Wat zijn de meest voorkomende koellichaamstructuren?

Elektronische onderdelen produceren warmte. Als ze oververhit raken, gaan ze stuk. Hoe kunnen we ze dan koel houden? Koellichamen zijn het antwoord, maar niet alle koellichamen zijn gelijk.

De meest voorkomende koellichaamstructuren zijn rechte, pin-vin, gekruiste, uitlopende en in de heatpipe geïntegreerde ontwerpen. Elke structuur gaat anders om met luchtstroming, ruimte en thermische belasting.

Verschillende ontwerpen werken beter onder verschillende omstandigheden. Als je de koeling van je product wilt verbeteren, moet je begrijpen hoe deze structuren zich gedragen.

Waarin verschillen pin-fin en straight-fin ontwerpen van elkaar?

Te heet om aan te pakken? Je koelsysteem kan het probleem zijn. Pinnenkoellichamen en rechte koellichamen zijn overal te vinden, maar welke is geschikt voor jouw apparaat?

Koellichamen met pennen bieden een multidirectionele luchtstroom en een hogere oppervlaktedichtheid, terwijl ontwerpen met rechte lamellen een lagere drukval en directionele luchtstroomefficiëntie mogelijk maken.

Stiftvinnen en rechte vinnen zien er heel anders uit en ze presteren ook anders. Rechte vinnen zijn lang en parallel. Ze geleiden de luchtstroom in één richting, wat geweldig werkt als de lucht in een rechte lijn beweegt. Pin-fin koellichamen daarentegen gebruiken veel kleine kolommen op de basis. Hierdoor kan de lucht uit meerdere richtingen stromen.

Vergelijkingstabel: Pin-vin vs rechte vin

Pin-fin spoelbakken presteren vaak beter bij geforceerde convectie (ventilatoren), waar meer lucht doorheen wordt geperst. Ze hebben echter een hogere weerstand. Als je passieve koeling of weinig luchtstroom gebruikt, is een spoelbak met rechte lamellen misschien beter. Rechte lamellen zijn ook eenvoudig te maken door middel van extrusie, waardoor de kosten laag blijven.

Welke koellichaamstructuur past het beste bij compacte ruimtes?

Krappe ruimtes, krappe deadlines - thermische ontwerpers kennen de pijn. Wat voor koellichaam werkt als er nauwelijks ruimte is?

Op pennen, ritsen en heatpipes gebaseerde koellichamen zijn ideaal voor compacte ruimtes, dankzij hun efficiëntie en hun vermogen om te werken onder krappe luchtstroombeperkingen.

Compacte ontwerpen vereisen koellichamen met veel oppervlak in een klein volume. Dat is niet eenvoudig. Standaard geëxtrudeerde vinnen passen niet of koelen niet effectief. Pin-vin structuren zijn hier vaak ideaal. Ze laten luchtstroming vanuit vele hoeken toe en hebben veel koeloppervlak.

Compact-vriendelijke koellichaamstructuren

Als de hoogte een probleem is, kun je met heat pipes warmte wegleiden van de bron en vervolgens ergens ruimer koelen. Gevouwen vinnen of vinnen met ritssluiting persen meer koeloppervlak in hetzelfde volume door vinnen strak op elkaar te leggen.

Bij compacte ontwerpen is elke millimeter belangrijk. Daarom houden ingenieurs van flexibele lay-outs zoals pin-fins en heat pipe hybriden.

Waarom worden heatpipes gebruikt in moderne koellichamen?

Je hebt waarschijnlijk wel eens koperen heat pipes gezien op CPU's of grafische kaarten. Waarom zijn ze nu zo gewoon?

Heatpipes worden gebruikt omdat ze warmte snel verspreiden, hot spots verminderen en het mogelijk maken om vinnen verder van de warmtebron te plaatsen. Ze verbeteren de koeling zonder groter te worden.

Een heat pipe is een afgesloten buis gevuld met een kleine hoeveelheid vloeistof. Wanneer het ene uiteinde heet wordt, verdampt de vloeistof binnenin. De damp gaat naar het koelere uiteinde, waar het condenseert. Deze cyclus zorgt voor een snelle warmteoverdracht door de buis.

Waarom Heat Pipes zinvol zijn

• Superhoge thermische geleidbaarheid: Beter dan massief koper.
• Verspreidt warmte over grote vinoppervlakken: Voorkomt hotspots.
• Geen bewegende onderdelen: Passief en betrouwbaar.
• Compact: Leidt warmte in nauwe ontwerpen.
• Oriëntatievriendelijk: Werkt in de meeste hoeken, vooral met lontstructuur.

Tegenwoordig combineren veel krachtige koellichamen basisplaten met heatpipes en vinnen. Deze hybride methode geeft je zowel goede geleiding (via de pijp) als sterke convectie (via de vinnen).

In laptops of compacte pc's bijvoorbeeld voeren heat pipes warmte af naar aan de zijkant of bovenkant gemonteerde vinnen. Dat houdt de interne lay-out schoon en efficiënt.

Wat zijn de voordelen van ontwerpen met kruislings afgesneden vinnen?

Vinnen zijn lang, toch? Maar wat als je ze inkort? Geloof het of niet, maar dat kan helpen. Gekruiste vinnen zijn ontworpen om luchtstroompatronen te breken - op een goede manier.

Dwarsgesneden lamelstructuren verbeteren de warmteoverdracht door grenslagen te doorbreken en meer luchtstroming toe te laten, vooral diep in de lamelstructuur.

Bij een ontwerp met rechte vinnen stroomt de lucht door kanalen tussen de vinnen. Maar binnen die kanalen vertraagt de lucht. Hoe dieper je gaat, hoe minder koeling er optreedt. Het snijden van de lamellen lost dat op.

Hoe dwarssnedes de koeling verbeteren

• Verstoor stilstaande lucht: Sneden doorbreken grenslagen.
• Geleidingspaden verkorten: Elk vinsegment is efficiënter.
• Luchttoegang in meerdere richtingen mogelijk maken: Helpt bij een turbulente of gedeeltelijke luchtstroom.
• Verbeter de luchtstroomprestaties bij lage snelheden: Meer paden voor lucht om te ontsnappen en binnen te komen.

Dit heeft echter een nadeel. Kruissnedes kunnen de luchtstroomweerstand iets verhogen en te veel snedes verminderen de vinsterkte of thermische massa.

Tabel: Gekruiste vs. standaard vinnen

Je kunt cross-cuts zien als het beste van twee werelden - gemakkelijk te maken zoals rechte vinnen, maar met prestaties die dichter bij pin-vinnen liggen.

Conclusie

Verschillende koellichaamstructuren bieden verschillende thermische voordelen. Pin-vinnen, heat pipes, gekruiste insnijdingen en compacte vinnen spelen elk een rol. Het kiezen van de juiste hangt af van de luchtstroom, de ruimte en de thermische belasting.