Радиатор

Пассивный теплообменник, передающий тепло

Радиатор с вентиляторным охлаждением процессора персонального компьютера. Справа находится радиатор меньшего размера, охлаждающий другую интегральную схему материнской платы.

Типичная комбинация радиатора и вентилятора, встречающаяся на потребительском ноутбуке. Тепловые трубки, содержащие рабочую жидкость, непосредственно контактируют с процессором и графическим процессором, отводя тепло от компонента и передавая его набору ребер, установленному на выпускном отверстии охлаждающего вентилятора. Пакет ребер действует как теплообменник жидкость-жидкость, передающий тепловую энергию от рабочей жидкости внутри тепловых трубок (трубок) окружающему воздуху в нерабочем состоянии.

Радиатор (алюминий) с тепловыми трубками (медь) и вентилятором (черный).

Радиатор (также обычно называемый радиатором ^[1] ) — это пассивный теплообменник , который передает тепло, генерируемое электронным или механическим устройством, в текучую среду , часто воздух или жидкий хладагент, где оно рассеивается от устройства. тем самым позволяя регулировать температуру устройства. В компьютерах радиаторы используются для охлаждения процессоров , графических процессоров , а также некоторых наборов микросхем и модулей оперативной памяти. Радиаторы используются с другими мощными полупроводниковыми устройствами , такими как силовые транзисторы и оптоэлектроника, такая как лазеры и светодиоды (светодиоды), где способность рассеивания тепла самого компонента недостаточна для снижения его температуры.

Радиатор спроектирован таким образом, чтобы максимально увеличить площадь его поверхности, контактирующей с окружающей его охлаждающей средой, например с воздухом. Скорость воздуха, выбор материала, конструкция выступа и обработка поверхности — факторы, влияющие на производительность радиатора. Способы крепления радиатора и материалы термоинтерфейса также влияют на температуру кристалла интегральной схемы. Термоклей или термопаста улучшают характеристики радиатора, заполняя воздушные зазоры между радиатором и теплоотводом на устройстве. Радиатор обычно изготавливается из алюминия или меди.

Принцип теплопередачи

Радиатор передает тепловую энергию от устройства с более высокой температурой к жидкой среде с более низкой температурой. Жидкой средой часто является воздух, но также может быть вода, хладагенты или масло. Если текучей средой является вода, радиатор часто называют холодной пластиной. В термодинамике радиатор — это резервуар тепла , который может поглощать произвольное количество тепла без существенного изменения температуры. Практические радиаторы для электронных устройств должны иметь температуру выше, чем температура окружающей среды, чтобы передавать тепло посредством конвекции, излучения и проводимости. Источники питания электроники не совсем эффективны, поэтому выделяется лишнее тепло, которое может нанести вред работе устройства. Таким образом, в конструкцию включен радиатор для рассеивания тепла.

Закон теплопроводности Фурье показывает, что при наличии градиента температуры в теле тепло будет передаваться из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Скорость передачи тепла за счет проводимости пропорциональна произведению градиента температуры и площади поперечного сечения, через которое передается тепло. Если его упростить до одномерной формы в направлении x , его можно выразить как: ${\displaystyle q_{k}}$

${\displaystyle q_{k}=-kA{\frac {dT}{dx}}.}$

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

Для радиатора в воздуховоде, где воздух течет через воздуховод, основание радиатора обычно будет горячее, чем воздух, проходящий через воздуховод. Применение закона сохранения энергии для установившихся условий и закона охлаждения Ньютона к температурным узлам, показанным на диаграмме, дает следующую систему уравнений:

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

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

где

${\displaystyle T_{\text{air,av}}={\frac {T_{\text{air,in}}+T_{\text{air,out}}}{2}}.}$

${\displaystyle {\dot {m}}}$- массовый расход воздуха в кг/с

${\displaystyle c_{p,{\text{in}}}}$— удельная теплоемкость поступающего воздуха, Дж/(кг·°С)

${\displaystyle {R_{\text{hs}}}}$термическое сопротивление радиатора

Использование средней температуры воздуха является допущением, справедливым для относительно коротких радиаторов. При расчете компактных теплообменников используется среднелогарифмическая температура воздуха.

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 и термическое сопротивление радиатора. Конечным результатом является более высокая базовая температура радиатора.
  • Увеличение теплового сопротивления радиатора при уменьшении скорости потока будет показано далее в этой статье.
• Температура входящего воздуха тесно связана с базовой температурой радиатора. Например, если в изделии используется рециркуляция воздуха, температура входящего воздуха не совпадает с температурой окружающего воздуха. Поэтому температура воздуха на входе в радиатор выше, что также приводит к более высокой базовой температуре радиатора.
• Если вокруг радиатора нет потока воздуха, передача энергии невозможна.
• Радиатор — это не устройство, обладающее «волшебной способностью поглощать тепло, как губка, и отправлять его в параллельную вселенную». ^[2]

Естественная конвекция требует свободного потока воздуха над радиатором. Если ребра не выровнены вертикально или если ребра расположены слишком близко друг к другу, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха между ними, эффективность радиатора снизится.

