Den ökande storleken på moderna elektroniska enheter har lett till en ökning av värmeavledningsdensiteten. Värmen som genereras vid denna punkt påverkar prestandan hos de elektroniska enheterna. För att bibehålla effektivitet och livslängd krävs ett effektivt sätt att avleda värme från elektroniska enheter.
Vid denna tidpunkt kan en väl genomtänkt kylfläns vara en bra lösning på problemet med värmeavledning från elektroniska komponenter. Även om elektroniska komponenter har några av sina egna kylegenskaper, är det också ett bra val med en kylfläns.
När du väljer rätt kylfläns måste du noga överväga tre faktorer. Dessa inkluderar noggrann utvärdering av designkrav, materialegenskaper och hantering av värmemotstånd. Genom att välja rätt kylfläns kan du effektivt förbättra den termiska prestandan, optimera energieffektiviteten och förhindra överhettning.
På Trumonytechs kan vi förse dig med specialiserade termiska lösningar. Om du helt enkelt behöver termiska material, då våra gränssnittsmaterial är också ett perfekt alternativ.
Innehållsförteckning
Vad används radiatorer till?
Kylflänsen är vanligtvis tillverkad av ett värmeledande material (koppar/aluminium) som är utformat för att avleda värme genom vätskekylning, naturlig konvektion, forcerad konvektion eller strålning. Dess huvudsyfte är att leda värme från värmeelementet till en svalare miljö. Som exempel kan nämnas att det konventionella sättet att avleda värme är att ett fast ämne avger sin temperatur direkt till luften och på så sätt kyler den. Med kylflänsar, å andra sidan, skapas ett värmeledande medium direkt mellan det fasta ämnet och luften. Den uppnår god värmeledningsförmåga genom att öka kontaktytan mellan komponenten och kylvätskan, i kombination med värmeledningsförmågan hos själva materialet, vilket håller temperaturen under den maximala temperatur som anges av utrustningstillverkaren.
Olika applikationer har dock olika krav på värmeavledning. Därför måste du välja rätt kylfläns enligt dina nuvarande kylbehov. Men oroa dig inte, Trumonytechs, som experter på termisk hanteringhar vi erfarenheten att ta dig igenom detta steg för steg.
Hantering av värmemotstånd
Förstå värmemotståndet och dess betydelse för värmehanteringen
Termiskt motstånd är en nyckelparameter som används för att utvärdera effektiviteten i värmeöverföringen från en värmekälla till den omgivande miljön. Det mäts i °C/W och kvantifierar den temperaturökning som genereras per watt strömförbrukning. Ju lägre värmemotstånd, desto bättre avleder systemet värmen och säkerställer därmed att komponenterna håller sig inom ett säkert drifttemperaturområde.
Termiskt motstånd kan ses som summan av flera kritiska vägar: chipet till modulhöljet, höljet och kylflänsen (termiskt gränssnittsmotstånd) och motståndet mellan kylflänsen och den strömmande vätskan. Varje väg påverkar det totala termiska motståndet. Och att förstå hur varje del påverkar värmemotståndet är avgörande för att välja rätt kylfläns. Så hur ska du beräkna värmemotståndet? Vi förklarar nedan.
Beräkning av värmemotstånd
För att kunna beräkna värmemotståndet på ett effektivt sätt är det viktigt att känna till den maximala temperaturhöjning som tillåts i systemet för att kunna välja den lämpligaste kylflänsen. Till exempel från omgivningstemperaturen till utrustningens maximala driftstemperatur. Detta hjälper till att bestämma kylflänsens maximalt tillåtna värmemotstånd.
Liknar TO-220-paketet, som är ett halvledarpaket som vanligtvis används i kraftelektronik. I det här fallet kommer enhetens strömförbrukning att resultera i genererad värme. Det termiska motståndet från chipet till komponenthöljet, mellan höljet och kylflänsen och mellan kylflänsen och kylmedlet måste beaktas. Genom att beräkna effektförbrukningen och kombinera de enskilda motstånden kan kylflänsens erforderliga värmemotstånd bestämmas.
Ju lägre det termiska motståndet är i varje bana, desto effektivare blir värmeöverföringen. Detta förhindrar överhettning och säkerställer komponenternas livslängd och tillförlitlighet. För stort värmemotstånd i en enskild bana kan leda till otillräcklig kylning, försämrad prestanda eller till och med orsaka fel på utrustningen.
Detta kan vara lite knepigt och kräver specialiserad utrustning för att mäta. Tack och lov kan Trumonytechs tillhandahålla specialiserad modelleringsanalys. Vi kan gå igenom kylflänsens geometri och parametrar för att identifiera den kylfläns som uppfyller de högsta kraven.
Metoder för att minska värmemotståndet
För att minska värmemotståndet är det viktigt att använda effektiva termiska gränssnittsmaterial (TIM), t.ex. termiskt fett eller termiska dynor, som överbryggar de små luftspalterna mellan värmeelementet och kylflänsen och kan användas för att fylla dessa utrymmen med sin höga värmeledningsförmåga för att förbättra värmeöverföringen. Kylflänsar är å andra sidan en annan effektiv värmeavledningsstrategi, eftersom de kan utformas för att maximera kylflänsens yta genom att öka antalet fenor eller justera formen för att uppnå effektiv värmeöverföring. De två kan arbeta i tandem för att effektivt absorbera och avleda värme från komponenten för att uppnå lågt värmemotstånd.
