Радиатор

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

Типичная комбинация радиатора и вентилятора на потребительском ноутбуке. Тепловые трубки, содержащие рабочую жидкость, непосредственно контактируют с процессором и графическим процессором, отводя тепло от компонента и передавая его на пластину ребер, установленную на выпускном отверстии охлаждающего вентилятора. Ребристая пластина действует как теплообменник жидкость-жидкость, передающий тепловую энергию от рабочей жидкости внутри тепловых трубок к окружающему воздуху в мертвом состоянии.

Радиатор (также обычно пишется теплоотвод ^[1] ) представляет собой пассивный теплообменник , который передает тепло , вырабатываемое электронным или механическим устройством для текучей среды, часто воздуха или охлаждающей жидкости, где он рассеивается от устройства, тем самым позволяя регулировать температуру устройства. В компьютерах радиаторы используются для охлаждения процессоров , графических процессоров , а также некоторых наборов микросхем и модулей оперативной памяти. Радиаторы используются с мощными полупроводниковыми приборами, такими как силовые транзисторы. и оптоэлектроника, такая как лазеры и светоизлучающие диоды (светодиоды), где способность рассеивать тепло самим компонентом недостаточна для снижения его температуры.

Радиатор предназначен для увеличения площади его поверхности, контактирующей с окружающей его охлаждающей 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 влияют на температуру кристалла интегральной схемы. Термоклей или термопаста улучшают характеристики радиатора, заполняя воздушные зазоры между радиатором и радиатором на устройстве. Радиатор обычно делают из алюминия или меди.

Принцип теплопередачи [ править ]

Радиатор передает тепловую энергию от устройства с более высокой температурой текучей среде с более низкой температурой . 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 радиатор - это резервуар тепла, который может поглощать произвольное количество тепла без значительного изменения температуры. Практические радиаторы для электронных устройств должны иметь температуру выше, чем температура окружающей среды, чтобы передавать тепло путем конвекции, излучения 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.^{[2] [3]}

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 теле тепло будет передаваться из области более высоких температур в область более низких температур. Скорость, с которой тепло передается за счет теплопроводности, пропорциональна произведению температурного градиента и площади поперечного сечения, через которую передается тепло.${\ displaystyle q_ {k}}$

${\ displaystyle q_ {k} = - kA {\ frac {dT} {dx}}}$

Рассмотрим радиатор в воздуховоде, в котором воздух проходит через канал. 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:

${\ displaystyle {\ dot {Q}} = {\ dot {m}} c_ {p, in} (T_ {air, out} -T_ {air, in})}$ (1)

${\ displaystyle {\ dot {Q}} = {\ frac {T_ {hs} -T_ {air, av}} {R_ {hs}}}}$ (2)

куда

${\ displaystyle T_ {air, av} = {\ frac {T_ {air, in} + T_ {air, out}} {2}}}$ (3)

Использование средней температуры воздуха является допущением, которое справедливо для относительно коротких радиаторов. При расчете компактных теплообменников используется средняя логарифмическая температура воздуха. - массовый расход воздуха в кг / с.${\ displaystyle {\ dot {m}}}$

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 воздуха на входе 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 базовой температуре 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». ^[4]

Естественная конвекция требует свободного прохождения воздуха через радиатор. 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 [ править ]

Термическое сопротивление [ править ]

Для полупроводниковых устройств, используемых в разнообразной бытовой и промышленной электронике, идея термического сопротивленияупрощает выбор радиаторов. Тепловой поток между полупроводниковым кристаллом и окружающим воздухом моделируется как ряд сопротивлений тепловому потоку; существует сопротивление от матрицы 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 вычислено, 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 термического сопротивления для радиаторов и полупроводниковых устройств, что позволяет упростить выбор серийно выпускаемых радиаторов. ^[5]

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 ящика ТО-92 . ^[5] популярный 2N3055 транзистор мощности в случае TO3 имеет внутреннее тепловое сопротивление от перехода к случае 1,52 ° C / Вт . ^[6] 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. ^[5]

Материал [ править ]

Наиболее распространенными материалами радиаторов являются алюминиевые сплавы . ^[7] Алюминиевый сплав 1050 имеет одно из самых высоких значений теплопроводности - 229 Вт / м • К ^[8], 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 термальной воды, 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 ^[7] и дороже алюминия. ^[7] 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 прессовать в радиаторы. ^{[9] [10]}

