Радиатор

редактировать

A радиатор с вентиляторным охлаждением на процессоре персонального компьютера. Справа - меньший радиатор, охлаждающий интегральную схему материнской платы.

Типичная комбинация радиатор-вентилятор, встречающаяся на потребительском ноутбуке. Тепловые установки, установленные на выпускном отверстии охлаждающего вентилятора, находятся в прямом контакте с процессором и графическим процессором. Блок ребер работает как теплообменник жидкость-жидкость, передающий тепловую энергию от рабочей жидкости внутри тепловых трубок к окружающему воздуху в мертвом состоянии.

A теплоотвод (также обычно обозначаемый радиатор ), который передает тепло, представляющий собой генерируемое электронным или механическим, текучей среде, пассивный теплообменник, воздуху или жидкий хладагент, где он рассеивается от устройства, тем самым позволяя регулировать температуру устройства. В компьютерах радиаторы используются для охлаждения ЦП, ГП, а также некоторые наборы микросхем и модули ОЗУ. Радиаторы используются с мощными полупроводниковыми устройствами, такими как силовые транзисторы, и оптоэлектроникой, такие как лазеры и светоизлучающие диоды (светодиоды), где способность рассеивать тепло самим компонентом недостаточна для снижения его температуры. <177

Радиатор для увеличения площади его поверхности, контактирующей с окружающей его средой, например с воздухом. Скорость воздуха, выбор материала, конструкция выступа и обработка поверхности - это факторы, которые влияют на производительность радиатора. Способы крепления радиатора и материалы термоинтерфейса. Также влияет на температуру кристалла интегральной схемы. Термоклей или термопаста улучшают характеристики радиатора, заполняя воздушные зазоры между радиатором и теплоотводом на устройстве. Радиатор обычно делают из алюминия или меди.

Содержание

1 Принцип теплопередачи
2 Расчетные факторы
- 2.1 Термическое сопротивление
- 2.2 Материал
  - 2.2.1 Эффективность ребра
  - 2.2.2 Сопротивление растеканию
- 2.3 Расположение ребер
- 2.4 Полости (перевернутые ребра)
- 2.5 Проводящая толстая пластина между источником тепла и радиатором
- 2.6 Цвет поверхности

3 Технические приложения

3.1 Охлаждение микропроцессора
- 3.1.1 Способы крепления
- 3.1.2 Светодиодные лампы
- 3.2 Светодиодные лампы
- 3.3 При пайке
4 Методы характеристик Термопередачи
- 4.1 Теоретическая модель теплопередачи
- 4.2 Экспериментальные методы
- 4.3 Численные методы
5 См. Также
6 Ссылки
7 Внешние ссылки

Принцип теплопередачи

Радиатор передает тепловую энергию от устройства с более высокой температурой к устройству с более низкой температурой жидкость среда. Жидкая среда часто представляет собой воздух, но также может быть водой, хладагентом или маслом. Если текучей средой является вода, радиатор часто называют холодной пластиной. В термодинамике теплоотвод - это резервуар тепла, который может потреблять произвольное количество тепла без значительного изменения температуры. Практические радиаторы для электронных устройств должны иметь температуру выше, чем температура окружающей среды, чтобы передать тепло за счет конвекции и теплопроводности. Источники питания электроники не на 100% эффективны, поэтому выделяется дополнительное тепло, которое может отрицательно сказаться на работе устройства. Таким образом, в конструкцию включен радиатор для рассеивания тепла.

Чтобы понять принцип работы радиатора, рассмотрим закон теплопроводности Фурье. Закон теплопроводности Фурье, упрощенный до одномерной формы в x-направлении, показывает, что при наличии градиента температуры в области более высоких температур в области более низких температур. Скорость, с которой тепло передается за счет теплопроводности, $q k {\ displaystyle q_ {k}}$ $q_ {k}$ , пропорциональна произведению температурного градиента и площади поперечного сечения, через которую передается тепло.

qk = - k A d T dx {\ displaystyle q_ {k} = - kA {\ frac {dT} {dx}}}

q_k = -k A \ frac {dT} {dx}

Эскиз радиатора в воздуховоде, используемый для основных уравнений из сохранения энергии и закон охлаждения Ньютона

Рассмотрим радиатор в воздуховоде, в котором воздух проходит через канал. Предполагается, что основание радиатора более высокой температуры, чем воздух. Применение закона сохранения энергии для стационарных условий и закона охлаждения Ньютона к температурным узлам, показанным на диаграмме, дает следующий набор условий:

Q ˙ = m ˙ cp, in (T воздух, выход - T воздух, вход) {\ displaystyle {\ dot {Q}} = {\ dot {m}} c_ {p, in} (T_ {air, out} -T_ {air, in})}

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

(1)

Q ˙ = T hs - T воздух, av R hs {\ displaystyle {\ dot {Q}} = {\ frac {T_ {hs} -T_ {air, av}} {R_ {hs}}} }

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

(2)

где

T воздух, av = T воздух, вход + T воздух, выход 2 {\ displaystyle T_ {air, av} = {\ frac {T_ {воздух, вход} + T_ {воздух, выход}} {2}}}

T_ {воздух, av} = \ frac {T_ {воздух, дюйм} + T_ {воздух, выход}} {2}

(3)

Использование средней температуры воздуха предположение, которое справедливо для относительно короткого сообщения тонет. При расчете компактных теплообменников используется средняя логарифмическая температура воздуха. $м ˙ {\ displaystyle {\ dot {m}}}$ ${\ dot {m}}$ - массовый расход воздуха в кг / с.

