Радиаторы теплообмена (Heat Sinks): функция, дизайн и производственный процесс

Электронные устройства вроде персональных компьютеров генерируют тепло при эксплуатации. Электричество проходит через различные провода и компоненты устройства, встречая сопротивление по пути, и это сопротивление генерирует тепло, быстро повышая температуру устройства.

Если не контролировать, это тепло может иметь катастрофические последствия для устройства: компоненты вроде центрального процессора (CPU) хрупки и не способны выдерживать экстремально высокие температуры; перегрев может поэтому привести к неисправности или постоянному повреждению.

К счастью, многие электронные и механические устройства предотвращают эту проблему, используя радиаторы теплообмена (heat sinks) (или теплоотводы): специальные компоненты, которые рассеивают тепло от важных областей устройства, чтобы держать его холодным и функционирующим.

Несмотря на их небольшой размер, радиаторы невероятно важные компоненты и могут быть сделаны множеством разных способов. Эта статья рассматривает, как работают радиаторы, преимущества радиаторов, разные типы радиаторов и как изготавливаются радиаторы.

Что такое радиатор (heat sink)?

Радиатор — это вид пассивного теплообменника, чья функция — регулировать температуру электронного или механического устройства. Он переносит тепло от тепловыделяющего компонента к жидкости (воздуху или жидкому охлаждающему веществу), позволяя теплу рассеиваться от устройства.

Радиаторы работают, используя теплопроводник для отвода тепла от источника тепла, притягивая его к своей большой площади поверхности, контактирующей с охлаждающей средой, то есть воздухом или другой жидкостью. Потребность в большой площади поверхности — причина, почему радиаторы обычно состоят из основания, соединенного с рядом очень узких ребер или штырьков: эта форма — лучший способ поместить максимальную площадь поверхности в заданный объем.

Используемые в ряде отраслей, радиаторы часто используются для охлаждения компьютерных компонентов вроде CPU и GPU, а также силовых транзисторов и лазеров.

Определение того, нужен ли радиатор — и какой вид радиатора — включает установление максимальной рабочей температуры соединения схемы. Если рабочая температура превышена, это приведет к неисправности или поломке детали. В общем, компоненты с более низкой максимальной рабочей температурой (или те, которые просто генерируют много тепла) требуют более эффективных радиаторов.

Преимущества радиаторов

Основная функция радиатора — регулировать температуру и предотвращать перегрев. Это обеспечивает преимущества, такие как следующие:

• Предотвращение перегрева
• Предотвращение отказа детали или поломки
• Предоставление тепла в случае падения температуры слишком низко

Типы радиаторов

Радиаторы обычно состоят из твердого основания с выступами, выходящими из него. Но форма и размер этих выступов влияет на то, как радиатор выполняет работу. Наиболее распространенные виды радиаторов включают:

1. Штырьково-ребристый радиатор (Pin-fin heat sink): Штырьково-ребристые радиаторы имеют штырьки, выступающие из основания. Они предлагают наибольшую площадь поверхности из всех типов радиаторов и лучши в ситуациях с низким потоком воздуха (или случайным/многонаправленным потоком). Штырьки могут иметь разные формы:
   • Цилиндрические
   • Эллиптические
   • Квадратные
2. Пластинчато-ребристый радиатор (Plate fin heat sink): Более распространенные, чем штырьково-ребристые, пластинчато-ребристые радиаторы имеют прямоугольные ребра, выступающие из основания. Они лучший тип радиатора, когда поток воздуха однонаправленный.
3. Расширяющийся ребристый радиатор (Flared fin heat sink): Вариация пластинчато-ребристого радиатора, расширяющиеся ребристые радиаторы имеют расширяющуюся компоновку ребер и уменьшают сопротивление потоку.

Некоторые радиаторы имеют прикрепленные вентиляторы, и такие типы радиаторов могут называться активными радиаторами или вентиляторно-охлаждаемыми радиаторами. Те, без вентиляторов, могут называться пассивными радиаторами. Вентиляторы обеспечивают постоянный источник потока воздуха, что улучшает функциональность радиатора.