Факторы проектирования

Радиаторы силовых транзисторов . Слева для пакета ТО-3, справа для пакета ТО-220, посередине для двух ТО-220.

Термическое сопротивление

Для полупроводниковых устройств, используемых в разнообразной бытовой и промышленной электронике, идея термического сопротивления упрощает выбор радиаторов. Тепловой поток между полупроводниковым кристаллом и окружающим воздухом моделируется как ряд сопротивлений тепловому потоку; существует сопротивление от кристалла к корпусу устройства, от корпуса к радиатору и от радиатора к окружающему воздуху. Сумма этих сопротивлений представляет собой общее 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 известна рассеиваемая мощность устройства в ваттах и ​​рассчитано общее тепловое сопротивление, можно рассчитать превышение температуры кристалла над окружающим воздухом.

Представление о термическом сопротивлении полупроводникового радиатора является приближенным. Он не учитывает неравномерное распределение тепла по устройству или радиатору. Он моделирует только систему, находящуюся в тепловом равновесии, и не учитывает изменение температуры со временем. Оно также не отражает нелинейность излучения и конвекции по отношению к повышению температуры. Однако типовые значения термического сопротивления радиаторов и полупроводниковых приборов производители заносят в таблицы, что позволяет упростить выбор радиаторов, выпускаемых серийно. ^[3]

Коммерческие радиаторы из экструдированного алюминия имеют тепловое сопротивление (радиатор относительно окружающего воздуха) от 0,4 °C/Вт для большого радиатора, предназначенного для устройств TO-3 , до 85 °C/Вт для прикрепляемого радиатора. мойка для небольшого пластикового корпуса ТО-92 . ^[3] Популярный силовой транзистор 2N3055 в корпусе ТО-3 имеет внутреннее тепловое сопротивление от перехода до корпуса 1,52 °C/Вт . ^[4] Контакт между корпусом устройства и радиатором может иметь термическое сопротивление от 0,5 до 1,7 °C/Вт , в зависимости от размера корпуса и использования смазки или изолирующей слюдяной шайбы. ^[3]

Материал

Материалы для радиаторов должны иметь высокую теплоемкость и теплопроводность, чтобы поглощать больше тепловой энергии, не смещаясь в сторону очень высокой температуры, и передавать ее в окружающую среду для эффективного охлаждения. ^[5] Наиболее распространенными материалами радиаторов являются алюминиевые сплавы . ^[6] Алюминиевый сплав 1050 имеет один из самых высоких значений теплопроводности — 229 Вт/(м·К) и теплоемкость 922 Дж/(кг·К), ^[7] но является механически мягким. Обычно используются алюминиевые сплавы 6060 (низконапряженные), 6061 и 6063 со значениями теплопроводности 166 и 201 Вт/(м·К) соответственно. Значения зависят от состояния сплава. Цельные алюминиевые радиаторы могут быть изготовлены методом экструзии , литья , шлифования или фрезерования .

Медь обладает превосходными теплоотводящими свойствами с точки зрения теплопроводности, коррозионной стойкости, устойчивости к биообрастанию и антимикробной стойкости (см. 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, солнечные термальные водные системы, системы HVAC, газовые водонагреватели, системы принудительного воздушного отопления и охлаждения, геотермальное отопление и охлаждение, а также электронные системы.

Медь в три раза плотнее ^[6] и дороже алюминия, а медь менее пластична, чем алюминий. ^[6] Цельные медные радиаторы могут быть изготовлены путем зачистки или фрезерования . Ребра из листового металла можно припаять к прямоугольному медному корпусу. ^{[8] [9]}

Эффективность плавника

Эффективность ребер является одним из параметров, который делает важным материал с более высокой теплопроводностью. Ребро радиатора можно рассматривать как плоскую пластину, тепло которой течет на одном конце и рассеивается в окружающую жидкость по мере продвижения к другому. ^[10] По мере прохождения тепла через ребро, сочетание теплового сопротивления радиатора, препятствующего потоку, и тепла, потерянного из-за конвекции, температура ребра и, следовательно, передача тепла жидкости будет уменьшаться с основание до конца плавника. Эффективность ребра определяется как фактическое количество тепла, передаваемое ребром, деленное на теплопередачу, если ребро изотермическое (гипотетически ребро имеет бесконечную теплопроводность). Эти уравнения применимы для прямых плавников: ^[11]

${\displaystyle \eta _{\text{f}}={\frac {\tanh(mL_{c})}{mL_{c}}},}$

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{\text{f}}}{kt_{\text{f}}}}}L_{\text{f}},}$

где

h _f – коэффициент конвекции ребра:

от 10 до 100 Вт/(м ² ·К) на воздухе,

от 500 до 10 000 Вт/(м ² ·К) в воде,

k — теплопроводность материала ребра:

от 120 до 240 Вт /( м · К ) для алюминия,

L _f – высота плавника (м),

t _f – толщина ребра (м).

