Ve strojních zařízeních a obvodech jsou chladiče nejvíce zanedbávanými součástmi. To však není případ při navrhování hardwaru, protože chladiče hrají velmi důležitou roli. Téměř všechny technologie včetně procesorů, diod a tranzistorů generují teplo, které může snížit tepelný výkon a způsobit neefektivnost provozu.
Pro překonání problému rozptylu tepla jsou různé typy chladičů navrženy tak, aby pracovaly s různými součástmi a udržovaly je v provozu při optimálních teplotách. S rychlým pokrokem technologie (zejména nanotechnologie) a aby byly věci co nejkompaktnější a nejúčinnější, správné teplo design dřezu se stal faktorem kontroly a rovnováhy při výrobě elektronických produktů. Proto se tento článek bude zabývat detaily a konstrukčními úvahami o chladičích.
A chladič je široce používaný způsob chlazení dílů nebo sestav, které se mohou při používání zahřívat. Mnoho typů elektronických a mechanických zařízení nebo strojů používá chladiče, které jim pomáhají odvádět teplo, které vytvářejí. Chladiče jsou životně důležité pro jakýkoli stroj, který používá dráty, elektroniku, mikročipy nebo cokoli jiného, co přirozeně generuje teplo. V moderním světě to pokrývá skoro všechno.
Pokud jste obeznámeni s pojmem 'chladič', můžete si jej spojovat s notebooky, stolními počítači, procesory nebo výrobou. Je zřejmé, že velikost těchto komponent se velmi liší, ale všechny se při tepelné regulaci spoléhají na chladiče. V laptopech nebo počítačích a další elektronice to dělají cirkulací tepla z centrálního procesoru nebo mikročipu. Stroje v továrnách a skladech hromadné výroby je často používají k přesměrování horkého vzduchu z elektrických součástek a vodičů.
Typy chladičů
Prvním krokem při určování konstrukce chladiče je určení typu konfigurace. Existují dva oblíbené typy chladičů.
Pasivní chladiče
Pasivní chladiče jsou tradiční volbou; využívají přirozené proudění vzduchu. Přirozená konvekce se hromadí nad chladiči a odvádí teplo pryč od součástí. Jejich provoz je levnější a nevyžadují další elektřinu.
Aktivní chladiče
Aktivní chladiče jsou účinnější a výkonnější, ale vyžadují nucenou konvekci a využívají vzduch nebo kapalinu, aby byl možný přenos tepla. Jsou snadno rozpoznatelné, protože používají motorizovaná zařízení, jako jsou ventilátory v blízkosti chladičů.
Výběr jakéhokoli typu chladiče může vést ke změnám designu. Například aktivní chladič, který se spoléhá na ventilátor, vyžaduje menší povrch a lehčí materiály, aby odvedl stejné množství tepla jako pasivní vodič.
Měděné chladiče
Měď se často používá jako základní materiál pro širokou škálu designů chladičů díky svým působivým vlastnostem přenosu tepla. Je vynikajícím vodičem tepla a pomáhá rychle a efektivně odvádět teplo pryč ze zařízení nebo okruhu, který se snažíte ochladit. Na druhou stranu jsou měděné chladiče často dražší (až třikrát těžší) než oblíbené alternativy, jako je hliník.
Hliníkové chladiče
Přestože hliník nevede teplo tak efektivně jako měď, je poměrně lehký a levnější. Při použití v tenkých plechech (extrudovaný hliník) může jít také o konstrukčně robustnější kov, jako je tomu u většiny konstrukcí chladičů z mědi a hliníku. Konstrukčním znakem mnoha hliníkových chladičů je umožnit teplu stoupat skrz množství tenkých kovových žeber – podrobněji vysvětleno v následující části.
Některé typy chladičů, jako jsou lepená žebra, mohou být vyrobeny jak z mědi, tak z hliníku. Není neobvyklé, že jeden kov je použit pro základovou nebo kontaktní desku (obvykle měď) a druhý pro žebra.
Žebrované chladiče
Žebrované chladiče jsou vyrobeny z pevného bloku kovu, který je opeřený nebo nařezaný na několik velmi tenkých desek, které vyčnívají z centrálního bloku. Tento design dává chladičům s žebry větší plochu. Dokáže efektivněji přenášet teplo pryč z jakékoli součásti, ke které je chladič připojen.
Existuje několik potenciálních procesů, které lze použít při navrhování a výrobě chladiče. Nejrozšířenější jsou dnes asi kovací nebo tlakové odlévací formy, případně CNC obrábění popř frézování. Žebrované chladiče odlévané pod tlakem jsou běžnější u levnějších velkoobjemových prodejů, zatímco žebrované chladiče frézované na CNC frézování obvykle produkují dražší, ale kvalitnější produkt, který má tendenci se dodávat v nižších množstvích.