Материалы радиаторов

Радиаторы обычно делаются из алюминиевых сплавов или меди, причем материал обычно определяется применением, интенсивностью тепла, производственным методом и бюджетом.

Алюминиевые радиаторы обычно делаются из алюминия 1050 (очень теплопроводный, но низкая прочность) или алюминия 6060, 6061 или 6063 (менее проводящие, но с лучшими механическими свойствами). Самые доступные радиаторы обычно делаются из алюминиевого сплава.

Медные радиаторы предлагают отличную теплопроводность — она в два раза выше, чем у алюминия — а также коррозионную стойкость, антимикробную стойкость и другие желательные свойства. Это делает медные радиаторы чем-то вроде премиального выбора; однако медь как дороже алюминиевых сплавов, так и обычно труднее формируется.

Методы крепления радиаторов

Метод крепления радиатора — это способ, которым радиатор монтируется к компоненту, температуру которого он пытается регулировать, например, к CPU компьютера.

Методы крепления включают термопроводящую ленту (для легких радиаторов), эпоксидную смолу (прочная, но необратимая механическая связь), зажимы, проволочные Z-образные зажимы, латунные/пластиковые пуш-пины или резьбовые стойки (для очень больших радиаторов).

Факторы, влияющие на производительность радиатора

Несколько переменных влияют на то, как радиатор выполняет работу и насколько эффективно он рассеивает тепло от компонента вроде CPU. Важные факторы производительности радиатора включают:

• Теплопроводность материала радиатора (например, медь или алюминиевый сплав)
• Размер радиатора
• Тип, количество и компоновка ребер на радиаторе
• Размер каналов между каждым ребром
• Коэффициент теплопередачи
• Скорость потока воздуха

Как изготавливать радиаторы

Как сделать радиатор? Это зависит от нескольких факторов, таких как размер и материал вашего радиатора, и вид производителя, его изготавливающего. Производство радиаторов может фактически включать ряд производственных технологий, включая литье и ЧПУ-фрезеровку.

Экструзия

Экструзия, процесс выдавливания горячих металлических заготовок через стальную матрицу, — самый распространенный способ изготовления алюминиевых радиаторов. Это быстрый, эффективный и экономичный метод для изготовления радиаторов изdukтильных материалов вроде алюминия 1050. Экструдированные алюминиевые радиаторы обычно анодируются перед использованием.

Скайвинг (Skiving)

Скайвинг или шарфинг, процесс резки материала на ломти, — распространенный производственный процесс для производства пластинчато-ребристых и расширяющихся ребристых радиаторов. Процесс позволяет более тонкие и более плотно упакованные ребра, чем экструзия, и также обеспечивает уровень шероховатости поверхности, который слегка увеличивает общую площадь поверхности.

Литье

Литье, процесс заливки расплавленного металла в форму, — еще один способ сделать радиаторы — алюминиевые или медные. Давленное литье в кокиль радиаторов может иметь высокий уровень сложности и предлагать отличные механические свойства. Литье под давлением также иногда используется для изготовления цинковых радиаторов.

Фрезеровка

Фрезеровка, вычитающий процесс резки материала из заготовки-бланка, — доступный способ сделать радиаторы практически любой геометрической формы, из материалов вроде алюминиевых сплавов. Фрезерованные радиаторы (или механически обработанные радиаторы) могут быть дороже альтернатив, особенно в больших количествах, но они также могут быть сделаны очень быстро. Узнайте больше об алюминиевой обработке.

3D-печать

Недавние достижения в медной аддитивной производстве сделали 3D-напечатанные радиаторы жизнеспособной альтернативой их традиционным аналогам. Технологии порошкового плавления и направленного энергетического накопления были наиболее успешно использованы для этой цели.

Чтобы сделать радиатор с 3ERP, используя процесс вроде ЧПУ-обработки, экструзии или малого серийного литья, свяжитесь с нами для бесплатной котировки.