Основы проектирования радиаторов:факторы и расчет

Радиатор — это компонент, который проще всего упустить из виду в машинах и электрических схемах. Но это не тот случай при проектировании оборудования, потому что радиаторы выполняют очень важную функцию. Почти все технологии, включая ЦП, диоды и транзисторы, генерируют тепловую энергию, которая может снизить тепловые характеристики и сделать операции неэффективными.

Чтобы решить проблемы рассеивания тепла, разные типы радиаторов предназначены для обслуживания различных элементов и поддержания их работы при оптимальных температурах.

С быстрым развитием технологий (особенно нанотехнологий) и стремлением сделать все как можно более компактным и эффективным, правильная конструкция радиатора стала сдерживающим фактором при производстве электротехнической продукции. Итак, в этой статье будут обсуждаться детали и особенности конструкции радиаторов.

Что такое радиатор?

Радиатор — это устройство, которое отводит избыточное тепло от другого компонента. В интегральной схеме радиатор изготовлен из материала с высокой теплопроводностью для отвода нежелательного тепла. Он работает за счет расширения площади поверхности и пропускания через нее более холодного воздуха или жидкости.

По закону Фурье тепло передается от более горячей области к более холодной. Радиатор, основанный на этом законе, работает через градиент температуры. Он забирает нежелательное тепло, выделяемое электрическим компонентом, и передает его более холодному воздуху или жидкости с помощью таких методов теплопередачи, как теплопроводность или естественная конвекция.

Типы радиаторов

Первым шагом в определении конструкции радиаторов является определение типа конфигурации. Существует два популярных типа радиаторов.

Пассивные радиаторы

Пассивные радиаторы являются обычным вариантом, они используют естественный поток воздуха. В радиаторе возникает естественная конвекция, которая отводит тепло от компонента. Они дешевле в эксплуатации и не требуют дополнительной электроэнергии для работы.

Активные радиаторы

Активные радиаторы более эффективны и мощны, но они требуют принудительной конвекции, которая использует воздух или жидкость для обеспечения теплопередачи. Их легко идентифицировать, поскольку они используют устройства с электрическим питанием, такие как вентилятор рядом с радиатором.

Выбор любого радиатора приводит к изменению конструкции. Например, активным радиаторам, использующим вентиляторы, требуется меньшая площадь поверхности и более легкий материал для рассеивания того же количества тепла, что и у пассивного проводника.

Факторы и соображения при проектировании радиатора

Любой радиатор работает по одному и тому же общему принципу. Во-первых, в компоненте выделяется тепло, а радиатор способствует рассеиванию указанного тепла. Радиатор, прикрепленный к компоненту или цепи, получает тепло посредством теплопроводности или тепловых трубок. Теплопроводность материала радиатора существенно влияет на этот процесс.

Далее происходит теплообмен в пределах всего радиатора. Пассивный теплообменник или радиатор нагревается ближе к источнику тепла и холоднее к другому концу, поскольку такая естественная теплопроводность распределяет тепло по поверхности неравномерно.

После этого тепло рассеивается за счет естественной и принудительной конвекции. Воздух или жидкость, проходящие непосредственно над поверхностью радиатора, отводят генерируемое тепло с помощью диффузии и передают его окружающему воздуху.

К настоящему времени очевидно, что на характеристики радиатора влияет множество факторов, включая материал, геометрию и тип охлаждающей жидкости. Перед изготовлением конструкции радиатора необходимо учитывать эти параметры.

1. Термическое сопротивление

Термическое сопротивление можно просто определить как комбинированное тепловое сопротивление, с которым сталкивается генерируемое тепло при движении через температурный градиент. Это включает тепловое сопротивление в узле радиатора, любое трение и потери тепловой энергии из-за сопротивления между охлаждающей жидкостью и поверхностью теплообменника.

Термическое сопротивление можно рассчитать, используя значение теплового сопротивления. Это чрезвычайно полезно для определения наиболее эффективного теплового сопротивления компонентов и интегральных схем.

2. Типы материалов

На конструкцию радиатора в значительной степени влияет выбор материала. Популярные материалы для радиаторов включают алюминиевые сплавы, такие как AA 6063-T6 и медно-вольфрамовые или медно-молибденовые. Медные радиаторы обладают отличной теплопроводностью и коррозионной стойкостью, но они тяжелее и дороже, чем алюминиевые. Кроме того, химические паровые алмазы (CVD), выращенные в лаборатории алмазы, используются из-за их теплопроводности, обусловленной вибрациями в их структуре решетки.

Другие устройства, выделяющие тепло, на которые влияет термическое сопротивление, включают литий-ионные аккумуляторы, используемые в автомобилях, и отвод тепла от этих аккумуляторов имеет решающее значение, в противном случае тепловой разгон может привести к цепная реакция, разрушающая батарею. Радиатор из углеродного волокна с более высокой проводимостью предлагает решение для управления температурным режимом в автомобильной промышленности.