Приведенные выше уравнения показывают, что

Когда воздушный поток через радиатор уменьшает это приводит к увеличению средней температуры воздуха. Это, в свою очередь, увеличивает базовую температуру радиатора. Кроме того, увеличится тепловое сопротивление радиатора. Конечный результат - более высокая базовая температура радиатора.
- Увеличение теплового сопротивления радиатора с уменьшением расхода будет показано в этой статье.
Температура воздуха на входе сильно зависит от температуры радиатора. Например, если в продукте есть рециркуляция воздуха, температура воздуха на входе не соответствует температуре окружающего воздуха. Следовательно, температура воздуха на входе в радиатор выше.
Если нет воздушного потока вокруг радиатора, передача энергии невозможна.
Радиатор - это не устройство, обладающее «магической способностью поглощать тепло, как губка, и отправлять его в параллельную вселенную».

Для естественной конвекции требуется свободный поток воздуха через радиатор. Для обеспечения достаточного воздушного потока между ними, радиатора снизится эффективность, если ребра не выровнены по вертикали или если ребра установлены слишком близко друг к другу, чтобы обеспечить достаточный поток между ними.

Расчетные факторы

Термическое сопротивление

Для полупроводниковых устройств, используемых в разнообразной бытовой и промышленной электронике, идея теплового 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 полное тепловое сопротивление окружающему воздуху. Термическое сопротивление определяет как повышение температуры на единицу мощности, аналогично электрическому сопротивлению, и выражается в градусах Цельсия на ватт (° C / Вт). Если мощность рассеивания устройства в ваттах известна и общее тепловое сопротивление рассчитано, можно рассчитать превышение температуры матрицы над окружающимом.

Термическое сопротивление полупроводникового радиатора приблизительным. Он не учитывает неравномерное распределение тепла по устройству или радиатору. Он только моделирует систему, находящуюся в тепловом равновесии, и не принимает во внимание изменение температуры со временем. Он также не отражает нелинейность излучения и конвекции по увеличению температуры. Однако производители приводят в таблицу типичные значения теплового сопротивления для радиаторов и полупроводниковых устройств, что позволяет упростить выбор серийно выпускаемых радиаторов.

Промышленные экструдированные алюминиевые радиаторы имеют тепловое сопротивление (теплоотвод в окружении) от 0,4 ° C / Вт для больших радиаторов, предназначенных для устройств TO-3, до 85 ° C / Вт для теплоотводов с защелкой для TO-92 маленький пластиковый корпус. Популярный силовой резистор 2N3055 в корпусе TO3 имеет внутреннее тепловое сопротивление от перехода к корпусу 1,52 ° C / Вт. Контакт между корпусом устройства и радиатором может иметь тепловое сопротивление от 0,5 до 1,7 ° C / Вт, в зависимости от размера корпуса и использования смазки или изоляционной слюдяной шайбы.

Материал

Наиболее распространенными материалами для теплоотвода являются алюминиевые сплавы. Алюминиевый сплав 1050 имеет одно из самых высоких значений теплопроводности при 229 Вт / м • К, но является механически мягким. Обычно используются алюминиевые сплавы 6060 (низкое напряжение), 6061 и 6063 со значениями теплопроводности 166 и 201 Вт / м · К соответственно. Значения зависят от состояния сплава. Цельные алюминиевые радиаторы могут быть изготовлены посредством экструзии, литья, затачивания или фрезерования.

Медь имеет отличные теплоотводящие свойства с точки зрения теплопроводности., коррозионная стойкость, устойчивость к биологическому обрастанию и противомикробная устойчивость (см. также Медь в теплообменниках ). Медь имеет примерно вдвое большую теплопроводность, чем алюминий, около 400 Вт / м • К чистой меди. Его основные области применения - промышленные объекты, электростанции, солнечные тепловые водные системы, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, газовые водонагреватели, системы воздушного отопления и охлаждения, геотермальное отопление и охлаждение, а также электронные системы.

Медь в три раза плотнее и дороже алюминия. Цельные медные радиаторы могут быть изготовлены методом затачивания или фрезерования. Ребра из листового металла можно припаять к прямоугольному медному корпусу. Медь менее пластична, чем алюминий, поэтому ее нельзя экструдировать в теплоотводы.

