All heatsink что значит

Рассмотрим радиатор в воздуховоде, в котором воздух проходит через воздуховод. Предполагается, что основание радиатора имеет более высокую температуру, чем воздух. Применение закона сохранения энергии для стационарных условий и закона охлаждения Ньютона к температурным узлам, показанным на диаграмме, дает следующую систему уравнений:

Q ˙ знак равно м ˙ c п , в ( Т воздух, вне — Т воздух, в ) , <\ displaystyle <\ dot > = <\ dot > c_ >> (T _ <\ text > — T _ <\ text >),> Q ˙ знак равно Т hs — Т воздух, av р hs , <\ displaystyle <\ dot > = <\ frac > — T _ <\ text >> >>>,>

Т воздух, av знак равно Т воздух, в + Т воздух, вне 2 . <\ displaystyle T _ <\ text > = <\ frac > + T _ <\ text >> <2>>.>

Предположение об использовании средней температуры воздуха справедливо для относительно коротких радиаторов. При расчете компактных теплообменников используется средняя логарифмическая температура воздуха. — массовый расход воздуха в кг / с. м ˙ <\ displaystyle <\ dot >>

Приведенные выше уравнения показывают, что:

• Когда поток воздуха через радиатор уменьшается, 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 при уменьшении расхода будет показано далее в этой статье.
• Температура входящего воздуха сильно зависит от базовой 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, что также приводит к более высокой температуре основания радиатора.
• Если вокруг радиатора нет воздушного потока, передача энергии невозможна.
• Радиатор — это не устройство, обладающее «магической способностью поглощать тепло, как губка, и отправлять его в параллельную вселенную».

Естественная конвекция требует свободного обтекания радиатора воздухом. Если ребра не выровнены по вертикали или если ребра расположены слишком близко друг к другу, чтобы обеспечить достаточный воздушный поток между ними, эффективность радиатора снизится.

Факторы дизайна

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 матрицы окружающему воздуху. Термическое сопротивление определяется 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 кристалла над окружающим воздухом.

Представление о тепловом сопротивлении полупроводникового радиатора является 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 отношению к повышению температуры. Однако производители приводят типичные значения теплового сопротивления для радиаторов и полупроводниковых устройств, что позволяет упростить выбор серийно выпускаемых радиаторов.

Промышленные радиаторы из экструдированного алюминия имеют тепловое сопротивление (теплоотвод к окружающему воздуху) в диапазоне от 0,4 ° C / Вт для большого радиатора, предназначенного для устройств TO-3 , до 85 ° C / Вт для теплоотвода раковина для небольшого пластикового футляра ТО-92 . Популярный силовой транзистор 2N3055 в корпусе ТО-3 имеет внутреннее тепловое сопротивление от перехода к корпусу 1,52 ° С / 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 изолирующей слюдяной шайбы.

Материал

Наиболее распространенными материалами радиаторов являются алюминиевые сплавы . Алюминиевый сплав 1050 имеет одно из самых высоких значений теплопроводности — 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 настроения сплава. Цельные алюминиевые радиаторы могут быть изготовлены методом экструзии , литья , затачивания или фрезерования .

Медь обладает превосходными теплоотводящими свойствами с точки зрения теплопроводности, коррозионной стойкости, устойчивости к биологическому обрастанию и противомикробной стойкости (см. Также Медь в теплообменниках ). Медь имеет примерно вдвое большую теплопроводность, чем алюминий, около 400 Вт / (м · К) для чистой меди. Его основные области применения — это промышленные объекты, электростанции, солнечные системы термального водоснабжения, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, газовые водонагреватели, системы воздушного отопления и охлаждения, геотермальное отопление и охлаждение, а также электронные системы.

Медь в три раза плотнее и дороже алюминия. Моноблочные медные радиаторы можно изготавливать затачиванием или фрезерованием . Ребра из листового металла могут быть припаяны к прямоугольному медному корпусу. Медь менее пластична, чем алюминий, поэтому ее нельзя экструдировать в радиаторы.

