Kuinka paksu jäähdytyselementin tulisi olla, jotta se johtaisi tehokkaasti lämpöä?

Iso, tilaa vievä jäähdytyselementti ei aina tarkoita parempaa jäähdytystä - olen nähnyt pienikokoisten mallien toimivan paremmin vain siksi, että niiden paksuus ja geometria olivat oikeat.

Oikea jäähdytyselementin paksuus riippuu pohjan ja lamellien rooleista: pohja levittää lämpöä lähteestä ja lamellit siirtävät sitä ilmaan. Molemmat tarvitsevat tasapainoa, ei maksimikokoa.

Tarkastellaan, mikä määrittää ihanteellisen paksuuden, miksi lamellien geometrialla on väliä, miten ne suunnitellaan tehokkaasti ja mitkä nykyaikaiset suuntaukset muokkaavat jäähdytyselementtien materiaaleja.

Mikä määrittää optimaalisen jäähdytyselementin paksuuden?

Jotkin jäähdytyslevyt eivät toimi, vaikka ne olisivat valtavia - yleensä siksi, että niiden pohja on liian ohut tai lamellit ovat liian lähellä toisiaan. Olen törmännyt tähän muutaman kerran auttaessani asiakkaita uudelleensuunnittelussa.

Paras paksuus tasapainottaa lämmönjohtavuuden, lamellien tehokkuuden, alustan leviämisvastuksen, ilmavirran ja kokorajoitukset. Et voi vain tehdä kaikkea paksua ja odottaa sen toimivan.

Selvitän asian näin:

Mitä pitää ottaa huomioon

Liian ohut pohja ei levitä lämpöä hyvin. Liian ohuet evät eivät välttämättä kanna tarpeeksi lämpöä. Kaiken paksuuntuminen lisää painoa ja kustannuksia ja voi heikentää ilmavirtaa.

Tyypilliset arvot

• Pohjan paksuus: Usein 5-10 mm suulakepuristetun alumiinin osalta; kuparin osalta enemmän.
• Evän paksuus: Noin 0,5-1,5 mm alumiinille; 0,2-0,6 mm kuparille.
• Välimatkat: Yleensä >4 mm luonnollisen konvektion malleissa.
• Evän korkeus: Riippuu ilmavirrasta ja rakenteesta, mutta yleensä 20-50 mm.

Tavoitteena on, että lämpö virtaa lähteestä pohjaan, leviää tasaisesti, siirtyy sitten lamelleihin ja poistuu ilmaan. Jos ketjun jossakin osassa on suuri vastus, suorituskyky kärsii.

Mitä hyötyä oikeasta evägeometriasta on?

Näin kerran erään mallin epäonnistuvan lämpötesteissä - ei siksi, että materiaali olisi ollut väärä, vaan siksi, että lamellit olivat liian lähellä ja estivät ilmavirran. Lamellien välien muuttaminen korjasi asian.

Hyvin suunniteltu lamelligeometria parantaa jäähdytystä lisäämällä pinta-alaa, mahdollistamalla tasaisen ilmavirran ja tehostamalla jokaisen lamellin toimintaa.

Miksi geometrialla on merkitystä

• Pinta-ala: Suurempi pinta-ala = parempi lämmönsiirto, kunhan ilma pääsee liikkumaan.
• Ilmavirta: Ilma tarvitsee tilaa lamellien väliin. Liian lähekkäin on huono jäähdytys.
• Fin hyötysuhde: Pitkät, ohuet evät eivät ehkä pysy riittävän kuumina lähellä kärkiä.
• Materiaalin käyttö: Hyvä geometria käyttää vähemmän metallia samaan suorituskykyyn.
• Orientaatio: Pystysuuntaiset lamellit auttavat luonnollisessa konvektiossa; ristikkäiset lamellit sopivat pakotettuun ilmaan.

Vinkkejä, jotka toimivat

Käytän näitä ohjatessani asiakkaita. Kyse ei ole arvaamisesta vaan sen testaamisesta, minkä muodon avulla lämpö ja ilma voivat virrata yhdessä. Sillä saadaan todellisia tuloksia.