Эффективность ребер

Эффективность ребер - один из параметров, который делает важный материал с более высокой теплопроводностью. Ребро радиатора можно рассматривать как плоскую пластину с теплом, текущим с одного конца и рассеиваемым в всей жидкости по мере продвижения к другому. Когда течет через ребро, сочетание теплового сопротивления радиатора, препятствующего потоку, и тепла, теряемого из-за конвекции, температуры ребра и, следовательно, теплопередачи к жидкости будут уменьшаться от основания до конца плавника. Эффективность ребра определяет как фактическое тепло, передаваемое ребром, делимое на теплопередачу, если ребро должно быть изотермическим (гипотетически ребро имеет бесконечную теплопроводность). Уравнения 6 и 7 применимы для прямых плавников:

η f = tanh ⁡ (m L c) m L c {\ displaystyle \ eta _ {f} = {\ frac {\ tanh (mL_ {c})} {mL_ {c}}}}

\ eta_f = \ frac {\ tanh (mL_c)} {mL_c}

(6)

m L c = 2 hfktf L f {\ displaystyle mL_ {c} = {\ sqrt {\ frac {2h_ {f}} {kt_ {f}) }}}} L_ {f}}

mL_c = \ sqrt {\ frac {2h_f} {k t_f }} L_f

(7)

Где:

hf- коэффициент конвекции плавника
- Воздух: от 10 до 100 Вт / (мК)
- Вода: от 500 до 10000 Вт / (мК)
k - теплопроводность материала ребер
- Алюминий: от 120 до 240 W /(m ·K )
Lf- высота ребра (м)
tf- толщина ребра (м)

Эффективность ребра увеличивает счет уменьшения соотношения сторон ребра (делает их толще или короче) или использование более проводящего материала (например, меди вместо алюминия).

Сопротивление растеканию

Еще одним параметром, который касается теплопроводности материала радиатора, сопротивление растеканию. Сопротивление растеканию, когда тепловая энергия передается от небольшой площади к большей площади в веществе с конечной теплопроводностью. В радиаторе это означает, что тепло не равномерно равномерно через основание радиатора. Явление сопротивления растеканию проявляется в том, как тепло от установки источника тепла и большой градиент температуры между источником тепла и краями радиатора. Это означает, что некоторые ребра имеют более низкую температуру, чем если бы источник тепла был однородным по основанию радиатора. Эта неоднородность увеличивает тепловое сопротивление радиатора.

Чтобы увеличить сопротивление растеканию в основании радиатора:

Увеличьте толщину основания
Выберите другой материал с более высокой теплопроводностью
используйте паровую камеру или тепловая трубка в основании радиатора

Расположение ребер

Типы радиаторов: штыревые, прямые и раструбные

Штифтовые радиаторы с ребрами - это радиатор, который имеет выступающие штыри. от его основания. Штифты могут быть цилиндрическими, эллиптическими или квадратными. Штырь - это один из наиболее распространенных типов радиаторов, доступных на рынке. Второй тип расположения ребер радиатора - это прямые ребра. Они проходят по всей длине радиатора. Разновидностью радиатора с прямыми ребрами является радиатор с поперечным разрезом. Радиатор с прямым ребром режется через равные промежутки времени.

В целом, чем больше площадь поверхности радиатора, тем лучше он работает. Однако это не всегда так. Идея радиатора со штыревыми ребрами состоит в том, чтобы попытаться установить большую площадь поверхности в заданный объем. Кроме того, он хорошо работает в любой ориентации. Кордыбан сравнил характеристики плоского радиатора аналогичных размеров. Штифтовое ребро имеет площадь поверхности 194 см, прямое - 58 см, разница температур между основанием радиатора и окружающим воздухом для штифтового ребра составляет 50 ° C. Для прямого ребра она была на 44 ° C или на 6 ° C лучше, чем для стержневого ребра. Рабочие характеристики теплоотвода штыревых ребер значительно лучше, чем у прямых ребер, когда они используются по назначению, когда жидкость течет в осевом направлении вдоль штифтов (см. рис. 17 ), а не только по касательной через штифты.

Сравнение плоских и плоских радиаторов аналогичных размеров.. На основе данных
Тип ребер радиатора	Ширина [см]	Длина [см]	Высота [см]	Площадь поверхности [см²]	Объем [см³]	Разница температур, T корпус -T воздух [° C]
Прямой	2,5	2,5	3,2	58	20	44
Пин	3,8	3,8	1,7	194	24	51

Другая конфигурация - радиатор с расширяемыми ребрами; его ребра не параллельны друг другу, как показано на рисунке 5. Расширение ребер снижает сопротивление потоку и заставляет больше воздуха проходить через канал ребер радиатора; иначе через ласты попадет больше воздуха. Их наклон сохраняет общие размеры, но обеспечивает более длинные плавники. Форган и др. опубликовали данные испытаний, проведенных на радиаторах со штифтовым, прямым и расширяющимся ребрами. Они показывают, что при низкой скорости приближающегося воздуха, обычно около 1 м / с, тепловые характеристики как минимум на 20% лучше, чем у радиаторов с прямыми ребрами. Ласанс и Эггинк также представили, что для конфигурации байпаса, которые они тестировали, расширяющийся радиатор работал лучше, чем другие протестированные радиаторы.

