Радиаторы (Heat Sinks): ключевые знания и типы для оптимального охлаждения

Самая популярная форма теплоуправления в современной технике — радиатор (heat sink). Радиаторы доказали: доступны и очень эффективны. Однако, несмотря на впечатляющие функции, многие инженеры упускают их применение для предотвращения рассеивания мощности.

Статья объясняет принцип работы радиатора и представляет два основных типа.

Что такое радиатор (Heat Sink)?

Радиатор — электронный компонент, предотвращающий перегрев компонентов на плате за счет увеличенной теплоемкости. Изготавливается из холодных плит материалов с высокой теплопроводностью.

Обычно его элементы увеличивают и направляют тепловой поток от горячего устройства, расширяя рабочую площадь. Затем расширяется рабочая среда, проходящая через увеличенную площадь, повышая скорость рассеивания тепла.

(компьютерный радиатор)

Как работает радиатор?

Двусторонний радиатор отводит тепло от критического компонента в тепловой состав. В зависимости от конфигурации — 4 базовых этапа.

• Источник генерирует тепло

Источник — электронная система, выделяющая тепло. Тепло должно уходить для эффективной работы. Используйте термопаду и термопасту для эффективности передачи. Термопада переносит тепло от концентрированной области к радиатору.

(пассивный теплообменник)

• Перенос тепла дальше от источника

Для этого — тепловые трубы (heat pipes). При прямом контакте с нагревающимися компонентами — подключайте радиатор или термопаду.

Тепло от компонентов попадает в термокомпаунд. Радиатор естественной проводимостью уводит тепло дальше от источника.

Естественная проводимость эффективна, если материалы радиатора — хорошие теплопроводники. Алюминий и медь широко используются для повышения производительности.

(нанесение термопасты на радиатор)

Распространение тепла по всему радиатору

Через естественную проводимость тепло движется по температурному градиенту: из зоны высокой температуры в зону низкой.

• Удаление тепла от радиатора

Зависит от рабочей среды и температурного градиента радиатора. При прохождении среды через поверхность — конвекция и термическая диффузия. Оба процесса уводят тепло в окружающую среду. Градиент уводит тепло от поверхности.

Температура окружающего воздуха всегда должна быть ниже температуры радиатора. Иначе нет конвекции или градиента. Этап использует площадь поверхности: шире площадь — сильнее конвекция и диффузия.

(крупный план ПП с алюминиевым радиатором)

Типы радиаторов

• Пассивные радиаторы

Полагаются на естественную конвекцию. Она возникает только при активном воздушном потоке в системе. Не нужны системы управления или внешнее питание для увода горячего воздуха.

Устройства не всегда имеют поток воздуха. Поэтому пассивный радиатор имеет более низкую тепловую производительность, чем активный, особенно при избыточном тепе без воздушного потока.

• Активные радиаторы

Используют внешнее охлаждение для усиления потока среды через горячую поверхность. Пример: вентилятор дует воздух через алюминиевую пенистую структуру. Принудительно заставляет холодный воздух проходить поверхность, увеличивая термический градиент, обеспечивая эффективное охлаждение.

(алюминиевый компьютерный радиатор)

Какой радиатор самый эффективный?

Плоскостной плавчатый радиатор из алюминия или алюминиевой подложки — наиболее распространенный. Алюминий превосходит медь и серебро: легкая обработка, дешевизна, коррозионная и электрическая стойкость, отличная тепло- и электропроводность, малый вес.

(алюминиевые CPU радиаторы)

Краткое введение в алюминиевую подложку

Алюминиевая подложка — алюминиевый сплав. Алюминий без покрытия имеет отличную коррозионную стойкость, но слои дают доп. защиту в выбранных термических средах. Покрытие серебром улучшает теплопроводность и эстетику. Важно для систем с высокой теплоемкостью.

(картинка с алюминиевыми и медными радиаторами)

Как использовать алюминиевый радиатор

• Алюминиевая рама робота

Рама держит все электроэлементы робота. Все должны быть легкими. Батарея питает робота и выделяет тепло. Для митигации — радиатор.

• Raspberry Pi

Pi в норме работает хорошо thanks троттлингу ПО, удерживающему безопасные температуры без радиатора. Но при разгоне (overclocking) или кастомном ПО — качественный радиатор необходим для схемы.

Разгон вызывает потерю производительности из-за рассеивания тепла. Радиатор над/возле горячего компонента снижает троттлинг.

(крупный план медного радиатора)

Резюме

Радиатор — отличные характеристики, легкий в использовании, надежный компонент. Надеемся, статья охватила всё нужное о радиаторах.

Хотите узнать больше — свяжитесь с нами!