Miten voin suunnitella jäähdytyselementin, jonka paksuus on ihanteellinen?

Lähden aina liikkeelle siitä, mitä ongelmaa olemme ratkaisemassa: kuinka paljon lämpöä, kuinka nopeasti ja minne se menee. Siitä lähtien etenen mitoitukseen ja materiaaleihin.

Ihanteellisen paksuuden suunnittelussa on ymmärrettävä tehokuorma, materiaalirajoitukset, ilmavirta ja kokorajoitukset. Se on vaiheittaista tasapainottamista, ei arvailua.

Vaiheittainen suunnitelma

1. Määrittele lämpötavoite

   • Tehon kuormitus (W)
   • Suurin sallittu lämpötilan nousu (°C)
   • Tavoitelämpövastus (°C/W)

2. Poimi materiaali

   • Alumiini kevyitä ja edullisia järjestelmiä varten
   • Kupari pienikokoisia, suorituskykyisiä nieluja varten

3. Valitse pohjan paksuus

   • Ohut, jos lämmönlähde on laaja
   • Paksu, jos lämmönlähde on pieni ja keskeinen

4. Valitse eväprofiili

   • Paksuus: 0,5-1,5 mm (Al), 0,2-0,6 mm (Cu).
   • Korkeus: 20-50 mm
   • Välys: ≥4 mm (luonnollinen konvektio)

5. Simuloi tai laske

   • Käytä laskinta tai CFD-ohjelmistoa
   • Tarkista pohjan vastus + evien suorituskyky

6. Säädä ja iteroi

   • Liian kuuma? Paksumpi pohja tai enemmän lamelleja
   • Liian raskas? Ohuempi pohja tai lyhyemmät evät

Esimerkkitapaus

Mitkä ovat kevyiden jäähdytyslevyjen edistysaskeleet?

Nykyään asiakkaat haluavat pienempiä ja kevyempiä järjestelmiä - erityisesti sähköautoihin, droneihin ja kannettaviin laitteisiin. Tämä tarkoittaa, että tarvitsemme parempia materiaaleja ja älykkäämpiä muotoja.

Uusissa malleissa käytetään ohuempia lamelleja, sekoitettuja materiaaleja ja lämpöputkia painon vähentämiseksi ja teholaitteiden jäähdyttämiseksi turvallisesti.

Mikä muuttuu

1. Ohut evätekniikka

   • Skived-ripojen avulla voimme tehdä alumiiniripoja jopa 0,3 mm:n ohuiksi.
   • Enemmän lamelleja, parempi ilmavirtaus, vähemmän metallia

2. Hybridimallit

   • Kuparipohja + alumiiniset lamellit = parempi suorituskyky pienemmällä painolla.
   • Yleinen huippuluokan elektroniikassa

3. Lämpöputket ja höyrykammiot

   • Siirtää lämpöä nopeasti minimaalisella metallimäärällä
   • Korvaa usein paksut pohjat

4. 3D-tulostetut rakenteet

   • Käytä ristikko- tai hunajakennomuotoja
   • Vahva, kevyt ja räätälöidyn muotoinen

5. Pintapinnoitteet

   • Musta anodisointi parantaa säteilyä
   • Nanopinnoitteet vähentävät pinnan kestävyyttä

Yhteenvetotaulukko

Tarjoamme nyt ohuempia räätälöityjä profiileja, kevyempiä alumiiniseoksia ja lämpötehoa lisääviä viimeistelyjä. Kyse ei ole enää vain muodosta, vaan järjestelmän kokonaistehokkuudesta.

Päätelmä

Oikean jäähdytyselementin paksuuden valitseminen tarkoittaa, että lämpötarpeet sovitetaan yhteen oikean materiaalin, muodon ja ilmavirran kanssa. Liian paksu jäähdytyslevy haaskaa tilaa ja painoa. Liian ohut aiheuttaa ylikuumenemisriskin. Uusien materiaalien ja älykkäämmän suunnittelun ansiosta suuritehoisen elektroniikan jäähdytys on nyt mahdollista tehdä tehokkaammin ja kompaktimmin kuin koskaan aiemmin.