Полости (перевернутые ребра)

Полости (перевернутые ребра), встроенные в источник тепла, представляют собой области, образованные между соседними ребрами, которые являются промоторами пузырькового кипения или конденсации. Эти полости обычно используются для отвода тепла от различных тепловыделяющих тел к радиатору.

Проводящая толстая пластина между источником тепла и радиатором

Размещение проводящей толстой пластины в Интерфейс теплопередачи между источником тепла и холодной текучей средой (или любым другим радиатором) может улучшить характеристики охлаждения. В такой конфигурации источник тепла охлаждается под толстой пластиной, а не в прямом контакте с охлаждающей жидкостью. Показано, что толстая пластина может улучшить теплопередачу между устройством тепла и охлаждающей жидкостью за счет оптимального проведения теплового тока. Двумя вспомогательными средствами этого метода является отсутствие дополнительной мощности откачки и дополнительной площади теплопередачи, что сильно отличается от ребер (удлиненных поверхностей).

Цвет поверхности

Карта флэш-памяти серверного уровня с черным радиатором.

Передача тепла от радиатора происходит за счет конвекции окружающего воздуха, проводимость через воздух и излучение.

Передача тепла излучением является функцией температуры радиатора, так и температуры окружающей среды, с которой радиатор оптически связан. Когда обе эти температуры находятся в диапазоне от 0 ° C до 100 ° C, вклад излучения по сравнению с конвекцией обычно невелик, и этим фактором часто пренебрегают. В этом случае на ребристые радиаторы, работающие в режиме естественной конвекции или принудительного потока, не будет существенно влиять поверхностный коэффициент излучения.

В ситуациях, когда конвекция низкая, например, плоская панель без ребер с низким потоком воздуха, радиационное охлаждение может быть существенным фактором. Здесь свойства поверхности могут быть важным фактором дизайна. Матово-черные поверхности будут излучать намного эффективнее, чем блестящий голый металл. Блестящая металлическая поверхность имеет низкий коэффициент излучения. Излучательная способность материала сильно зависит от частоты и связана с поглощающей способностью (которой на блестящих металлических поверхностях очень мало). Для большинства материалов коэффициент излучения в видимой области спектра аналогичен коэффициенту излучения в инфракрасной области спектра; однако есть исключения, особенно определенные оксиды металлов, которые используются в качестве «селективных поверхностей ».

В вакууме или в космическом пространстве конвективная теплопередача отсутствует, поэтому в этих средах излучение является единственным фактором, определяющим тепловой поток между радиаторами. и окружающая среда. Для спутника в космосе поверхность с температурой 100 ° C (373 Кельвина), обращенная к Солнцу, будет поглощать много лучистого тепла, поскольку температура поверхности Солнца составляет почти 6000 Кельвинов, тогда как та же самая поверхность, обращенная к глубокому космосу, будет излучать много тепла, поскольку эффективная температура глубокого космоса составляет всего несколько градусов Кельвина.

Технические приложения

Охлаждение микропроцессора

Система охлаждения видеокарты Asus GTX-650; видны три тепловые трубки

Тепловыделение - неизбежный побочный продукт электронных устройств и схем. 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 теплопередачи от устройства к окружающей среде. Путь теплопередачи может проходить от компонента к печатной плате (PCB), к радиатору, к воздушному потоку, обеспечиваемому вентилятором, но во всех случаях, в конечном итоге, в окружающую среду.

Два дополнительных конструктивных фактора также влияют на тепловые / механические характеристики тепловой конструкции:

Метод, с помощью которого радиатор устанавливается на компонент или процессор. Это будет обсуждаться в разделе "Методы прикрепления".
Для каждого интерфейса между двумя объектами, контактирующими друг с другом,будет происходить падение температуры на интерфейсе. Для таких композитных систем падение температуры на границе раздела может быть значительным. Это изменение температуры может быть связано с так называемым сопротивлением теплового контакта. Термоинтерфейсные материалы (TIM) уменьшают сопротивление теплового контакта.

Методы крепления

По мере увеличения рассеиваемых компонентов мощности и уменьшения размера пакета компонентов инженеры-теплотехники должны вводить новшества, чтобы компоненты не перегревались. Устройства с более низкой температурой дольше. Конструкция радиатора должна удовлетворять как тепловым, так и механическим требованиям. Что касается последнего, компонент должен оставаться в тепловом контакте со своим радиатором с умеренными ударами и вибрацией. Радиатор может быть медной фольгой печатной платы или радиатором, установленным на компонент или печатную плату. Методы крепления включают теплопроводящую ленту или эпоксидную смолу, проволочные зажимы z, плоские пружинные зажимы, распорные втулки и нажимные штифты с концами, которые расширяются после установки.