Эффективность ребер увеличивается за счет уменьшения соотношения сторон ребер (сделав их толще или короче) или за счет использования более проводящего материала (например, меди вместо алюминия).

Сопротивление растеканию

Еще одним параметром, касающимся теплопроводности материала радиатора, является сопротивление растеканию. Сопротивление растеканию возникает, когда тепловая энергия передается от небольшой площади к большей площади в веществе с конечной теплопроводностью. В случае радиатора это означает, что тепло не распределяется равномерно по основанию 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 равномерным по всему основанию радиатора. Эта неравномерность увеличивает эффективное тепловое сопротивление радиатора.

Чтобы уменьшить сопротивление растеканию в основании радиатора:

• увеличить толщину основания,
• выбрать другой материал с более высокой теплопроводностью,
• используйте испарительную камеру или тепловую трубку в основании радиатора.

Финские механизмы

Типы радиаторов: штыревой, прямой и расширяющийся.

Радиатор со штыревыми ребрами — это радиатор, штыри которого выходят из его основания. Штифты могут быть цилиндрическими, эллиптическими или квадратными. Второй тип расположения ребер радиатора — это прямое ребро. Разновидностью радиатора с прямыми ребрами является радиатор с поперечным разрезом. Третий тип радиатора — это радиатор с расширяющимися ребрами, в котором ребра не параллельны друг другу. Расширение ребер уменьшает сопротивление потоку и заставляет больше воздуха проходить через канал ребер радиатора; в противном случае больше воздуха будет проходить мимо ребер. Если их наклонить, общие размеры остаются прежними, но ребра становятся более длинными. Примеры трех типов показаны на изображении справа.

Форган и др. ^[12] опубликовали данные об испытаниях радиаторов со штыревыми, прямыми и расширяющимися ребрами. Они обнаружили, что при низкой скорости приближения воздуха, обычно около 1 м/с, тепловые характеристики как минимум на 20% лучше, чем у радиаторов с прямыми ребрами. Ласанс и Эггинк ^[13] также обнаружили, что для протестированных ими конфигураций байпаса расширяющийся радиатор работал лучше, чем другие протестированные радиаторы.

Свободно-конвекционный поток вокруг радиатора со штыревыми ребрами

Как правило, чем больше площадь поверхности радиатора, тем лучше его производительность. ^[2] Реальная производительность зависит от конструкции и применения. Идея радиатора со штифтовыми ребрами заключается в том, чтобы упаковать как можно большую площадь поверхности в заданный объем при работе при любой ориентации потока жидкости. ^[2] Кордыбан ^​​[2] сравнил характеристики радиатора со штыревым и прямым ребром аналогичных размеров. Хотя площадь поверхности штифтового ребра составляет 194 см ² , а площадь прямого ребра — 58 см ² , разница температур между основанием радиатора и окружающим воздухом для штифтового ребра составляет 50 °C , а для прямого ребра она составляет 50 °C. была на 44 °C, что на 6 °C лучше, чем у штыревого плавника. Характеристики радиатора со штыревыми ребрами значительно лучше, чем у прямых ребер, при их оптимальном использовании, когда жидкость течет в осевом направлении вдоль штифтов, а не только по касательной поперек штифтов.

Полости (перевернутые ребра)

Полости (перевернутые ребра), встроенные в источник тепла, представляют собой области, образующиеся между соседними ребрами, которые являются важными стимуляторами пузырькового кипения или конденсации. Эти полости обычно используются для отвода тепла от различных тепловыделяющих тел к радиатору. ^{[14] [15]}

Проводящая толстая пластина между источником тепла и радиатором

Размещение проводящей толстой пластины в качестве теплопередающего интерфейса между источником тепла и холодной текущей жидкостью (или любым другим радиатором) может улучшить эффективность охлаждения. В такой конструкции источник тепла охлаждается под толстой пластиной, а не при прямом контакте с охлаждающей жидкостью. Показано , что ^{толстая пластина} может значительно улучшить теплообмен между источником тепла и охлаждающей жидкостью за счет оптимального проведения теплового потока ^. Двумя наиболее привлекательными преимуществами этого метода являются отсутствие дополнительной мощности накачки и дополнительной площади поверхности теплопередачи, что сильно отличается от ребер (расширенных поверхностей).

Цвет поверхности

Карта флэш-памяти серверного класса с черным радиатором.

