500 В / мил	Полиимид Лента

Примечания по применению TIM в зависимости от типа продукта
Тип продукта	Примечания к применению	Тепловые характеристики
Термопаста	Грязный. Трудоемкий. Сравнительно долгое время сборки.	++++
Эпоксидная смола	Создает «постоянную» интерфейсную связь.	++++
Изменение фазы	Позволяет предварительно прикрепить. Смягчается и соответствует поверхностным дефектам при рабочих температурах. Может быть перемещен в поле.	++++
Термоленты, в том числе графитовые, полиимидные и алюминиевые.	Легко наносится. Некоторая механическая прочность.	+++
Ткани с силиконовым покрытием	Обеспечивают амортизацию и герметизацию, сохраняя при этом теплообмен.	+
Заполнитель зазора	Может использоваться для термического соединения компонентов разной высоты с теплораспределителем или радиатором. Естественно липкий.	++

Светодиоды высокой мощности от Компания Philips Lumileds по освещению установлен на алюминиевом сердечнике в форме звезды диаметром 21 мм Печатные платы

Светодиодные лампы

Светодиод Рабочие характеристики и срок службы (светодиодов) сильно зависят от их температуры.^[22] Поэтому необходимо эффективное охлаждение. Пример использования даунлайтера на основе светодиодов показывает пример расчетов, выполненных для расчета необходимого радиатора, необходимого для эффективного охлаждения системы освещения.^[23] В статье также показано, что для получения уверенности в результатах требуется несколько независимых решений, дающих схожие результаты. В частности, результаты экспериментальных, численных и теоретических методов должны находиться в пределах 10% друг от друга, чтобы обеспечить высокую достоверность результатов.

В пайке

При пайке печатных плат иногда используются временные радиаторы, предотвращающие повреждение чувствительной близлежащей электроники из-за чрезмерного нагрева. В простейшем случае это означает частичный захват компонента с помощью зажима типа «крокодил» из тяжелого металла, кровоостанавливающий, или аналогичный зажим. Современные полупроводниковые приборы, которые спроектированы для сборки пайкой оплавлением, обычно могут выдерживать температуры пайки без повреждений. С другой стороны, электрические компоненты, такие как магнитные герконы может выйти из строя, если подвергнуться воздействию более горячих паяльников, поэтому эта практика все еще широко используется.^[24]

Методы определения производительности

Как правило, характеристики радиатора зависят от теплопроводности материала, размеров, типа ребер и т.д. коэффициент теплопередачи, расход воздуха и размер воздуховода. Чтобы определить тепловые характеристики радиатора, можно создать теоретическую модель. В качестве альтернативы тепловые характеристики можно измерить экспериментально. Из-за сложной природы сильно трехмерного потока в современных приложениях численные методы или вычислительная гидродинамика (CFD) также можно использовать. В этом разделе будут обсуждаться вышеупомянутые методы определения тепловых характеристик радиатора.

Теоретическая модель теплопередачи

Эскиз радиатора с эквивалентным тепловым сопротивлением.

График зависимости теплового сопротивления и коэффициента теплопередачи от расхода для конкретной конструкции радиатора, используемой в.^[25] Данные были получены с использованием уравнений, представленных в статье. Данные показывают, что с увеличением расхода воздуха тепловое сопротивление радиатора уменьшается.

Одним из методов определения характеристик радиатора является использование теории теплопередачи и гидродинамики. Один такой метод был опубликован Jeggels и др.,^[25] хотя эта работа ограничивается воздуховодом. Воздух в канале проходит через канал, который плотно прилегает к радиатору. Это гарантирует, что весь воздух проходит через каналы, образованные ребрами радиатора. Когда воздушный поток не направлен в воздуховод, определенный процент воздушного потока будет проходить в обход радиатора. Было обнаружено, что байпас потока увеличивается с увеличением плотности ребер и зазора, оставаясь при этом относительно нечувствительным к скорости впускного канала.^[26]

