Основы проектирования радиаторов: ключевые факторы и методы расчета

Радиаторы (теплоотводы) — компонент, который легче всего упустить в машинах и электрических схемах. Но при проектировании железа это не так: радиаторы выполняют критически важную функцию. Почти вся техника — CPU, диоды, транзисторы — генерирует тепловую энергию, снижающую термическую производительность и делающую операции неэффективными.

Для преодоления вызовов теплоотвода разрабатывают разные типы радиаторов для разных элементов, обеспечивая их работу в оптимальных температурах.

С быстрым развитием технологий (особенно нанотехнологий) и стремлением к компактности и эффективности, правильный дизайн радиатора стал проверкой и балансом при производстве электроники. Статья раскроет детали и расчетные соображения радиаторов.

Что такое радиатор (Heat Sink)?

Радиатор — устройство, удаляющее избыточное тепло от другого компонента. В интегральной схеме радиатор изготавливают из материала с высокой теплопроводностью для рассеивания нежелательного тепла. Работает через увеличение площади поверхности и пропускание прохладного воздуха или жидкости через неё.

По закону Фурье тепло переносится от горячего к холодному. Радиатор на этом законе работает через температурный градиент. Забирает тепло от электрического компонента и передает его холодному воздуху или жидкости методами теплопередачи: проводимость или естественная конвекция.

Типы радиаторов

Первый шаг в определении дизайна — выбор конфигурации. Два популярных типа:

Пассивные радиаторы

Конвенциональный вариант, используют естественный поток воздуха. Естественная конвекция через радиатор уносит тепло от компонента. Дешевле в эксплуатации, не требуют доп. электропитания.

Активные радиаторы

Более эффективны и мощны, но требуют принудительной конвекции — воздуха или жидкости для теплопередачи. Легко узнать: используют электрически питаемые устройства (вентилятор) у радиатора.

Выбор типа меняет дизайн. Например, активные радиаторы с вентиляторами нуждаются в меньшей площади поверхности и более легком материале для рассеивания того же тепла, что пассивный.

Факторы и соображения в дизайне радиатора

Любой радиатор работает по общему принципу. Сначала тепло возникает в компоненте, радиатор помогает его рассеять. Радиатор, прикрепленный к компоненту или схеме, принимает тепло проводимостью или через тепловые трубы. Теплопроводность материала радиатора критически влияет на этот процесс.

Далее — теплопередача внутри всего радиатора. Пассивный теплообменник или радиатор горячее у источника и холоднее к другому концу, естественная проводимость переносит тепло неравномерно по поверхности.

Затем тепло рассеивается естественной и принудительной конвекцией. Воздух или жидкость, проходя над поверхностью радиатора, удаляет тепло диффузией, перенося в окружающую среду.

Очевидно: много факторов влияют на производительность радиатора — материал, геометрия, тип охлаждающей среды. Дизайн радиатора до изготовления должен учитывать эти параметры.

1. Тепловое сопротивление (Thermal Resistance)

Тепловое сопротивление — суммарное сопротивление теплопередаче, которому встречает тепло, движущееся по температурному градиенту. Включает сопротивление внутри сборки радиатора, трение, термические потери из-за сопротивления между охлаждающей средней и поверхностью теплообменника.

Тепловое сопротивление рассчитывается через значение теплового сопротивления. Крайне полезно для определения наилучшего теплового сопротивления для компонентов и ИС.

2. Типы материалов

Дизайн радиатора сильно зависит от материала. Популярные материалы: алюминиевые сплавы (AA 6063-T6), вольфрамомедь, молибденомедь. Медные радиаторы дают отличную теплопроводность и коррозионную стойкость, но тяжелее и дороже алюминия. Химически осажденные алмазы (CVD), лабораторно выращенные алмазы — за счет теплопроводности от вибраций кристаллической решетки.

Другие тепловыделяющие устройства, подверженные тепловому сопротивлению: литий-ионные батареи в авто. Отвод тепла от них критичен, иначе термический разбег вызовет цепную реакцию, разрушая батарею. Углеродное волокно с высшей проводимостью дает термическое решение для автопрома.

3. Ребра радиатора (Heat Sink Fins)

Ребра — элемент радиатора, отводящий тепло от радиатора к окружающей температуре. Форма и расположение сильно влияют на теплопередачу, размер и число ребер определяют эффективность.

3.1 Расположение, форма, размер и местоположение ребер

Ребра — где охлаждающая среда (воздух) проходит над радиатором, обеспечивая рассеивание. Расположение и размер важны в конструкции. Улучшение этих факторов ведет к лучшему рассеиванию и легчайшему теплопотоку. Исследование на Science Direct обсуждало влияние формы на термоманеджмент.

«Результаты показали, что круглые ребра улучшили термическую производительность радиатора и снизили тепловое сопротивление на 25% и 12% по сравнению с двумя другими формами» — Case Studies in Thermal Engineering.

3.2 Эффективность ребер

Электрические компоненты в больших системах (серверы) выдают избыточное тепло. Медленная теплопередача снижает производительность и срок жизни. Тепловые трубы и жидкостное охлаждение перспективны, но ребристый теплообменник необходим для надежного и непрерывного рассеивания.

Ребра увеличивают площадь для рассеивания мощности в электрических компонентах. Толщина, высота, тепловое сопротивление влияют на эффективность ребер. Для улучшения: тоньше термический пограничный слой, оптимальный угол направления воздуха к радиатору, материал с высокой теплопроводностью.

4. Термоинтерфейсный материал (Thermal Interface Material)

Радиатор крепится к электрическим компонентам и схемам. Интерфейс между теплообменниками и типичными компонентами называется термоинтерфейсным материалом.