Передача тепла от радиатора происходит за счет конвекции окружающего воздуха, проводимости через воздух и излучения .

Передача тепла излучением является функцией как температуры радиатора, так и температуры окружающей среды, с которой радиатор оптически связан. Когда обе эти температуры составляют порядка 0–100 °C, вклад излучения по сравнению с конвекцией обычно невелик, и этим фактором часто пренебрегают. В этом случае на ребристые радиаторы, работающие как с естественной конвекцией, так и с принудительным потоком, не будет существенно влиять коэффициент излучения поверхности .

В ситуациях, когда конвекция низкая, например, в случае плоской панели без ребер с низким потоком воздуха, радиационное охлаждение может быть важным фактором. Здесь свойства поверхности могут быть важным фактором проектирования. Матово-черные поверхности излучают гораздо эффективнее, чем блестящий голый металл. ^{[16] [17]} Блестящая металлическая поверхность имеет низкий коэффициент излучения. Излучательная способность материала сильно зависит от частоты и связана с поглощающей способностью (которой у блестящих металлических поверхностей очень мало). Для большинства материалов излучательная способность в видимом спектре аналогична излучательной способности в инфракрасном спектре; ^{[ нужна ссылка ]} Однако есть исключения – в частности, некоторые оксиды металлов, которые используются в качестве « селективных поверхностей ».

В вакууме или космическом пространстве конвективный теплообмен отсутствует, поэтому в этих средах излучение является единственным фактором, определяющим тепловой поток между радиатором и окружающей средой. Для спутника в космосе поверхность с температурой 100 °C (373 К), обращенная к Солнцу, будет поглощать много лучистого тепла, поскольку температура поверхности Солнца составляет почти 6000 К, тогда как та же поверхность, обращенная в глубокий космос, будет излучать много лучистого тепла. тепла, поскольку в глубоком космосе эффективная температура составляет всего несколько Кельвинов.

Инженерные приложения

Охлаждение микропроцессора

Система охлаждения видеокарты Asus GTX 650 ; видны три тепловые трубки

Рассеяние тепла является неизбежным побочным продуктом работы электронных устройств и схем. ^[10] Как правило, температура устройства или компонента будет зависеть от теплового сопротивления компонента окружающей среде и тепла, рассеиваемого компонентом. Чтобы гарантировать, что компонент не перегревается , инженер-теплотехник пытается найти эффективный путь передачи тепла от устройства к окружающей среде. Путь передачи тепла может проходить от компонента к печатной плате (PCB), к радиатору, к потоку воздуха, обеспечиваемому вентилятором, но во всех случаях в конечном итоге к окружающей среде.

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

1. Способ установки радиатора на компонент или процессор. Это будет обсуждаться в разделе «Методы прикрепления» .
2. Для каждой границы раздела между двумя объектами, контактирующими друг с другом, будет наблюдаться перепад температуры на границе раздела. Для таких составных систем падение температуры на границе раздела может быть значительным. ^[11] Это изменение температуры можно объяснить так называемым термическим контактным сопротивлением. ^[11] Термоинтерфейсные материалы (TIM) уменьшают сопротивление теплового контакта.

Способы крепления

Поскольку рассеиваемая мощность компонентов увеличивается, а размер корпуса компонентов уменьшается, инженерам-теплотехникам приходится внедрять инновации, чтобы гарантировать, что компоненты не перегреются . Устройства, которые работают при более низкой температуре, служат дольше. Конструкция радиатора должна отвечать как тепловым, так и механическим требованиям. Что касается последнего, компонент должен оставаться в тепловом контакте со своим радиатором с умеренными ударами и вибрациями. Радиатором может быть медная фольга печатной платы или отдельный радиатор, установленный на компоненте или печатной плате. Методы крепления включают теплопроводящую ленту или эпоксидную смолу, проволочные Z-образные зажимы , плоские пружинные зажимы, дистанционные проставки и нажимные штифты с концами, которые расширяются после установки.

Теплопроводящая лента

Рулон теплопроводящей ленты

Теплопроводящая лента является одним из наиболее экономичных материалов для крепления радиатора. ^[18] Подходит для радиаторов малой массы и компонентов с малой рассеиваемой мощностью. Он состоит из теплопроводящего материала-носителя с чувствительным к давлению клеем на каждой стороне.

Эта лента приклеивается к основанию радиатора, который затем прикрепляется к компоненту. Ниже приведены факторы, влияющие на производительность термоленты: ^[18]

1. Поверхности компонента и радиатора должны быть чистыми, без следов, например, пленки силиконовой смазки .
2. Давление предварительной нагрузки необходимо для обеспечения хорошего контакта. Недостаточное давление приводит к появлению областей, не контактирующих с захваченным воздухом, и приводит к более высокому, чем ожидалось, термическому сопротивлению интерфейса.
3. Более толстые ленты обычно обеспечивают лучшую «смачиваемость» неровных поверхностей компонентов. «Смачиваемость» — это процент площади контакта ленты с компонентом. Однако более толстые ленты обладают более высоким термическим сопротивлением, чем более тонкие. С точки зрения конструкции лучше всего найти баланс, выбрав толщину ленты, обеспечивающую максимальную «смачиваемость» при минимальном термическом сопротивлении.