Модель теплового сопротивления радиатора состоит из двух сопротивлений, а именно сопротивления в основании радиатора, ${ displaystyle R_ {b}}$ , и сопротивление в плавниках, ${ displaystyle R_ {f}}$ . Тепловое сопротивление основания радиатора, ${ displaystyle R_ {b}}$ , можно записать следующим образом, если источником является равномерно приложенное основание радиатора. Если это не так, то базовое сопротивление - это в первую очередь сопротивление распространения:

{ displaystyle R_ {b} = { frac {t_ {b}} {kA_ {b}}}}

(4)

куда ${ displaystyle t_ {b}}$ толщина основания радиатора, ${ displaystyle k}$ - теплопроводность материала радиатора и ${ displaystyle A_ {b}}$ - площадь основания радиатора.

Тепловое сопротивление от основания ребер воздуху, ${ displaystyle R_ {f}}$ , можно рассчитать по следующим формулам:

{ displaystyle R_ {f} = { frac {1} {nh_ {f} W_ {f} left (t_ {f} +2 eta _ {f} L_ {f} right)}}}

(5)

{ displaystyle eta _ {f} = { frac { tanh {mL_ {c}}} {mL_ {c}}}}

^[12] (6)

{ displaystyle mL_ {c} = { sqrt { frac {2h_ {f}} {kt_ {f}}}} L_ {f}}

^[12] (7)

{ displaystyle D_ {h} = { frac {4A_ {ch}} {P_ {ch}}}}

(8)

{ displaystyle Re = { frac {4 { dot {G}} rho} {n pi D_ {h} mu}}}

(9)

{ displaystyle f = (0,79 ln Re-1,64) ^ {- 2}}

^[27] (10)

{ displaystyle Nu = { frac {(f / 8) (Re-1000) Pr} {1 + 12,7 (f / 8) ^ {0,5} (Pr ^ { frac {2} {3}} - 1) }}}

^[27] (11)

{ displaystyle h_ {f} = { frac {Nuk_ {air}} {D_ {h}}}}

(12)

{ displaystyle rho = { frac {P_ {atm}} {R_ {a} T_ {in}}}}

(13)

Расход можно определить по пересечению кривой системы радиатора и кривой вентилятора. Кривая системы теплоотвода может быть рассчитана по гидравлическому сопротивлению каналов и потерям на входе и выходе, как это делается в стандартных учебниках по механике жидкости, таких как Potter, et al.^[28] и белый.^[29]

Если известны сопротивления основания и ребер радиатора, тогда тепловое сопротивление радиатора, ${ displaystyle R_ {hs}}$ можно рассчитать как:

{ displaystyle R_ {hs} = R_ {b} + R_ {f}}

(14).

Используя уравнения с 5 по 13 и размерные данные в,^[25] Термическое сопротивление ребер рассчитывалось для различных расходов воздуха. Данные по тепловому сопротивлению и коэффициенту теплопередачи показаны на диаграмме, которая показывает, что с увеличением расхода воздуха тепловое сопротивление радиатора уменьшается.

Экспериментальные методы

Экспериментальные испытания - один из наиболее популярных способов определения тепловых характеристик радиатора. Чтобы определить тепловое сопротивление радиатора, необходимо знать расход, входную мощность, температуру воздуха на входе и базовую температуру радиатора. Для результатов испытаний воздуховодов обычно предоставляются данные, предоставленные поставщиком.^[30] Однако результаты оптимистичны и могут дать неверные данные, когда радиаторы используются в ненадлежащем приложении. Более подробную информацию о методах тестирования радиаторов и общих упущениях можно найти в Azar, et al.^[30]

Численные методы

Радиальный радиатор с тепловым профилем и траекториями закрученного потока принудительной конвекции, спрогнозированные с помощью CFD пакет анализа