Эффективность плавников

Эффективность ребер — один из параметров, который делает важным материал с более высокой теплопроводностью. Ребро радиатора можно рассматривать как плоскую пластину с теплом, текущим с одного конца и рассеиваемым в окружающую жидкость по мере продвижения к другому. По мере прохождения тепла через ребро комбинация теплового сопротивления радиатора, препятствующего потоку, и тепла, потерянного из-за конвекции, температуры ребра и, следовательно, теплопередачи к жидкости будут уменьшаться от основания до конец плавника. Эффективность ребра определяется как фактическое тепло, передаваемое ребром, деленное на теплопередачу, если ребро должно быть изотермическим (гипотетически ребро имеет бесконечную теплопроводность). Эти уравнения применимы для прямых плавников:

η ж знак равно танх ⁡ ( м L c ) м L c , <\ displaystyle \ eta _ <\ text > = <\ frac <\ tanh (mL_ )> >>,> м L c знак равно 2 час ж k т ж L ж , <\ displaystyle mL_ = <\ sqrt <\ frac <2h _ <\ text >> >>>> L _ <\ text >,>

h _f — коэффициент конвекции ребра: От 10 до 100 Вт / (м 2 · К) на воздухе, От 500 до 10 000 Вт / (м 2 · K) в воде, k — теплопроводность материала ребра: От 120 до 240 Вт / ( м · К ) для алюминия, L _f — высота ребра (м), t _f — толщина ребра (м).

Эффективность ребер увеличивается за счет уменьшения соотношения сторон ребра (делая их толще или короче) или за счет использования более проводящего материала (например, меди вместо алюминия).

Сопротивление растеканию

Еще одним параметром, касающимся теплопроводности материала радиатора, является сопротивление растеканию. Сопротивление растеканию возникает, когда тепловая энергия передается от небольшой площади к большей в веществе с конечной теплопроводностью. В радиаторе это означает, что тепло не распределяется равномерно через основание радиатора. Явление сопротивления растеканию проявляется в том, как тепло распространяется от места расположения источника тепла и вызывает большой температурный градиент 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 эффективное тепловое сопротивление радиатора.

Чтобы уменьшить сопротивление растеканию в основании радиатора:

• увеличить толщину основания,
• выбрать другой материал с более высокой теплопроводностью,
• используйте паровую камеру или тепловую трубку в основании радиатора.

Аранжировки плавников

Штыревой радиатор — это радиатор, штырьки которого выступают из его основания. Штифты могут быть цилиндрическими, эллиптическими или квадратными. Штырь — один из наиболее распространенных типов радиаторов, доступных на рынке. Второй тип расположения ребер радиатора — это прямое ребро. Они проходят по всей длине радиатора. Разновидностью радиатора с прямыми ребрами является радиатор с поперечным вырезом. Радиатор с прямыми ребрами режется через равные промежутки времени.

Как правило, чем больше площадь поверхности радиатора, тем лучше он работает. Однако это не всегда так. Концепция радиатора с ребрами жесткости состоит в том, чтобы попытаться упаковать как можно большую площадь поверхности в заданный объем. Кроме того, он хорошо работает в любой ориентации. Кордыбан ​​сравнил характеристики радиатора с ребрами жесткости и радиатора с прямыми ребрами одинаковых размеров. Несмотря на то, что плоское ребро имеет площадь поверхности 194 см 2, а прямое ребро — 58 см 2 , разница температур между основанием радиатора и окружающим воздухом для игольчатого ребра составляет 50 ° C , но для прямого ребра. он был на 44 ° C, или на 6 ° C лучше, чем у булавочного ребра. Рабочие характеристики радиатора со штыревыми ребрами значительно лучше, чем с прямыми ребрами, когда они используются по назначению, когда жидкость течет в осевом направлении вдоль штифтов, а не только по касательной через штифты.

Другая конфигурация — радиатор с расширяющимися 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; в противном случае через ласты попадало больше воздуха. Их наклон сохраняет общие размеры, но обеспечивает более длинные плавники. Форган и др. опубликовали данные испытаний, проведенных на радиаторах с плоскими, прямыми и расширяющимися ребрами. Они обнаружили, что при низкой скорости приближения воздуха, обычно около 1 м / с, тепловые характеристики по крайней мере на 20% лучше, чем у радиаторов с прямыми ребрами. Ласанс и Эггинк также обнаружили, что для конфигураций байпаса, которые они тестировали, расширяющийся радиатор работал лучше, чем другие протестированные радиаторы.

Полости (перевернутые плавники)

Полости (перевернутые ребра), встроенные в источник тепла, представляют собой области, образованные между соседними ребрами, которые являются основными 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 качестве теплопередающей поверхности между источником тепла и холодной текущей жидкостью (или любым другим теплоотводом) может улучшить характеристики охлаждения. В такой конструкции источник тепла охлаждается под толстой пластиной, а не в прямом контакте с охлаждающей жидкостью. Показано, что толстая пластина может значительно улучшить теплопередачу между источником тепла и охлаждающей жидкостью, проводя тепловой ток оптимальным образом. Двумя наиболее привлекательными преимуществами этого метода являются отсутствие дополнительной мощности откачки и дополнительной площади поверхности теплопередачи, что сильно отличается от ребер (удлиненных поверхностей).