Эпоксидная смола

Эпоксидная смола дороже ленты, но обеспечивает более прочную механическую связь между радиатором и компонентом, а также улучшенную теплопроводность. ^[18] Выбранная эпоксидная смола должна быть специально 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 каких-либо остатков.

Эпоксидное соединение между радиатором и компонентом является полупостоянным/постоянным. ^[18] Это делает повторную работу очень сложной, а иногда и невозможной. Наиболее типичным повреждением, вызванным доработкой, является отделение теплораспределителя кристалла компонента от его упаковки.

Радиатор со штыревыми ребрами и Z-образным фиксатором.

Проволочная форма Z-образные зажимы

Более дорогие, чем лента и эпоксидная смола, проволочные Z-образные зажимы прикрепляют радиаторы механически. Для использования z-зажимов печатная плата должна иметь крепления. Якоря можно либо припаять к плате, либо протолкнуть. Любой тип требует наличия отверстий в плате. Необходимо разрешить использование припоя RoHS, поскольку такой припой механически слабее традиционного припоя Pb/Sn.

Для сборки с помощью Z-образного зажима прикрепите одну его сторону к одному из анкеров. Отклоняйте пружину до тех пор, пока другая сторона зажима не сможет вставиться в другой анкер. В результате прогиба на компонент создается пружинная нагрузка, которая обеспечивает очень хороший контакт. В дополнение к механическому креплению, которое обеспечивает Z-образный зажим, он также позволяет использовать материалы с более высокими характеристиками термоинтерфейса, такие как типы с фазовым переходом. ^[18]

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

Клипы

Зажимы , доступные для процессоров и компонентов шариковой решетки (BGA), позволяют прикрепить радиатор BGA непосредственно к компоненту. В зажимах используется зазор, создаваемый решеткой шариков (BGA) между нижней стороной компонента и верхней поверхностью печатной платы. Поэтому для зажимов не требуются отверстия в печатной плате. Они также позволяют легко дорабатывать компоненты.

Пара канцелярских кнопок

Нажимные штифты с пружинами сжатия

Для более крупных радиаторов и более высоких преднатягов очень эффективны нажимные штифты с пружинами сжатия. ^[18] Нажимные кнопки, обычно изготовленные из латуни или пластика, имеют на конце гибкую зазубрину, которая входит в отверстие в печатной плате; после установки зазубрина удерживает штифт. Пружина сжатия скрепляет узел и поддерживает контакт между радиатором и компонентом. Необходимо внимательно подходить к выбору размера канцелярской кнопки. Слишком большая сила вставки может привести к растрескиванию матрицы и, как следствие, к выходу из строя компонентов.

Резьбовые стойки с пружинами сжатия

Для очень больших радиаторов нет альтернативы методу крепления резьбовой стойки и пружины сжатия. ^[18] Резьбовая стойка представляет собой по существу полую металлическую трубку с внутренней резьбой. Один конец закреплен винтом через отверстие в печатной плате. На другом конце находится винт, который сжимает пружину, завершая сборку. Типичный узел радиатора использует от двух до четырех стоек, что делает эту конструкцию крепления радиатора наиболее дорогостоящей. Еще одним недостатком является необходимость отверстий в печатной плате.

Материалы термоинтерфейса

Теплопроводность и сопротивление интерфейса составляют часть сопротивления термоинтерфейса материала термоинтерфейса.

Термическое контактное сопротивление возникает из-за пустот, создаваемых эффектами шероховатости поверхности, дефектами и несовпадением границы раздела. Пустоты, присутствующие в интерфейсе, заполнены воздухом. Таким образом, передача тепла происходит за счет проводимости по фактической площади контакта, а также за счет проводимости (или естественной конвекции) и излучения через зазоры. ^[11] Если площадь контакта мала, как это происходит с шероховатыми поверхностями, основной вклад в сопротивление вносят зазоры. ^[11] Чтобы уменьшить сопротивление термическому контакту, можно уменьшить шероховатость поверхности и увеличить интерфейсное давление. Однако эти методы улучшения не всегда практичны и возможны для электронного оборудования. Материалы термоинтерфейса (TIM) являются распространенным способом преодоления этих ограничений.