В промышленности термический анализ часто игнорируется в процессе проектирования или выполняется слишком поздно - когда конструктивные изменения ограничены и становятся слишком дорогостоящими.^[11] Из трех методов, упомянутых в этой статье, теоретические и численные методы могут быть использованы для определения оценки теплоотвода или температуры компонентов продуктов до создания физической модели. Теоретическая модель обычно используется в качестве оценки первого порядка. Онлайн калькуляторы радиатора^[31] может обеспечить разумную оценку характеристик теплоотвода с принудительной и естественной конвекцией на основе комбинации теоретических и полученных эмпирическим путем корреляций. Численные методы или вычислительная гидродинамика (CFD) обеспечивают качественное (а иногда даже количественное) прогнозирование потоков жидкости.^[32]^[33] Это означает, что он даст визуальный или постобработанный результат моделирования, такой как изображения на рисунках 16 и 17 и анимация CFD на рисунках 18 и 19, но количественная или абсолютная точность результата зависит от включение и точность соответствующих параметров.

CFD может дать представление о схемах течения, которые сложно, дорого или невозможно изучить экспериментальными методами.^[32] Эксперименты могут дать количественное описание явлений потока, используя измерения для одной величины за раз, в ограниченное количество точек и моментов времени. Если полномасштабная модель недоступна или непрактична, можно использовать масштабные модели или манекены. Эксперименты могут иметь ограниченный круг задач и условий эксплуатации. Моделирование может дать прогноз явлений потока с использованием программного обеспечения CFD для всех желаемых величин, с высоким разрешением в пространстве и времени, практически для любых проблем и реалистичных рабочих условий. Однако, если это критично, результаты могут нуждаться в подтверждении.^[4]

Штифтовый радиатор с тепловым профилем и траекториями потока свободной конвекции, спрогнозированные с использованием CFD пакет анализа

Штыревой радиатор диаметром 38 мм и высотой 50 мм с тепловым профилем и закрученными анимированными траекториями потока принудительной конвекции от осевого вентилятора, спрогнозированные с использованием CFD пакет анализа

Радиатор с прямыми оребрениями размером 60 мм на 60 мм на 10 мм с тепловым профилем и закрученными анимированными траекториями потока принудительной конвекции от осевого вентилятора, спрогнозированные с использованием CFD пакет анализа

Смотрите также

внешняя ссылка

[1] "GlacialTech анонсирует радиатор Igloo FS125S 30 Вт, изготовленный методом холодной ковки с ребрами жесткости". Эко-Бизнес. Получено 2016-01-19.

[2] Вон, Арлисса. «Обзор методов охлаждения для источников питания AC-DC и DC-DC». www.aegispower.com. Получено 2017-10-15.

[3] «Соображения по проектированию для управления температурным режимом источников питания» (PDF). www.cui.com. п. 3. Получено 2017-10-15.

[TK-4] а ^б ^c ^d ^е ^ж Кордыбан Т. (1998). Подъем горячего воздуха и радиаторы: все, что вы знаете об охлаждающей электронике, неверно. ASME Press. ISBN 978-0791800744.

[National75-5] а ^б ^c Нелло Севастопулос и др., Справочник по национальным полупроводниковым регуляторам напряжения, National Semiconductor Corp., 1975 главы 4, 5,6

[6] Тип 2N3055 N-P-N Одиночный диффузионный кремниевый силовой транзистор Mesa технический паспорт, Texas Instruments, номер бюллетеня DL-S-719659, август 1967 г., исправлено в декабре 1971 г.

[San-7] а ^б ^c Аноним, Неизвестный, «Выбор радиатора» В архиве 2012-03-05 в Wayback Machine, Факультет машиностроения, Государственный университет Сан-Хосе [27 января 2010 г.].

[AL-8] "Организация по алюминиевому веществу Великобритании". Архивировано из оригинал на 2010-04-11. Получено 2010-04-04.

[9] «Медные радиаторы». Cooliance. Архивировано из оригинал на 2014-10-11.

[10] «Конструкция и выбор радиатора: материал». Радиаторы ABL.

[Krum-11] а ^б ^c Sergent, J .; Крам, А. (1998). Руководство по терморегулированию электронных сборок (Первое изд.). Макгроу-Хилл.

[Incro-12] а ^б ^c ^d ^е ^ж ^грамм ^час Incropera, F.P. и DeWitt, D.P., 1985, Введение в теплопередачу, John Wiley and sons, NY.