3. Ребра радиатора

Ребра — это компонент радиатора, который обеспечивает передачу тепла от радиатора к температуре окружающей среды. Форма и расположение могут в значительной степени повлиять на то, как радиатор передает энергию, а размер и количество этих ребер определяют его эффективность.

3.1 Расположение, форма, размер и расположение плавников

Ребра — это место, где охлаждающая жидкость, такая как воздух, проходит над радиатором, позволяя рассеивать тепло. Таким образом, расположение и размер важны в конструкции радиатора. Усиление этих факторов может привести к лучшему рассеиванию тепла и облегчению теплового потока. В исследовании, проведенном Science Direct, в отчете обсуждалось, как форма может повлиять на управление температурой радиаторов.

"Результаты показали, что круглые ребра улучшают тепловые характеристики радиатора и снижают тепловое сопротивление на 25 % и 12 % по сравнению с двумя другими формами" – Примеры внедрения теплотехники

3.2. Эффективность плавников

Электрические компоненты в сложных технологических устройствах, таких как серверы, выделяют избыточное тепло. Медленная теплопередача может снизить производительность и срок службы. Тепловая трубка и жидкостное охлаждение имеют большой потенциал, но оребренный теплообменник необходим для надежного и непрерывного отвода тепла.

Ребра увеличивают поверхность для рассеивания мощности в электрических компонентах, а такие факторы, как толщина, высота и тепловое сопротивление, влияют на эффективность ребер. Для повышения эффективности тепловой пограничный слой сделан тоньше, а направление воздуха задано под оптимальным углом, а сам радиатор выполнен из материала с высокой теплопроводностью.

4. Материал термоинтерфейса

Радиатор должен быть присоединен к электрическим компонентам и цепям. При этом интерфейс между теплообменниками и типичными электрическими компонентами называется материалом теплового интерфейса.

Сопротивление теплового интерфейса может снизить эффективность радиаторов и шероховатость поверхности, а захваченный воздух и пустоты могут увеличить сопротивление теплового контакта. Естественно, что при этих недостатках интерфейса теплообмен плохой и для снижения термического сопротивления используются различные материалы термоинтерфейса, например, с фазовым переходом. Термическое сопротивление компонента уменьшается по мере удаления воздуха и заполнения пустот, что обеспечивает полный контакт.

5. Способы крепления радиатора

Радиатор используется в различных местах, включая механические компоненты. Выбор крепления радиатора может значительно улучшить максимальную рассеиваемую мощность и рассеивать больше тепловой энергии. Широко используемые методы включают термоленту, эпоксидную смолу, зажимы и канцелярские кнопки.

Многие факторы конструкции радиатора влияют на выбор крепления. Например, радиаторы большого веса не могут поддерживаться термолентой. Эпоксидная смола — отличный выбор для управления температурным режимом, но она дорога и требует навыков для нанесения.

Конструкция радиатора:расчет теплового сопротивления

Конструкция радиатора завершает геометрию и функциональность для использования по назначению. Однако для оценки того, насколько хорошо радиаторы рассеивают тепло, необходимы некоторые расчеты теплового сопротивления.

Несколько терминов, которые нужно знать:

T_{перекресток} :Максимальная рабочая температура перехода

T_{окружающий} :температура окружающего воздуха

_Вопрос  :Генерация тепла

T_{объединение-кейс} :соединение с сопротивлением корпуса

T_{интерфейс} :Сопротивление материала интерфейса

T_{радиатор} :Тепловое сопротивление радиатора

Полное тепловое сопротивление — это сопротивление тепловому потоку от соединения к корпусу, тепловое сопротивление материала интерфейса и сопротивление между радиатором и окружающим воздухом.

Приведенные выше расчеты также используются на этапе проектирования для сравнения различных материалов и поверхностей раздела, а также для определения надлежащего теплового сопротивления, соответствующего максимальной рабочей температуре компонента.

Конструкция радиатора:расчет размера

Первым шагом в выборе размера радиатора является определение его размеров радиатора. После того, как размеры установлены, следующим шагом будет выполнение нескольких расчетов, упрощенных с помощью калькулятора радиатора.

• Нахождение теплоты конвекции

_Qc =2hA(T_{компонент} – T_{окружающая среда}  )

где

A =HL + t(2H + L)

h =1,42[( T_{компент} – T_{окружающая среда}  )/ч ] ＾0,25

_Qc :2hA( T_{компетентный} – T_{окружающая среда}  )

• Вы обнаружите, что есть еще одна поверхность, на которой может рассеиваться тепло, найдя теплоту конвекции при A₂

_Qc =2ч₂ А₂ (T_{соответствует} – T_{окружающая среда}  )

где

А₂ =L[2( H – b) + sb] + tL

s =2,71 [ gβ(T_compend – T_{окружающая среда}  )/Lαv  ]

• Поиск тепла, излучаемого излучением.