Теплопроводящая лента

Рулон теплопроводящей ленты.

Теплопроводящая лента - один из наиболее экономичных материалов для крепления радиаторов. Он подходит для радиаторов с малой массой и компонентов с низким уровнем рассеивания мощности. Он состоит из теплопроводного материала-носителя с самоклеящимся клеем с каждой стороны.

Эта лента наклеивается на основание радиатора, которое затем прикрепляется к компоненту. Ниже приведены факторы, влияющие на характеристики термоленты:

Поверхности компонентов и радиатора должны быть чистыми, без остатков, таких как пленка силиконовой смазки.
Давление предварительной нагрузки необходимо для обеспечения хорошего контакта. Недостаточное давление приводит к участкам, не контактирующим с захваченным воздухом, и приводит к более высокому, чем ожидалось, термическому сопротивлению границы раздела.
Более толстые ленты имеют тенденцию обеспечивать лучшую «смачиваемость» неровных поверхностей компонентов. «Смачиваемость» - это процентная площадь контакта с компонентом. Более тонкие ленты. С точки зрения дизайна, выбирает толщину ленты, которая обеспечивает максимальную «смачиваемость» при минимальном термическом сопротивлении.

Эпоксидная смола

Эпоксидная смола дороже ленты, но обеспечивает большую механическую прочность. связь между радиатором и компонентом, а также улучшенная теплопроводность. Выбранная эпоксидная смола должна быть улучшена для этой цели. Большинство эпоксидных смол представляет собой двухкомпонентные жидкие составы, которые необходимо тщательно обработать перед нанесением на радиатор и перед установкой компонентов радиатора на компонент. Затем эпоксидная смола отверждается в течение определенного времени, которое может изменяться 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 остатков.

Эпоксидная связь между радиатором и компонентом полупостоянная / постоянная. Это делает переделку очень трудной, а иногда и невозможной. Наиболее типичным повреждением, вызываемым переделкой, является отделение теплораспределителя компонента от его корпуса.

Штыревой радиатор с ребрами жесткости с фиксатором Z-образного зажима.

Z-образные зажимы из проволоки

Более дорогие, чем лента и эпоксидная смола, z-образные зажимы в виде проволоки прикрепляют радиаторы механически. Чтобы использовать z-образные зажимы, печатная плата должна иметь анкеры. Анкеры можно либо припаять к плате, либо протолкнуть. Любой из этих типов требует, чтобы в плате были отверстия. Использование RoHS должно быть разрешено, поскольку он механически слабее, чем тип припой Pb / Sn.

Чтобы собрать z-образную скобу, прикрепите одну ее сторону к одному из анкеров. Отклоняйте пружину до тех пор, пока другая сторона зажима не войдет в другой фиксатор. Отклонение пружинную нагрузку на компонент, который поддерживает 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.

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

Зажимы

Доступны для процессоров и компонентов решетки шариков (BGA). Зажимы позволяют прикреплять радиатор BGA непосредственно к Зажимы используют зажимную решетку шариков (BGA) между нижней кромкой и верхней печатной платой. Таким образом, они не требуют отверстий в печатной плате.

Пара нажимных штифтов. Нажимные штифты с нажимными пружинами

Для больших радиаторов и более высоких предварительных нагрузок очень эффективны нажимные штифты с нажимными пружинами. Нажимные штифты, обычно сделанные из латуни или пластика, имеют на конце гибкий выступ, который входит в отверстие в печатной плате; Пружина удерживает контакт между радиатором и компонентом. елярской кнопки. Слишком большое усилие вставки может привести к растрескиванию штампа и последующему отказу компонентов.

Резьбовые стойки с пружинами сжатия

Для очень больших радиаторов нет замены резьбовой стойке и способу крепления пружины сжатия. Стойка с резьбой - это полая металлическая трубка с внутренней резьбой. Один конец закреплен винтом через отверстие в печатной плате. Другой конец принимает винт, который сжимает пружину, завершая сборку. Типичный радиатор в сборе использует от двух до четырех стоек, что делает его наиболее дорогостоящим конструктивным элементом крепления радиатора. Еще один недостаток - необходимость в отверстиях на печатной плате.