[Forghan-13] Форган, Ф., Голдтуэйт, Д., Улински, М., Метгалчи, М., 2001, Экспериментальное и теоретическое исследование тепловых характеристик теплоотводов, ISME May.

[Lasance-14] Ласанс, К.Дж.М и Эггинк, Х.Дж., 2001, Метод ранжирования радиаторов на практике: Тестер производительности радиатора, 21-й симпозиум IEEE SEMI-THERM.

[15] Biserni, C .; Rocha, L.A.O .; Бежан, А. (2004). «Перевернутые плавники: геометрическая оптимизация проникновения в проводящую стену». Международный журнал тепломассообмена. 47 (12–13): 2577–2586. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2003.12.018.

[16] Lorenzini, G .; Biserni, C .; Роча, Л.А.О. (2011). «Геометрическая оптимизация изотермических полостей по теории Бежана». Международный журнал тепломассообмена. 54 (17–18): 3868–3873. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2011.04.042.

[17] Морнхинвег, Манфред. «Тепловой расчет». ludens.cl.

[18] «Влияние анодирования на радиационную теплопередачу - радиаторы». www.aavid.com.

[Attach-19] а ^б ^c ^d ^е ^ж ^грамм ^час Азар, К. и др., 2008, «Теплопроводящие ленты», can-dotape.com, дата обращения 21.03.2013

[Lienard-20] Лиенар, Дж. Х., IV и V (2004). Учебник по теплопередаче (Третье изд.). Массачусетский технологический институт.

[Saint-21] а ^б ^c ^d Сен-Гобен (2004). «Решения по управлению температурным режимом для электронного оборудования» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 18 октября 2006 г.. Получено 22 июля 2008. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[Bider-22] Бидер, К. (2009). «Влияние тепловой среды на световое излучение и срок службы светодиодов» (PDF). Обзор LED Professional, май / июнь 2009 г..

[Eng-23] Азар, К .; и другие. (Сентябрь 2009 г.). «Светодиодное освещение: пример управления температурным режимом» (PDF). Электронный журнал Qpedia Thermal.

[James-24] Джеймс Джонстон, «Герконовые переключатели», Электроника в Meccano, Выпуск 6, январь 2000 г.

[Jeggels-25] а ^б ^c Jeggels, Y.U .; Добсон, Р. Т .; Джеггельс, Д. Х. (2007). Сравнение эффективности охлаждения между тепловой трубкой и алюминиевыми проводниками для корпусов электронного оборудования. Материалы 14-й Международной конференции по тепловым трубам, Флорианополис, Бразилия.

[Prstic-26] Prstic, S .; Айенгар, М .; Бар-Коэн, А. (2000). «Эффект байпаса в высокоэффективных радиаторах». Материалы Международного семинара по термическим наукам Блед, Словения, 11 - 14 июня.

[Mills-27] а ^б Миллс, A.F., 1999, Теплопередача, Второе издание, Prentice Hall.

[Potter-28] Potter, C.M .; Виггерт, Д. К. (2002). Механика жидкости (Третье изд.). Брукс / Коул.

[White-29] Уайт, Ф. М. (1999). Гидравлическая механика (Четвертое изд.). McGraw-Hill International.

[HSTM-30] а ^б Азар, А .; и другие. (Январь 2009 г.). «Методы тестирования радиаторов и общие упущения» (PDF). Электронный журнал Qpedia Thermal.

[31] «Калькулятор радиатора: онлайн-анализ и проектирование радиатора». heatsinkcalculator.com.

[DK-32] а ^б Кузьмин Д. Неизвестный, «Курс: Введение в CFD», Дортмундский технологический университет.

[33] Ким, Со Ён; Ку, Джэ-Мо; Кузнецов, Андрей В. (2001). «Влияние анизотропии проницаемости и эффективной теплопроводности на тепловые характеристики радиатора из вспененного алюминия». Числовая теплопередача, часть A: приложения. 40 (1): 21–36. Bibcode:2001НТА ... 40 ... 21К. Дои:10.1080/104077801300348851.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]