Эффективность плавников [ править ]

Эффективность ребра является одним 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. ^[11] По мере прохождения тепла через ребро, комбинация теплового сопротивления радиатора, препятствующего потоку, и тепла, теряемого из-за конвекции, температуры ребра и, следовательно, теплопередачи к жидкости будут уменьшаться с основание до конца плавника. Эффективность ребра определяется как фактическое тепло, передаваемое ребром, деленное на теплопередачу, если ребро должно быть изотермическим (гипотетически ребро имеет бесконечную теплопроводность). Уравнения 6 и 7 применимы для прямых ласт:

${\ displaystyle \ eta _ {f} = {\ frac {\ tanh (mL_ {c})} {mL_ {c}}}}$^[12] (6)

${\ displaystyle mL_ {c} = {\ sqrt {\ frac {2h_ {f}} {kt_ {f}}}} L_ {f}}$^[12] (7)

Где:

• η _f - коэффициент конвекции ребра
  • Воздух: от 10 до 100 Вт / (м ² K)
  • Вода: от 500 до 10 000 Вт / (м ² K)
• k - теплопроводность материала ребер
  • Алюминий: от 120 до 240 Вт / ( м · К )
• 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 [ править ]

Другой параметр, который касается теплопроводности материала радиатора, - это сопротивление растеканию. Сопротивление растеканию возникает, когда тепловая энергия передается от небольшой площади к большей площади 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 источника тепла и вызывает 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 эффективное тепловое сопротивление радиатора.

Чтобы уменьшить сопротивление растеканию в основании радиатора:

• Увеличиваем толщину основы
• Выберите другой материал с более высокой теплопроводностью.
• Используйте паровую камеру или тепловую трубку в основании радиатора.

Аранжировки плавников [ править ]

Штыревой радиатор - это радиатор, штырьки которого выступают из его основания. Штифты могут быть цилиндрическими, эллиптическими или квадратными. Штырь - это один из наиболее распространенных типов радиаторов, доступных на рынке. ^{[ необходима цитата ]} Второй тип расположения ребер радиатора - 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.

Как правило, чем больше площадь поверхности радиатора, тем лучше он работает. ^[4] Однако это не всегда так. Концепция радиатора со штыревыми ребрами заключается в том, чтобы попытаться уместить как можно большую площадь поверхности в заданный объем. ^[4] Также хорошо работает в любой ориентации. Кордыбан ^[4] сравнил характеристики плоского радиатора и прямого радиатора аналогичных размеров. Несмотря на то, что штыревое ребро имеет площадь поверхности 194 см ^2, а прямое - 58 см ² , разница температур между основанием радиатора и окружающим воздухом для штыревого ребра составляет 50 ° C.. Для прямого ребра она была на 44 ° C или на 6 ° C лучше, чем для стержневого ребра. Характеристики теплоотвода штыревых ребер значительно выше, 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.

Другая конфигурация - радиатор с расширенными ребрами; его ребра не параллельны друг другу, как показано на рис. 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. ^[13] опубликовали данные испытаний, проведенных на радиаторах со штыревыми, прямыми и расширяющимися ребрами. Они обнаружили, 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 ^[14] также обнаружили, что для конфигураций байпаса, которые они тестировали, расширенный радиатор работал лучше, чем другие протестированные радиаторы.

Полости (перевернутые плавники) [ править ]

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 элементов к радиатору. ^{[15] [16]}

Проводящая толстая пластина между источником тепла и радиатором [ править ]

Размещение проводящей толстой пластины в качестве границы раздела 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 значительно улучшить теплопередачу между источником тепла и охлаждающей жидкостью за счет оптимального проведения теплового тока. 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 [ править ]

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

Передача тепла за счет излучения зависит как от температуры радиатора, так и от температуры окружающей среды, с которой радиатор оптически связан. Когда обе эти температуры составляют порядка 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 с низкой конвекцией, например, при использовании плоской панели без ребер с низким потоком воздуха, радиационное охлаждение может быть важным фактором. Здесь свойства поверхности могут быть важным фактором дизайна. Матово-черные поверхности будут излучать намного эффективнее, чем блестящий голый металл. ^{[17] [18]} 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 ^{[ необходима ссылка ]} ; 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 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, в то время как та же поверхность, обращенная к глубокому космосу, будет сильно излучать. тепла, поскольку эффективная температура глубокого космоса составляет всего несколько градусов Кельвина.