Правильно нанесенные термоинтерфейсные материалы вытесняют воздух, присутствующий в зазорах между двумя объектами, материалом, имеющим гораздо более высокую теплопроводность. Воздух имеет теплопроводность 0,022 Вт/(м·К) ^[19] , а ТИМ – 0,3 Вт/(м·К) ^[20] и выше.

При выборе TIM необходимо внимательно следить за значениями, указанными производителем. Большинство производителей указывают значение теплопроводности материала. Однако теплопроводность 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: межфазном зазоре, который TIM должен заполнить, контактном давлении и электрическом сопротивлении TIM. Контактное давление — это давление, приложенное к границе раздела двух материалов. В подборку не включена стоимость материала. Электрическое сопротивление может иметь важное значение в зависимости от деталей электрической конструкции.

Мощные светодиоды от Philips Lumileds Lighting Company, установленные на печатных платах со звездообразным алюминиевым сердечником диаметром 21 мм.

Светодиодные лампы

Производительность и срок службы светодиодов (LED) сильно зависят от их температуры. ^[21] Поэтому эффективное охлаждение имеет важное значение. На примере светодиодного потолочного светильника показан пример расчетов, выполненных для расчета необходимого теплоотвода, необходимого для эффективного охлаждения системы освещения. ^[22] В статье также показано, что для того, чтобы получить уверенность в результатах, требуется несколько независимых решений, которые дают схожие результаты. В частности, результаты экспериментальных, численных и теоретических методов должны отличаться друг от друга в пределах 10%, чтобы обеспечить высокую достоверность результатов.

При пайке

При пайке плат иногда используются временные радиаторы, чтобы предотвратить повреждение чувствительной близлежащей электроники чрезмерным теплом. В простейшем случае это означает частичный захват компонента с помощью тяжелого металлического зажима «крокодил», кровоостанавливающего зажима или аналогичного зажима. Современные полупроводниковые устройства, предназначенные для сборки методом пайки оплавлением, обычно выдерживают температуры пайки без повреждений. С другой стороны, электрические компоненты, такие как магнитные герконы, могут выйти из строя под воздействием более горячих паяльников, поэтому эта практика все еще широко используется. ^[23]

Методы определения производительности

В общем, производительность радиатора зависит от теплопроводности материала, размеров, типа ребер, коэффициента теплопередачи , скорости воздушного потока и размера воздуховода. Чтобы определить тепловые характеристики радиатора, можно построить теоретическую модель. Альтернативно, тепловые характеристики можно измерить экспериментально. Из-за сложной природы трехмерного потока в современных приложениях также можно использовать численные методы или вычислительную гидродинамику (CFD). В этом разделе будут обсуждаться вышеупомянутые методы определения тепловых характеристик радиатора.

Теоретическая модель теплопередачи

Эскиз радиатора с эквивалентным термическим сопротивлением

Тепловое сопротивление и коэффициент теплопередачи построены в зависимости от скорости потока для конкретной конструкции радиатора, используемой в ^[24] . Данные были получены с использованием уравнений, представленных в статье. Данные показывают, что при увеличении расхода воздуха термическое сопротивление радиатора снижается.

Одним из методов определения производительности радиатора является использование теории теплопередачи и гидродинамики. Один из таких методов был опубликован Джеггельсом и др. ^[24] , хотя эта работа ограничена канальным потоком. Канальный поток — это когда воздух вынужден проходить через канал, который плотно прилегает к радиатору. Это гарантирует, что весь воздух проходит через каналы, образованные ребрами радиатора. Когда поток воздуха не направляется по воздуховоду, определенный процент потока воздуха будет проходить в обход радиатора. Было обнаружено, что байпасный поток увеличивается с увеличением плотности ребер и зазора, оставаясь при этом относительно нечувствительным к скорости впускного канала. ^[25]

Модель теплового сопротивления радиатора состоит из двух сопротивлений, а именно сопротивления основания радиатора , и сопротивления ребер . Термическое сопротивление основания радиатора можно записать следующим образом, если источником является равномерно приложенное основание радиатора. Если это не так, то базовое сопротивление – это прежде всего сопротивление растеканию: ${\displaystyle R_{b}}$ ${\displaystyle R_{f}}$ ${\displaystyle R_{b}}$

${\displaystyle R_{b}={\frac {t_{b}}{kA_{b}}}}$(4)

где – толщина основания радиатора, – теплопроводность материала радиатора и – площадь основания радиатора. ${\displaystyle t_{b}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle A_{b}}$

Термическое сопротивление основания ребер воздуху можно рассчитать по следующим формулам: ${\displaystyle R_{f}}$

${\displaystyle R_{f}={\frac {1}{nh_{f}W_{f}\left(t_{f}+2\eta _{f}L_{f}\right)}}}$(5)

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {\tanh {mL_{c}}}{mL_{c}}}}$^[11] (6)

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{f}}{kt_{f}}}}L_{f}}$^[11] (7)