Цвет поверхности

Передача тепла от радиатора происходит за счет конвекции окружающего воздуха, теплопроводности через воздух и излучения .

Передача тепла излучением зависит как от температуры радиатора, так и от 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 оребренные радиаторы, работающие в режиме естественной конвекции или принудительного потока, не будет существенно влиять коэффициент излучения поверхности .

В ситуациях, когда конвекция низкая, например, плоская панель без ребер с низким потоком воздуха, радиационное охлаждение может быть важным фактором. Здесь свойства поверхности могут быть важным дизайнерским фактором. Матово-черные поверхности излучают 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 видимом спектре аналогичен коэффициенту излучения в инфракрасном спектре; однако есть исключения — в частности, некоторые 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 радиатором и окружающей средой. Для спутника в космосе поверхность с температурой 100 ° C (373 кельвина), обращенная к Солнцу, будет поглощать много лучистого тепла, потому что температура поверхности Солнца составляет почти 6000 кельвинов, тогда как та же поверхность, обращенная к глубокому космосу, будет сильно излучать. тепла, поскольку эффективная температура глубокого космоса составляет всего несколько градусов Кельвина.

Инженерные приложения

Микропроцессорное охлаждение

Рассеивание тепла — 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 перегреется , 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, создаваемому вентилятором, но во всех случаях, в конечном итоге, в окружающую среду.

Два дополнительных конструктивных фактора также влияют на термические / механические характеристики теплового расчета:

1. Метод, с помощью которого радиатор устанавливается на компонент или процессор. Об этом пойдет речь в разделе о способах прикрепления .
2. Для каждого интерфейса между двумя объектами, контактирующими друг с другом, будет происходить перепад 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. Материалы термоинтерфейса (TIM) уменьшают сопротивление теплового контакта.

Методы прикрепления

По мере того как рассеиваемая мощность компонентов увеличивается, а размер пакета компонентов уменьшается, инженеры-теплотехники должны вводить новшества, чтобы гарантировать, что компоненты не будут перегреваться . Устройства с более низкой температурой служат 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 отдельным радиатором, установленным на компонент или печатную плату. Методы крепления включают теплопроводную ленту или эпоксидную смолу, проволочные z-образные зажимы , плоские пружинные зажимы, распорные втулки и нажимные штифты с концами, которые расширяются после установки.

Теплопроводящая лента — один из самых экономичных материалов для крепления радиаторов. Он подходит для радиаторов с малой массой и компонентов с малой рассеиваемой мощностью. Он состоит из теплопроводящего несущего материала с самоклеящимся клеем с каждой стороны.

Эта лента наклеивается на основание радиатора, которое затем прикрепляется к компоненту. На характеристики термоленты влияют следующие факторы:

1. Поверхности компонента и радиатора должны быть чистыми, без следов, например, пленки силиконовой смазки .
2. Давление предварительной нагрузки необходимо для обеспечения хорошего контакта. Недостаточное давление приводит к образованию участков, не соприкасающихся с захваченным воздухом, и приводит к более высокому, чем ожидалось, термическому сопротивлению поверхности раздела.
3. Более толстые ленты имеют тенденцию обеспечивать лучшую «смачиваемость» неровных поверхностей компонентов. «Смачиваемость» — это процентная площадь контакта ленты с компонентом. Однако более толстые ленты обладают более высоким термическим сопротивлением, чем более тонкие. С точки зрения дизайна лучше всего соблюдать баланс, выбирая толщину ленты, которая обеспечивает максимальную «смачиваемость» при минимальном термическом сопротивлении.

Эпоксидная смола

Эпоксидная смола дороже ленты, но обеспечивает более прочную механическую связь между радиатором и компонентом, а также улучшенную теплопроводность. Выбранная эпоксидная смола должна быть разработана для этой цели. Большинство эпоксидных смол представляют собой двухкомпонентные жидкие составы, которые необходимо тщательно перемешать перед нанесением на радиатор и перед установкой радиатора на компонент. Затем эпоксидная смола отверждается в течение определенного времени, которое может варьироваться от 2 до 48 часов. Более быстрое отверждение 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, вызванным переделкой, является отделение теплораспределителя компонента от его корпуса.

Более дорогие, чем лента и эпоксидная смола, z-образные зажимы в виде проволоки механически прикрепляют радиаторы. Для использования z-образных зажимов на печатной плате должны быть анкеры. Анкеры можно либо припаять к плате, либо протолкнуть. Любой из этих типов требует, чтобы в плате были сделаны отверстия. Использование припоя RoHS должно быть разрешено, поскольку такой припой механически слабее, чем традиционный припой Pb / Sn.