Как и при конвекции, тепло может выходить за счет излучения двух поверхностей.

_Кр =2ϵσA₁ ( Т ⁴ _{комментировать} – Т ⁴ _{окружающий}  )

_Qr2 =2ϵσA₂ ( Т ⁴ _{комментировать} – Т ⁴ _{окружающий}  )

где

А₂ =L(t + s) + 2(tH + sb)

• Наконец количество плавников определяется

_Fn =1 + [(_Q  – _Qr2 – _Фc2 ) / (_Qr1 + _Фc1 )]

• Ширина каждого плавника определяется

W =(N – 1) + Nt

Применение радиаторов

Радиаторы используются там, где что-то производит тепло и нуждается в постоянном регулировании, чтобы поддерживать рабочую температуру в пределах максимально допустимых температур. В электрических блоках радиаторы встречаются почти везде, где вы видите светодиоды и транзисторы. Это необходимо для того, чтобы они работали при комнатной температуре без перегрева.

Применение радиаторов в значительной степени характеризуется скоростью, с которой они проводят тепло. Следовательно, материалы с более высокой теплопроводностью используются для процессов, в которых повышение температуры представляет риск для работы.

ЦП

При использовании компьютеров и разгоне микросхем ЦП выделяется значительное количество тепла. Теплоотводы, термически связанные с процессором, могут не только накапливать это тепло, быстро отводя его от чипа, но и переносить его по своей поверхности, в конечном итоге рассеивая в окружающий воздух.

Усилители мощности

В силовых транзисторах выделяемое тепло может привести к утечке тока. Это увеличение тока коллектора может, в свою очередь, увеличить рассеиваемую мощность, что может привести к дальнейшему повышению температуры. Это может привести к петле теплового разгона, разрушающей транзистор. Радиатор может быстро отводить выделяемое тепло через свою поверхность, предотвращая любые повреждения.

Оптоэлектроника

Радиаторы обычно используются со светодиодами, поскольку сам компонент не может снизить рабочую температуру.

Общие методы изготовления радиаторов

Чтобы создать эффективную конструкцию радиатора, инженеры должны учитывать множество различных факторов, таких как выбор материала, а алюминий является наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления радиаторов. В этом разделе мы обсудим 3 наиболее распространенных метода изготовления алюминиевых радиаторов.

Экструзия радиатора

Процесс экструзии подходит для более простых конструкций радиаторов, которые характеризуются большими объемами производства, меньшими инвестициями, короткими циклами разработки и низкими производственными затратами.

Обычно используемый алюминиевый экструзионный материал - алюминий 6063, который обладает хорошей теплопроводностью. Принцип работы заключается в нагревании алюминиевого слитка до 520-540 ℃ под высоким давлением, чтобы позволить алюминиевой жидкости течь через экструзионную форму с канавками, чтобы образовался зародыш теплоотвода. А затем вырезаем зародыш радиатора, профильную канавку и другую обработку делаем из ребра радиатора, который мы обычно видим.

Радиатор для обработки с ЧПУ

Обработка с ЧПУ включает в себя множество процессов, таких как токарная обработка, сверление, фрезерование и шлифование. Этот процесс можно гибко применять в зависимости от конструкции деталей, использования большинства конструкционных деталей, таких как формование пластин, проточка канавок радиатора, обработка нижней поверхности и т. д. Этот метод особенно подходит для проектирования радиаторов со сложной геометрией. .

Литой радиатор

Принцип литья под давлением алюминиевого радиатора аналогичен литью под давлением. Сырье из алюминиевого сплава растворяется в жидкости под высоким давлением, а затем жидкий материал быстро заливается в форму. По макету заработала машина для литья под давлением, и однократное литье под давлением после охлаждения и последующей обработки превратилось в мономерный теплоотвод. Процесс может быть интегрирован в тонкую, плотную или сложную конструкцию ребер радиатора.

Заключение

Использование радиаторов будет продолжать расширяться по мере того, как будут сделаны новые технические достижения и будут найдены лучшие решения, чтобы сделать процесс более полезным. Дизайн радиатора также будет более разнообразным и индивидуальным.

Если вы ищете производителя, который оптимизирует конструкцию вашего радиатора для повышения производительности, здесь, в WayKen, с богатым опытом в области обработки радиаторов, мы можем поддержать ваши индивидуальные требования к дизайну и настройке. Наша команда всегда уделяет внимание каждой детали общения и взаимодействия с вами, чтобы не было сюрпризов для вашего хорошего обслуживания клиентов. Получите предложение сегодня!