${\displaystyle D_{h}={\frac {4A_{ch}}{P_{ch}}}}$(8)

${\displaystyle Re={\frac {4{\dot {G}}\rho }{n\pi D_{h}\mu }}}$(9)

${\displaystyle f=(0.79\ln Re-1.64)^{-2}}$^[26] (10)

${\displaystyle Nu={\frac {(f/8)(Re-1000)Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}}-1)}}}$^[26] (11)

${\displaystyle h_{f}={\frac {Nuk_{air}}{D_{h}}}}$(12)

${\displaystyle \rho ={\frac {P_{atm}}{R_{a}T_{in}}}}$(13)

Скорость потока можно определить по пересечению кривой системы радиатора и кривой вентилятора. Кривая системы радиатора может быть рассчитана по гидравлическому сопротивлению каналов и потерям на входе и выходе, как это делается в стандартных учебниках по механике жидкости, таких как Поттер и др. ^[27] и Уайт. ^[28]

Если известно сопротивление основания радиатора и ребер, тепловое сопротивление радиатора можно рассчитать как: ${\displaystyle R_{hs}}$

${\displaystyle R_{hs}=R_{b}+R_{f}}$(14).

Используя уравнения 5–13 и данные о размерах из ^[24] , было рассчитано термическое сопротивление ребер для различных скоростей воздушного потока. Данные по термическому сопротивлению и коэффициенту теплопередачи приведены на диаграмме, из которой видно, что при увеличении расхода воздуха термическое сопротивление радиатора уменьшается.

Экспериментальные методы

Экспериментальные испытания — один из наиболее популярных способов определения тепловых характеристик радиатора. Чтобы определить тепловое сопротивление радиатора, необходимо знать скорость потока, входную мощность, температуру воздуха на входе и базовую температуру радиатора. Данные, предоставленные поставщиком, обычно предоставляются для результатов испытаний воздуховодов. ^[29] Однако результаты оптимистичны и могут давать вводящие в заблуждение данные, когда радиаторы используются в системах без воздуховодов. Более подробную информацию о методах тестирования радиаторов и типичных недочетах можно найти у Азара и др. ^[29]

Численные методы

Радиальный радиатор с тепловым профилем и закрученными траекториями потока с принудительной конвекцией, предсказанными с помощью пакета анализа CFD

В промышленности термический анализ часто игнорируется в процессе проектирования или выполняется слишком поздно — когда изменения в конструкции ограничены и становятся слишком дорогостоящими. ^[10] Из трех методов, упомянутых в этой статье, теоретические и численные методы могут использоваться для определения оценки температуры радиатора или компонентов продуктов до того, как будет создана физическая модель. Теоретическая модель обычно используется в качестве оценки первого порядка. Онлайн-калькуляторы радиаторов ^[30] могут дать разумную оценку характеристик радиатора с принудительной и естественной конвекцией на основе сочетания теоретических и эмпирически полученных корреляций. Численные методы или вычислительная гидродинамика (CFD) обеспечивают качественный (а иногда даже количественный) прогноз потоков жидкости. ^{[31] [32]} Это означает, что он даст визуальный или постобработанный результат моделирования, как изображения на рисунках 16 и 17 и анимацию CFD на рисунках 18 и 19, но с количественной или абсолютной точностью. Результат чувствителен к включению и точности соответствующих параметров.

CFD может дать представление о структурах потока, которые трудно, дорого или невозможно изучить экспериментальными методами. ^[31] Эксперименты могут дать количественное описание явлений потока, используя измерения для одной величины за раз, в ограниченном количестве точек и моментов времени. Если полномасштабная модель недоступна или непрактична, можно использовать масштабные модели или макеты. 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 и практически для любых проблем и реалистичных условий эксплуатации. Однако, если это критично, результаты могут нуждаться в проверке. ^[2]

Смотрите также

• Охлаждение компьютера
• Распределитель тепла
• Тепловая труба
• Тепловой насос
• Теплопроводность алмаза
• Радиатор
• Материал термоинтерфейса
• Управление температурой (электроника)
• Термическое сопротивление
• Термоэлектрическое охлаждение