Обзор способов крепления радиатора
Метод	Плюсы	Минусы	Стоимость
Термолента	Легко прикрепляется. Недорого.	Невозможно обеспечить механическое крепление для более тяжелых радиаторов или условий с высокой вибрацией. Поверхность необходимо очистить для оптимальной адгезии. От умеренной до низкой теплопроводности.	Очень низкая
Эпоксидная	Сильная механическая адгезия. Относительно недорого.	Затрудняет доработку платы, так как может повредить компоненты. Поверхность должна быть очищена для оптимальной адгезии.	Очень низкий
Проволочная Z-образная скоба	Сильное механическое крепление. Легкое снятие / доработка. Применяет предварительную нагрузку к материалу термоинтерфейса, улучшенные тепловые характеристики.	Требуются отверстия в плате или анкеры для пайки. Дороже, чем лента или эпоксидка. Индивидуальные конструкции.	Низкая
Clip-on	Применяет предварительную нагрузку к материалу термоинтерфейса, улучшая тепловые характеристики. Не требует отверстий или анкеров. Легкое снятие / доработка.	Для зажима вокруг BGA должна быть зона "вне". Дополнительные этапы сборки.	Низкий
Нажимной штифт с пружинами сжатия	Прочное механическое крепление. Максимальная предварительная нагрузка материала термоинтерфейса. Легкое снятие и установка.	Требуются отверстия в плате, увеличивающие сложность следов на печатной плате.	Умеренный
Стойки с пружинами сжатия	Самое прочное механическое крепление. Самый высокий предварительный натяг для материала термоинтерфейса. Идеально подходит для больших радиаторов.	Требуются отверстия в плате, что усложняет разводку трассы. Сложная сборка.	Высокая

Материалы термоинтерфейса

Теплопроводность и сопротивление составляют часть сопротивления термоинтерфейса материала термоинтерфейса.

Сопротивление теплового возникновения из-за образовавшихся пустот из-за эффектов шероховатости поверхности, дефектов и перекоса границы раздела. Пустоты на границе раздела заполнены воздухом. Таким образом, теплопередача происходит из-за проводимости через фактическую площадь контакта и за счет теплопроводности (или естественной конвекции) и излучения через зазоры. Если площадь контакта мала, как для шероховатых поверхностей, основная вкладка вносит зазоры. Чтобы уменьшить сопротивление термического контакта, поверхность может быть уменьшена при увеличении межфазного давления. Однако эти методы улучшения не всегда практичны или возможны для электронного оборудования. Термоинтерфейсные материалы (TIM) являются обычным способом преодоления этих ограничений.

Правильно нанесенные термоинтерсные материалы вытесняют воздух, который присутствует в зазорах между двумя объектами, с помощью материала, который имеет более высокую теплопроводность. Воздух имеет теплопроводность 0,022 Вт / м • К, тогда как ТИМ имеют удельную проводимость 0,3 Вт / м • К и выше.

При выборе TIM следует обращать внимание на значения, предоставленные способность. Большинство производителей указывают значение теплопроводности материала. Однако коэффициент теплопроводности не учитывает интерфейсные сопротивления. Следовательно, если TIM имеет высокую теплопроводность, это не обязательно означает, что сопротивление сопротивление будет низким.

Выбор TIM основан на трех параметрах: межфазный зазор, который должен заполнить TIM, контактное давление и удельное электрическое сопротивление TIM. Контактное давление - это давление, приложенное к границе раздела между двумя материалами. В подборку не входит стоимость материала. Удельное электрическое сопротивление может быть важным в зависимости от электрической конструкции.

Выбор на основе межфазного зазора
значений межфазного зазора		Доступные типы продуктов
< 0.05 mm	< 2 mil	Термопаста, эпоксидная смола, материалы с фазовым переходом
0,05 - 0,1 мм	2 - 5 мил	Материалы с фазовым переходом, полиимид, графит или алюминиевые ленты
0,1 - 0,5 мм	5 -18 мил	Силикон- ткани с покрытием
>0,5 мм	>18 мил	Заполнители зазоров

Выбор на основе контактного давления
Шкала контактного давления	Типичные диапазоны давления	Доступные продукты
Очень низкий	< 70 kPa	Заполнители зазора
Низкий	< 140 kPa	Термопаста, эпоксидная, полиимидная, графитовая или алюминиевая ленты
Высокая	2 МПа	Ткани с силиконовым покрытием

Выбор на основе диэлектрической прочности
Электроизоляция	Электрическая прочность	Типовые значения		Доступные типы продукции
Не требуется	Н / Д	Н / П	Н / П	Термопаст а, эпоксидная смола, материалы с фазовым переходом, графит, или алюминиевые ленты.
Требуется	Низкое	10 кВ / мм	< 300 V/mil	Ткани с силиконовым покрытием, заполнители зазоров
Требуется	Высокий	60 кВ / мм	>1500 В / мил	Полиимидная лента

Примечания по применению TIM в зависимости от типа продукта
Тип товара	Примечания по применению	Тепловые характеристики
Термопаста	Грязь. Трудоемкий. Относительно долгое время сборки.	++++
Эпоксидная смола	Создает «постоянное» межфазное соединение.	++++
Смена фазы	Позволяет прикрепить. Смягчается и соответствует поверхностным дефектам при рабочих температурах. Возможность изменения положения в полевых условиях.	++++
Термоленты, включая графитовые, полиимидные и алюминиевые ленты	Легко наносится. Некоторая механическая прочность.	+++
Ткани с силиконовым покрытием	Обеспечивают амортизацию и герметизацию, сохраняя при этом теплопередачу.	+
Заполнитель зазоров	Мужчина для термически соедините компоненты разной высоты с теплоотводом или радиатором. Естественно липкие.	++