Val av material
När man konstruerar en kylfläns är valet av material avgörande för att optimera värmeavledningen och säkerställa komponenternas effektivitet och livslängd. De två vanligaste materialen för kylflänsar och kyllösningar är aluminium och koppar. Varje material har sina fördelar och begränsningar, beroende på applikation.
Aluminium: Aluminium används ofta på grund av sin kostnadseffektivitet och förmåga att lätt kunna strängpressas i olika former. Det har god värmeledningsförmåga och kan användas i de flesta konventionella kylapplikationer. Dessutom är aluminium lätt, vilket är anledningen till att det kan användas i stor utsträckning inom elektronik- och fordonsindustrin. Aluminiums värmeledningsförmåga är dock bara ungefär hälften av koppar, vilket kanske inte riktigt uppfyller behoven i vissa applikationer med hög värmeledningsförmåga.
Koppar: Koppar har utmärkt värmeledningsförmåga - ungefär dubbelt så hög som aluminium. Detta är idealiskt för applikationer med hög värmeledningsförmåga. Exempel på sådana är kraftelektronik, högpresterande processorer och kylsystem för lysdioder. Koppar är också ett material med utmärkt korrosionsbeständighet jämfört med aluminium, vilket gör det idealiskt för korrosionsbeständiga applikationer. Koppar har dock en högre densitet och därmed en högre vikt, vilket kan göra det mindre lämpligt för applikationer med höga viktkrav. Det är också dyrare än aluminium, vilket gör det mindre lämpligt för applikationer med begränsade budgetar.
Andra material och kompositer: För extrema prestandascenarier används kompositlösningar som belagda kylflänsar och vätskekylda paneler är idealiska. Dessa material kan ge förbättrad prestanda, t.ex. förbättrad värmeöverföring, korrosionsbeständighet och viktreduktion. Genom att kombinera ett metalliskt substrat med en värmeledande beläggning ökar dessa material värmeöverföringseffektiviteten och minskar korrosionen. Samtidigt har användningen av vätskekylningsteknik i moderna elfordon, som t.ex. Teslas kylsystem för batterierär ett tydligt exempel.
Kylmetod och konstruktionstyp
Effektiv kylning är avgörande för att upprätthålla prestanda, tillförlitlighet och livslängd hos elektroniska enheter. Det finns två primära kylningsmetoder: passiv kylning och aktiv kylningvar och en med specifika tillämpningar beroende på systemets krav. Dessutom driver designinnovationer inom kylflänsstrukturer och termiska simuleringar på utvecklingen inom kylteknik.
Passiv kylning kontra aktiv kylning
Passiv kylning förlitar sig på naturlig konvektion och strålning för att avleda värme. Det här tillvägagångssättet innebär inga rörliga delar eller extra strömförbrukning, vilket gör det idealiskt för miljöer som kräver tyst drift eller system utan extern strömkälla. Passiva kyllösningar används ofta i IoT-enheter, belysningssystem som LED-lampor och elektroniska enheter med låg effekt. De har dock begränsad värmeavledningsförmåga och är inte lämpliga för högpresterande eller värmeintensiva system.
Aktiv kylning, å andra sidan, använder fläktar eller pumpar för att öka luft- eller vätskeflödet genom en kylfläns eller kylplatta och därmed öka effektiviteten i värmeavledningen. Aktiv kylning är avgörande för applikationer som högpresterande datorer, datacenter och elfordon som måste hantera stora värmebelastningar. Aktiva kylsystem är visserligen mer komplexa och kräver elkraft, men de ger en högre nivå av värmeavledning jämfört med passiva lösningar.
Kylflänsens former och arrangemang
Kylarflänsarnas form och placering spelar en avgörande roll för kylningseffektiviteten. Vanliga utformningar är raka lameller, stiftlameller och böjda lameller, som var och en är lämplig för specifika scenarier. Raka lameller är t.ex. enklare att tillverka och används ofta i kompakta enheter. Nålformade lameller ger å andra sidan en större yta och är idealiska för turbulenta luftflöden. Krökta lameller optimerar luftflödet och förbättrar värmeavledningen i system där utrymmet är begränsat.
Maximerad yta och optimerade luftflödesmönster är viktiga designprinciper. En större yta förbättrar värmeväxlingen, medan luftflödesdesignen förhindrar heta punkter och säkerställer jämn kylning. Dessa faktorer har en betydande inverkan på kylflänsens totala effektivitet, så det är viktigt med exakta designval.
Dessa kan utvärderas med hjälp av Trumonytechs:s modelleringstjänster för att bedöma den termiska prestandan hos olika former och konfigurationer av fenor.
Simulering och optimering
Med hjälp av termiska simuleringsverktyg som SimScale och ANSYS kan ingenjörer utvärdera kylkonstruktioner före produktion. Verktygen förutspår värmeflödesvägar, identifierar termiska flaskhalsar och rekommenderar de bästa kombinationerna av material och strukturer. Simuleringar minskar behovet av kostsamma prototyper och säkerställer att den slutliga konstruktionen uppfyller prestandakraven.
Att göra det bästa valet med flera faktorer
Kylflänsar är viktiga termiska komponenter i dagens elektroniska enheter. För att välja rätt kylfläns måste man ta hänsyn till värmemotstånd, materialval och designoptimering för att säkerställa att de elektroniska komponenterna fungerar inom tillverkarens angivna gränser. Genom att effektivt avleda värme från elektroniska komponenter kan vi se till att elektronisk utrustning fungerar optimalt och förhindra förkortad livslängd på grund av överhettning. Om du har några frågor kan du använda våra simuleringslösningar för att bestämma geometri och parametrar för kylflänsar för optimal värmeavledning.