Инженерные приложения [ править ]

Охлаждение микропроцессора [ править ]

Рассеивание тепла - неизбежный побочный продукт электронных устройств и схем. ^[11] В общем, 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 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. ^[12] Это изменение температуры может быть связано с так называемым сопротивлением теплового контакта. ^[12] Термоинтерфейсные материалы (TIM) уменьшают сопротивление теплового контакта.

Способы прикрепления [ править ]

По мере увеличения рассеиваемой мощностью компонентов и уменьшения размера пакета компонентов инженеры-теплотехники должны вводить новшества, чтобы компоненты не перегревались . 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. Способы 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.

Лента теплопроводящая

Теплопроводящая лента - один из самых экономичных материалов для крепления радиаторов. ^[19] Он подходит для радиаторов с малой массой и компонентов с малым рассеиванием мощности. Он состоит из теплопроводного материала-носителя с самоклеящимся клеем с каждой стороны.

Эта лента наклеивается на основание радиатора, которое затем прикрепляется к компоненту. Следующие факторы влияют на характеристики термоленты: ^[19]

1. Поверхности компонента и радиатора должны быть чистыми, без остатков, например пленки силиконовой смазки .
2. Предварительное давление необходимо для обеспечения хорошего контакта. Недостаточное давление приводит к появлению участков, не соприкасающихся с захваченным воздухом, и приводит к более высокому, чем ожидалось, тепловому 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 тепловом сопротивлении.

Эпоксидная смола

Эпоксидная смола дороже ленты, но обеспечивает более прочную механическую связь между радиатором и компонентом, а также улучшенную теплопроводность. ^[19] 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. ^[19] Это делает переделку очень трудной, а иногда и невозможной. Наиболее типичным повреждением, вызываемым переделкой, является отделение теплораспределителя компонента от его корпуса.

Проволока в форме Z-образных зажимов

Более дорогие, чем лента и эпоксидная смола, z-образные зажимы в виде проволоки механически прикрепляют радиаторы. 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 сделаны отверстия. Использование припоя RoHS должно быть разрешено, потому что 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 вызывает 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 термического интерфейса, такие как типы с фазовым переходом. ^[19]

Клипы

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

Нажимные штифты с пружинами сжатия

Для больших радиаторов и более высоких предварительных нагрузок очень эффективны нажимные штифты с пружинами сжатия. ^[19] Нажимные штифты, как правило, из латуни или пластика, имеют на конце гибкие выступы, которые входят в отверстие в печатной плате; после установки зубец удерживает штифт. Пружина сжатия удерживает узел вместе и поддерживает контакт между радиатором и компонентом. Требуется осторожность при выборе размера канцелярской 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 креплению сжимающей пружины. ^[19] 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 [ править ]

Термоконтактное сопротивление 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 проводимости (или естественной конвекции) и излучения через зазоры. ^[12] Если площадь контакта мала, как это бывает на шероховатых поверхностях, основной вклад в сопротивление вносят зазоры. ^[12] Для уменьшения теплового контактного сопротивления шероховатость поверхности 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 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 ^{[20], в} то время как ТИМ имеют удельную проводимость 0,3 Вт / м • К ^[21] и выше.

При выборе TIM следует обращать внимание на значения, указанные производителем. 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 интерфейса 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 деталей электрической конструкции.

Светодиоды [ править ]

Характеристики и срок службы светодиодов в значительной степени зависят от их температуры. ^[22] Поэтому необходимо эффективное охлаждение. Пример использования даунлайтера на основе светодиодов показывает пример расчетов, выполненных для расчета необходимого радиатора, необходимого для эффективного охлаждения системы освещения. ^[23] В статье также показано, что для получения уверенности в результатах требуется несколько независимых решений, дающих аналогичные результаты. В частности, результаты экспериментальных, численных и теоретических методов должны находиться в пределах 10% друг от друга, чтобы обеспечить высокую достоверность результатов.