Мощные светодиоды от Philips Lumileds Lighting Company, установленные на 21-миллиметровом алюминиевом сердечнике в форме звезды печатных плат

Светодиодные лампы

Характеристики и срок службы светодиодов (LED) зависит от их температуры. Поэтому необходимо эффективное охлаждение. На примере светодиодного даунлайтера показан пример расчетов, выполненных для расчета необходимого радиатора, необходимого для эффективного охлаждения системы освещения. В статье также показано, что для получения уверенности в результатах требуется несколько независимых решений, дающих 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

Временные радиаторы иногда используются при пайке печатных плат, предотвращая повреждение чувствительной близлежащей электроники чрезмерным нагревом. В простейшем случае это означает частичный захват компонента с помощью зажима «крокодил» из тяжелого металла, кровоостанавливающего зажима или аналогичного зажима. Современные полупроводниковые устройства, которые спроектированы для сборки с помощью пайки оплавлением, обычно могут выдерживать температуры пайки без повреждений. С другой стороны, электрические компоненты, такие как магнитные герконы, могут выйти из строя при воздействии более горячих паяльников, поэтому эта практика все еще широко используется.

Методы определения производительности

Обычно характеристики радиатора зависят от теплопроводности материала, размеров, типа ребер, коэффициента теплопередачи, расхода воздуха и размера воздуховода. Чтобы определить тепловые характеристики радиатора, можно создать теоретическую модель. В качестве альтернативы тепловые характеристики можно измерить экспериментально. Из-за сложной природы сильно трехмерного потока в настоящих приложениях также могут использоваться численные методы или вычислительная гидродинамика (CFD). В этом разделе будут обсуждаться вышеупомянутые методы определения тепловых характеристик радиатора.

Теоретическая модель теплопередачи

Эскиз радиатора с эквивалентным термическим сопротивлением.

График зависимости теплового сопротивления и коэффициента теплопередачи от расхода для конструкции радиатора, используемой в. Данные были получены с использованием условий, приведенных в статье. Данные показывают, что при увеличении расхода воздуха тепловое сопротивление радиатора уменьшается.

Одним из методов определения характеристик радиатора является использование теории теплопередачи и гидродинамики. Один из таких методов был опубликован Jeggels и др., Хотя эта работа ограничивается потоком в воздуховоде. Воздух в канале проходит через канал, который плотно прилегает к радиатору. Это гарантирует, что весь воздух проходит через каналы, образованные ребрами радиатора. Когда воздушный поток не направлен в воздуховод, определенный процент воздушного потока будет проходить в обход радиатора. Было обнаружено, что байпас потоком с помощью этого изображения, оставаясь при этом нечувствительным к скорости впускного канала.

Модель теплового сопротивления радиатора состоит из двух сопротивлений, а именно сопротивление в основании радиатора, $R b {\ displaystyle R_ {b}}$ $R_ {b}$ , а сопротивление в плавниках, $Р е {\ displaystyle R_ {f}}$ $R_ {f}$ . Тепловое сопротивление основания радиатора, $R b {\ displaystyle R_ {b}}$ $R_ {b}$ , можно записать следующим образом, если источник равномерно приложен к основанию радиатора. Если это не так, то базовое сопротивление - это первая очередь сопротивления растекания:

R b = tbk A b {\ displaystyle R_ {b} = {\ frac {t_ {b}} {kA_ {b}}}}

R_b = \ frac {t_b} {kA_b}

(4)

где $tb {\ displaystyle t_ {b}}$ $t_b$ - толщина основания радиатора, $k {\ displaystyle k}$ $k$ - теплопроводность материала радиатора, а $A b {\ displaystyle A_ {b}}$ $A_b$ - площадь основания радиатора.

Тепловое сопротивление от основания ребер воздуху, $R f {\ displaystyle R_ {f}}$ $R_ {f}$ , можно рассчитать по следующей формулам:

Р е знак равно 1 nhf W е (tf + 2 η е L е) {\ displaystyle R_ {f} = {\ frac {1} {nh_ {f} W_ {f} \ left (t_ {f} +2 \ eta _ {f} L_ {f } \ right)}}}

R_f = \ frac {1} {n h_f W_f \ left (t_f + 2 \ eta_f L_f \ right)}

(5)

η е = tanh ⁡ м L см L c {\ displaystyle \ eta _ {f} = {\ frac {\ tanh {mL_ {c} }} {mL_ {c}}}}

\ eta_f = \ frac {\ tanh {mL_c}} {mL_c}

(6)

m L c = 2 hfktf L f {\ displaystyle mL_ {c} = {\ sqrt {\ гидроразрыв {2h_ {f}} {kt_ {f}}}} L_ {f}}

mL_c = \ sqrt {\ frac {2h_f} {k t_f }} L_f

(7)

D h = 4 A ch P ch {\ displaystyle D_ {h} = {\ гидроразрыв {4A_ {ch}} {P_ {ch}}}}

D_h = \ frac {4A_ {ch}} {P_ {ch}}

(8)