Тепловое сопротивление интерфейса снижает эффективность радиаторов. Шероховатость поверхности, запертый воздух и пустоты увеличивают контактное тепловое сопротивление. Естественно, при этих дефектах теплопередача плоха. Для снижения сопротивления используют различные термоинтерфейсные материалы, включая фазово-переходные. Удаление воздуха и заполнение пустот обеспечивает полный контакт.

5. Способы крепления радиатора

Радиатор применяется в механических компонентах. Выбор способа крепления может значительно улучшить макс. рассеиваемую мощность и отвести больше тепловой энергии. Распространенные методы: термолента, эпоксидная смола, клипсы, push-pins.

Многие факторы дизайна влияют на выбор крепления. Крупногабаритные тяжелые радиаторы не держатся на термоленте. Эпоксидка — отличный термовариант, но дорогая и требует мастерства при нанесении.

Дизайн радиатора: расчет теплового сопротивления

Дизайн радиатора завершает геометрию и функциональность для назначения. Но для оценки производительности рассеивания тепла необходимы расчеты теплового сопротивления.

Термины:

T_junction: Макс. рабочая температура перехода

T_ambient: Температура окружающего воздуха

Q: Выделяемое тепло

T_{junction-case}: Сопротивление переход-корпус

T_interface: Сопротивление интерфейсного материала

T_heatsink: Тепловое сопротивление радиатора

Суммарное тепловое сопротивление — сопротивление потоку тепла от перехода к корпусу, сопротивление интерфейсного материала, сопротивление между радиатором и окружающим воздухом.

Расчеты выше используются на этапе дизайна для сравнения разных материалов, интерфейсов и подбора правильного теплового сопротивления под макс. рабочую температуру компонента.

Дизайн радиатора: расчет размеров

Первый шаг в размеровании — определить размеры радиатора. После задания размеров — несколько расчетов, упрощенных калькулятором радиатора.

• Нахождение тепла конвекции

Qc = 2hA(T_component – T_ambient)

где

A = HL + t(2H + L)

h = 1.42[( T_component – T_ambient)/H ]^0.25

Qc = 2hA( T_component – T_ambient)

• Другая поверхность для рассеивания, конвекция на A₂

Qc = 2h₂A₂(T_component – T_ambient)

где

A₂ = L[2( H – b) + sb] + tL

s = 2.71 [ gβ(T_component – T_ambient)/Lαv ]

• Нахождение тепла, излучаемого излучением

Как конвекция, тепло уходит излучением с двух поверхностей.

Qr = 2ϵσA₁( T⁴_component – T⁴_ambient)

Qr2 = 2ϵσA₂( T⁴_component – T⁴_ambient)

где

A₂ = L(t + s) + 2(tH + sb)

• Итоговое число ребер

Fn = 1 + [(Q – Qr2 – Qc2) / (Qr1 + Qc1)]

• Ширина каждого ребра

W = (N – 1) + Nt

Применение радиаторов

Радиаторы используются там, где что-то выделяет тепло и нуждается в постоянной регуляции для поддержания рабочей температуры в пределах макс. допустимых. В электронике радиаторы везде, где LED и транзисторы — для работы в комнатной температуре без перегрева.

Применение характеризуется скоростью проведения тепла. Поэтому материалы с высокой теплопроводностью для процессов, где рост температуры рискует операцией.

CPU

При разгоне CPU чипы выделяют значительное тепло. Радиатор, термически связанный с CPU, не только накапливает это тепло, быстро удаляя с кристалла, но и переносит по поверхности, рассеивая в окружающий воздух.

Усилители мощности

В силовой транзисторности тепло вызывает утечку тока. Рост коллекторного тока увеличивает рассеиваемую мощность, что дальше повышает температуру. Цикл термического разбега разрушает транзистор. Радиатор быстро переносит тепло через поверхность, предотвращая повреждение.

Оптоэлектроника

Радиаторы часто используют с LED, так как компонент не может сам модерировать рабочую температуру.

Частые методы производства радиаторов

Для эффективного дизайна инженеры учитывают много факторов: выбор материала, алюминий — самый частый материал для радиаторов. Обсудим 3 основных метода производства алюминиевых радиаторов.

Экструзия (прессование) радиаторов

Подходит для простых дизайнов: высокие объемы производства, малые инвестиции, короткие циклы разработки, низкая стоимость.

Частый материал: алюминий 6063 с хорошей теплопроводностью. Принцип: нагрев алюминиевого чугана до 520–540 °C под высоким давлением, пропуск расплава через пресс-форму с желобками для заготовки радиатора. Затем обрезка заготовки, профилирование желобок — готовые ребра радиатора.

ЧПУ-обработка радиаторов

ЧПУ включает токарную, сверление, фрезеровку, шлифовку. Гибко применяется по структуре деталей, для большинства структурных элементов: формовка пластин, нарезка ребер, обработка дна и др. Особенно подходит для сложной геометрии радиаторов.

Литье под давлением (Die Casting) радиаторов

Принцип похож на впрыскную формовку. Алюминиевый сплав расплавляется под высоким давлением, быстро заполняет форму. По модели работает литейная машина, разовая литья, после охлаждения и постобработки — мономерный радиатор. Процесс позволяет интегрировать тонкие, плотные или сложные ребра.

Заключение

Применение радиаторов будет расширяться с техническими достижениями и лучшими решениями для большей полезности процессов. Дизайн радиаторов станет более диверсифицированным и кастомизированным.

Если ищете производителя для оптимизации дизайна радиатора под лучшую производительность, здесь, в WayKen, с богатым опытом обработки радиаторов, поддерживаем ваши кастомные дизайны и требования. Команда всегда внимательна к каждому деталю коммуникации и интерфейса с вами — никаких неожиданностей для отличного клиентского опыта. Получите котировку сегодня!