В пайке [ править ]

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 приборы, 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. ^[24]

Методы определения производительности [ править ]

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 [ править ]

Одним из методов определения характеристик радиатора является использование теории теплопередачи и гидродинамики. Один из таких методов был опубликован Jeggels и др. ^[25], хотя эта работа ограничена канальным потоком. 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. ^[26]

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:${\ displaystyle R_ {b}}$${\ displaystyle R_ {f}}$${\ displaystyle R_ {b}}$

${\ displaystyle R_ {b} = {\ frac {t_ {b}} {kA_ {b}}}}$ (4)

где - толщина основания радиатора, - теплопроводность материала радиатора и - площадь основания радиатора.${\ displaystyle t_ {b}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle A_ {b}}$

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

${\ displaystyle R_ {f} = {\ frac {1} {nh_ {f} W_ {f} \ left (t_ {f} +2 \ eta _ {f} L_ {f} \ right)}}}$ (5)

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {\tanh {mL_{c}}}{mL_{c}}}}$^[12] (6)

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{f}}{kt_{f}}}}L_{f}}$^[12] (7)

${\displaystyle D_{h}={\frac {4A_{ch}}{P_{ch}}}}$ (8)

${\displaystyle Re={\frac {4{\dot {G}}\rho }{n\pi D_{h}\mu }}}$ (9)

${\displaystyle f=(0.79\ln Re-1.64)^{-2}}$^[27] (10)

${\displaystyle Nu={\frac {(f/8)(Re-1000)Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}}-1)}}}$^[27] (11)

${\displaystyle h_{f}={\frac {Nuk_{air}}{D_{h}}}}$ (12)

${\displaystyle \rho ={\frac {P_{atm}}{R_{a}T_{in}}}}$ (13)

Расход можно определить по пересечению кривой системы радиатора и кривой вентилятора. Кривая системы теплоотвода может быть рассчитана по гидравлическому сопротивлению каналов и потерям на входе и выходе, как это делается в стандартных учебниках по механике жидкости, таких как Potter, et al. ^[28] и Уайт. ^[29]

Если известны сопротивления основания и ребер радиатора, тепловое сопротивление радиатора можно рассчитать как:${\displaystyle R_{hs}}$

${\displaystyle R_{hs}=R_{b}+R_{f}}$ (14).

Используя уравнения с 5 по 13 и данные о размерах в ^[25], было рассчитано тепловое сопротивление ребер 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 [ править ]

Экспериментальные испытания - один из наиболее популярных способов определения тепловых характеристик радиатора. Чтобы определить тепловое сопротивление радиатора, необходимо знать расход, входную мощность, температуру воздуха на входе и базовую температуру радиатора. Для результатов испытаний воздуховодов обычно предоставляются данные, предоставленные поставщиком. ^[30] Однако результаты оптимистичны и могут дать недостоверные данные, когда радиаторы используются в ненадлежащем приложении. Более подробную информацию о методах тестирования радиаторов и общих упущениях можно найти в Azar, et al. ^[30]

Численные методы [ править ]

В промышленности термический анализ часто игнорируется в процессе проектирования или выполняется слишком поздно - когда конструктивные изменения ограничены и становятся слишком дорогостоящими. ^[11] Из трех методов, упомянутых в этой статье, теоретические и численные методы могут быть использованы для определения оценки теплоотвода или температуры компонентов продуктов до создания физической модели. Теоретическая модель обычно используется в качестве оценки первого порядка. Онлайн-калькуляторы радиаторов ^[31] могут дать разумную оценку характеристик радиаторов с принудительной и естественной конвекцией на основе комбинации теоретических и полученных эмпирическим путем корреляций. Численные методы или вычислительная гидродинамика (CFD) обеспечивают качественное (а иногда даже количественное) прогнозирование потоков жидкости.^{[32] [33]} Это означает, что он даст визуальный или постобработанный результат моделирования, такой как изображения на рисунках 16 и 17, и анимация CFD на рисунках 18 и 19, но с количественной или абсолютной точностью результата зависит от включения и точности соответствующих параметров.

CFD может дать представление о схемах течения, которые сложно, дорого или невозможно изучить экспериментальными методами. ^[32] Эксперименты могут дать количественное описание явлений потока, используя измерения для одной величины за раз, в ограниченное количество точек и моментов времени. Если полномасштабная модель недоступна или непрактична, можно использовать масштабные модели или манекены. 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, если это критично, результаты могут нуждаться в подтверждении. ^[4]

См. Также [ править ]

• Компьютерное охлаждение
• Распределитель тепла
• Тепловая труба
• Тепловой насос
• Теплопроводность алмаза
• Радиатор
• Материал термоинтерфейса
• Тепловое управление (электроника)
• Термическое сопротивление
• Термоэлектрическое охлаждение

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме радиаторов .

• Радиатор - основы
• Конструкция радиаторов
• Калькулятор радиатора