R e = 4 G ˙ ρ n π D h μ {\ displaystyle Re = {\ frac {4 {\ точка {G}} \ rho} {n \ pi D_ {h} \ mu}}}

Re = \ frac {4 \ dot { G} \ rho} {n \ pi D_h \ mu}

(9)

f = (0,79 ln ⁡ R e - 1,64) - 2 {\ displaystyle f = ( 0,79 \ ln Re-1,64) ^ {- 2}}

f = (0,79 \ ln Re - 1,64) ^ {- 2}

(10)

N u = (f / 8) (R e - 1000) P r 1 + 12,7 (f / 8) 0,5 (P r 2 3 - 1) {\ displaystyle Nu = {\ frac {(f / 8) (Re-1000) Pr} {1 + 12,7 (f / 8) ^ { 0,5} (Pr ^ {\ frac {2} {3}} - 1)}}}

Nu = \ frac {(f / 8) (Re - 1000) Pr} {1 + 12,7 (f / 8) ^ {0,5} (Pr ^ {\ frac {2} {3}} - 1)}

(11)

hf = N ukair D h {\ displaystyle h_ {f} = {\ frac {Nuk_ {воздух}} {D_ {h}}}}

h_f = \ frac {Nu k_ {air}} {D_h}

(12)

ρ = P атм R a T in {\ displaystyle \ rho = {\ frac {P_ {atm}} {R_ { a} T_ {in})}}}

\ rho = \ frac {P_ {atm}} {R_aT_ {in}}

(13)

Расход можно определить по пересечению системы кривой радиатора и кривой вентилятора. Кривая система теплоотвода по гидравлическому сопротивлению каналов и потерям на входе и выходе, как это делается в стандартных учебниках по механике жидкости, таких как Potter и др. и белый.

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

R hs Знак равно р б + р е {\ displaystyle R_ {hs} = R_ {b} + R_ {f}}

R_ {hs} = R_ {b} + R_ {f}

(14).

Используя уравнения с 5 по 13 и Согласно размерным данным, тепловое сопротивление ребер рассчитано для различных расходов воздуха. Данные по тепловому сопротивлению и коэффициенту теплопередачи показаны на диаграмме, которая показывает, что с увеличением расхода воздуха тепловое сопротивление радиатора уменьшается.

Экспериментальные методы

Экспериментальные испытания - один из самых популярных способов определения тепловых характеристик радиатора. Чтобы определить тепловое сопротивление радиатора, необходимо знать расход, входную мощность, температуру воздуха на входе и температуру радиатора. Для результатов испытаний воздуховодов предоставленные данные предоставлены поставщиком. Однако результаты оптимистичны и могут дать недостоверные данные, когда радиаторы используются в ненадлежащем приложении. Более подробную информацию о методах тестирования радиатора и общих упущениях можно найти в Azar, et al.

Численные методы

Радиальный радиатор с тепловым профилем и траектория закрученного потока принудительной конвекции, спрогнозированные с использованием CFD пакет для анализа

В промышленности термический анализ часто игнорируется в процессе проектирования или выполняется слишком поздно - когда конструктивные изменения ограничены и становятся слишком дорогостоящими. Из трех методов, упомянутых в этой статье, теоретические и численные методы могут быть использованы для определения оценки теплоотвода или температуры компонентов до создания физических моделей. Теоретическая модель обычно используется в качестве первого порядка. Онлайн-калькуляторы радиаторов могут дать разумные характеристики радиаторов с принудительной и естественной конвекцией на основе комбинации теоретических и полученных эмпирическим путем корреляций. Численные методы или вычислительная гидродинамика (CFD) обеспечивает качественное (а иногда даже количественное) прогнозирование потоковой жидкости. Это означает, что он даст визуальный или постобработанный результат моделирования, такие как изображения на рисунках 16 и 17 и анимация CFD на рисунках 18 и 19, но количественная или абсолютная точность результата зависит от включения и точных параметров.

CFD может представить представление о схемах потоков, которые сложно, дорого или изучить экспериментальными методами. Эксперименты могут дать количественное описание явлений, используя измерение для одного описания величины за раз, в ограниченное количество точек и моментов времени. Если в полном масштабе 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 рабочих условий. Однако в критических случаях может потребоваться проверка результатов.

Штифтовый радиатор с тепловым профилем и траекториями потока свободной конвекции, спрогнозированные с использованием пакета анализа CFD

Диаметр 38 мм при высоте штифта 50 мм радиатор с тепловым профилем и закрученными анимированными траекториями потока принудительной конвекции от лопастно. -осевого вентилятора, спрогнозированные с помощью пакета анализа CFD

прямой радиатор 60 мм на 60 мм на 10 мм оребренный радиатор с тепловым профилем и закрученным анимированным потоком принудительной конвекции траектории от осевого вентилятора, спрогноз с использованием пакета анализа CFD

См. также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Радиаторы.