Для сборки с помощью z-образного зажима прикрепите одну его сторону к одному из анкеров. Отклоняйте пружину до тех пор, пока другая сторона зажима не войдет в другой фиксатор. Отклонение создает пружинную нагрузку на компонент, который поддерживает очень хороший контакт. В дополнение к механическому креплению, обеспечиваемому z-образным зажимом, он также позволяет использовать материалы с более высокими характеристиками термоинтерфейса, такие как типы с фазовым переходом.

Доступные для процессоров и массив мяча сетки (BGA) компонентов, зажимы позволяют крепление теплоотвода BGA непосредственно к компоненту. Зажимы используют зазор, созданный решеткой шариков (BGA) между нижней стороной компонента и верхней поверхностью печатной платы. Таким образом, зажимы не требуют отверстий на печатной плате. Они также позволяют легко переделывать компоненты.

Для больших радиаторов и более высоких предварительных нагрузок очень эффективны нажимные штифты с пружинами сжатия. Нажимные штифты, как правило, из латуни или пластика, имеют на конце гибкий выступ, который входит в отверстие в печатной плате; после установки зубец удерживает штифт. Пружина сжатия удерживает узел вместе и поддерживает контакт между радиатором и компонентом. При выборе размера канцелярской кнопки необходимо соблюдать осторожность. 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 креплению сжимающей пружины. Стойка с резьбой представляет собой полую металлическую трубку с внутренней резьбой. Один конец закреплен винтом через отверстие в печатной плате. Другой конец принимает винт, который сжимает пружину, завершая сборку. В типичном радиаторе в сборе используются от двух до четырех стоек, что делает его наиболее дорогостоящим конструктивным элементом крепления радиатора. Еще один недостаток — необходимость в отверстиях на печатной плате.

Материалы термоинтерфейса

Сопротивление термического контакта возникает из-за пустот, создаваемых эффектами шероховатости поверхности, дефектами и несовпадением 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, основной вклад в сопротивление вносят зазоры. Чтобы уменьшить сопротивление теплового контакта, шероховатость поверхности может быть уменьшена при увеличении давления на границе раздела. Однако эти методы улучшения не всегда практичны или возможны для электронного оборудования. Термоинтерфейсные материалы (TIM) являются обычным способом преодоления этих ограничений.

Правильно нанесенные термоинтерфейсные материалы вытесняют воздух, который присутствует в зазорах между двумя объектами, с помощью материала, который имеет гораздо более высокую теплопроводность. Воздух имеет теплопроводность 0,022 Вт / (м · К), в то время как ТИМы имеют удельную проводимость 0,3 Вт / (м · К) и выше.

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

Выбор TIM основан на трех параметрах: зазоре на границе раздела, который должен заполнить TIM, контактном давлении и удельном электрическом сопротивлении TIM. Контактное давление — это давление, приложенное к границе раздела двух материалов. В подборку не входит стоимость материала. Удельное электрическое сопротивление может быть важным в зависимости от деталей электрической конструкции.

Светодиодные лампы

Характеристики и срок службы светодиодов сильно зависят от их температуры. Поэтому необходимо эффективное охлаждение. В тематическом исследовании даунлайтера на основе светодиодов 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 находиться в пределах 10% друг от друга, чтобы обеспечить высокую достоверность результатов.

В пайке

При пайке печатных плат иногда используются временные радиаторы, предотвращающие повреждение чувствительной близлежащей электроники из-за чрезмерного нагрева. 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 пайкой оплавлением, обычно могут выдерживать температуры пайки без повреждений. С другой стороны, электрические компоненты, такие как герконы, могут выйти из строя при воздействии более горячих паяльников, поэтому эта практика все еще широко используется.

Методы определения производительности

Как правило, эффективность теплоотвода зависит 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

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 потока увеличивается с увеличением плотности ребер и зазора, оставаясь при этом относительно нечувствительным к скорости впускного канала.

Модель радиатора теплового сопротивления состоит из двух сопротивлений, а именно сопротивления в теплоотводе основании, и сопротивления в ребрах, . Тепловое сопротивление основания радиатора можно записать следующим образом, если источником является равномерно приложенное основание радиатора. Если это не так, то базовое сопротивление — это в первую очередь сопротивление распространения: р б <\ displaystyle R_ > р ж <\ displaystyle R_ > р б <\ displaystyle R_ >