Рекомендации

1. «Радиатор». Викисловарь . 3 ноября 2020 г. Проверено 14 декабря 2022 г.
2. Кордибан, Т. (1998). Горячий воздух поднимается и охлаждается: все, что вы знаете об охлаждении электроники, неверно . АСМЭ Пресс. ISBN 978-0-7918-0074-4.
3. Нелло Севастопулос и др., Национальный справочник по регуляторам напряжения для полупроводников , National Semiconductor Corp., 1975, главы 4, 5, 6.
4. Технический паспорт однодиффузного кремниевого силового транзистора Mesa типа 2N3055 NPN , Texas Instruments, номер бюллетеня DL-S-719659, август 1967 г., исправлено в декабре 1971 г.
5. Хан, Джунаид; Момин, Сайед Абдул; Мариатти, М. (30 октября 2020 г.). «Обзор современных термоинтерфейсных материалов на основе углерода для электронных устройств». Карбон . 168 : 65–112. doi : 10.1016/j.carbon.2020.06.012. S2CID  224932456.
6. Anon, Неизвестно, «Выбор радиатора». Архивировано 5 марта 2012 г. в Wayback Machine , факультет машиностроения, Государственный университет Сан-Хосе [27 января 2010 г.].
7. "Организация по производству алюминия в Великобритании" . Архивировано из оригинала 11 апреля 2010 г. Проверено 4 апреля 2010 г.
8. «Медные радиаторы». Охлаждение . Архивировано из оригинала 11 октября 2014 г.
9. «Проектирование и выбор радиатора: материал» . Радиаторы ABL .
10. Серджент, Дж.; Крам, А. (1998). Справочник по терморегулированию электронных сборок (Первое изд.). МакГроу-Хилл.
11. Incropera, Ф.П. и ДеВитт, Д.П., 1985, Введение в теплообмен, Джон Уайли и сыновья, Нью-Йорк.
12. Форган Ф., Голдтуэйт Д., Улински М., Метгалчи М., 2001, Экспериментальное и теоретическое исследование тепловых характеристик радиаторов, ISME, май.
13. Ласанс, CJM и Эггинк, HJ, 2001, Метод ранжирования радиаторов на практике: тестер производительности радиатора, 21-й симпозиум IEEE SEMI-THERM.
14. Бизерни, К.; Роча, Лао; Бежан, А. (2004). «Перевернутые ребра: геометрическая оптимизация проникновения в проводящую стену». Международный журнал тепломассообмена . 47 (12–13): 2577–2586. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2003.12.018.
15. Лоренцини, Г.; Бизерни, К.; Роча, Лао (2011). «Геометрическая оптимизация изотермических полостей по теории Бежана». Международный журнал тепломассообмена . 54 (17–18): 3868–3873. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.04.042.
16. Морхинвег, Манфред. «Тепловой дизайн». ludens.cl .
17. «Влияние анодирования на радиационную теплопередачу - радиаторы». www.aavid.com .
18. Азар, К. и др., 2008, «Теплопроводящие ленты», can-dotape.com, по состоянию на 21 марта 2013 г.
19. Лиенард, JH IV и V (2004). Учебник по теплопередаче (Третье изд.). Массачусетский технологический институт.
20. Сен-Гобен (2004). «Решения по терморегулированию электронного оборудования» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 октября 2006 года . Проверено 22 июля 2008 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
21. Бидер, К. (2009). «Влияние тепловой среды на световое излучение и срок службы светодиодов» (PDF) . Профессиональный обзор светодиодов, май/июнь 2009 г.
22. Азар, К.; и другие. (сентябрь 2009 г.). «Светодиодное освещение: практический пример управления температурным режимом» (PDF) . Электронный журнал Qpedia Thermal .
23. Джеймс Джонстон, «Герконовые переключатели», Electronics in Meccano , выпуск 6, январь 2000 г.
24. Джеггельс, Ю; Добсон, RT; Джеггельс, Д.Х. (2007). Сравнение эффективности охлаждения тепловых трубок и алюминиевых проводников для корпусов электронного оборудования . {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
25. Прстич, С.; Айенгар, М.; Бар-Коэн, А. (2000). «Эффект байпаса в высокопроизводительных радиаторах». Материалы международного семинара по теплотехнике Блед, Словения, 11 – 14 июня .
26. Mills, AF, 1999, Теплопередача, второе издание, Prentice Hall.
27. Поттер, CM; Виггерт, округ Колумбия (2002). Механика жидкости (Третье изд.). Брукс/Коул.
28. Уайт, FM (1999). Механика жидкости (Четвертое изд.). МакГроу-Хилл Интернэшнл.
29. Азар, А.; и другие. (январь 2009 г.). «Методы тестирования радиаторов и распространенные недочеты» (PDF) . Электронный журнал Qpedia Thermal .
30. «Калькулятор радиатора: онлайн-анализ и проектирование радиатора» . Heatsinkcalculator.com .
31. Кузьмин, Д., Неизвестный, «Курс: Введение в CFD», Дортмундский технологический университет.
32. Ким, Со Ён; Ку, Джэ-Мо; Кузнецов, Андрей В. (2001). «Влияние анизотропии проницаемости и эффективной теплопроводности на тепловые характеристики радиатора из пеноалюминия». Численная теплопередача. Часть A: Приложения . 40 (1): 21–36. Бибкод : 2001NHTA...40...21K. дои : 10.1080/104077801300348851.

Внешние ссылки