Pevné chladiče
Chladič s kolíky lze nazvat buď jednoduše kolíkovým chladičem nebo chladičem kolíků. Ve skutečnosti je to prostě alternativní design k běžnějšímu designu ploché ploutve popsanému výše. V kolíkové konstrukci se jádrový blok skládá ze sady kolíků nebo tyčí, které vybíhají nahoru nebo ven z jeho základny. Samotné čepy mohou být válcové, oválné nebo čtvercové.
Čepový chladič je obvykle vypočítán tak, že má větší celkovou plochu než žebrovaný chladič. V mnoha každodenních aplikacích vám však nemusí nutně přinést výrazné zlepšení výkonu a obvykle nejsou tak široce používány jako modely s ploutvemi.
Materiály chladiče
Chladiče jsou obvykle vyrobeny ze slitin hliníku nebo mědi a materiál je obvykle určen aplikací, tepelnou pevností, způsobem výroby a rozpočtem.
Hliníkové chladiče jsou obvykle vyrobeny z hliníku 1050 (velmi tepelně vodivý, ale s nízkou pevností) nebo hliníku 6060, 6061 nebo 6063 (méně vodivý, ale s lepšími mechanickými vlastnostmi). Nejdostupnější chladiče jsou obvykle vyrobeny z hliníkových slitin.
Měděné chladiče mají vynikající tepelnou vodivost – je dvakrát vodivější než hliník – a také odolnost proti korozi, antimikrobiální vlastnosti a další žádoucí vlastnosti. Díky tomu jsou měděné chladiče prémiovou volbou; měď je však nejen dražší než slitiny hliníku, ale často se také obtížněji tvaruje.
Grafit
Grafit a další uhlíkové materiály mají tepelné vlastnosti blízké mědi, ale jsou výrazně lehčí. Používají se v aplikacích, kde je kritickým faktorem hmotnost.
diamant
Diamant má nejlepší tepelnou vodivost ze všech materiálů, ale jeho vysoká cena a složitost výroby omezuje jeho použití ve specializovaných špičkových aplikacích, jako je chlazení polovodičů.
Typy výroby chladičů
Co promění jednoduchý kus kovu na tato složitá chladicí zařízení? Pojďme se podívat na šest výrobních procesů pro chladič.
Extrudované
Vytlačování je kontinuální proces, při kterém se hliník nebo jiný materiál chladiče zahřívá a protlačuje skrz matrici se specifickým profilem průřezu. Materiál je vykreslen v souvislých délkách s požadovaným tvarem a poté může být řezán na požadovanou velikost. Díky vysoké rychlosti výroby a hospodárnosti je vhodný pro velkosériovou výrobu. Konzistentní materiálové vlastnosti jsou zachovány během celého procesu vytlačování.
Odlévání
Během procesu tlakového lití je roztavený kov, jako je hliník nebo zinek, vstřikován do ocelové formy (formy) pod vysokým tlakem. Tento aktivní proces zajišťuje, že roztavený kov zcela vyplní dutinu formy. Jak je kov aktivně vtlačován do dutiny, rychle tuhne a přizpůsobuje se tvaru formy. Udržovaný vysoký tlak zajišťuje, že každý detail formy je přesně vyplněn, výsledkem je chladič se složitými prvky a hladkými povrchy.
Razítko Fin
Lisování zahrnuje použití matric a razníků k řezání a tvarování plechu do požadovaného tvaru. Tento proces vytváří chladiče se specifickými rozměry a vzory. Lisování je vhodné pro vytváření opakujících se vzorů, jako jsou ploutve, je nákladově efektivní pro střední až velké objemy a má relativně vysoké výrobní rychlosti.
Obrábění pomocí počítačového numerického řízení (CNC) je proces, při kterém počítač přesně říká stroji, jak vyřezat chladič z bloku kovu. Tento proces umožňuje vytvářet složité geometrické tvary a složité detaily. Pokročilá technologie obrábění nabízí několik výhod, včetně vysoké přesnosti a preciznosti, možnosti přizpůsobení návrhů a vhodnosti pro výrobu malého až středního objemu.
Kovové lyžování
Skiving je přesný proces řezání, který přeměňuje pevný blok kovu (obvykle hliník nebo měď) na chladič s řadou tenkých, rovnoměrně rozmístěných žeber. Proces začíná pravoúhlým blokem kovu, který je následně obroben tak, aby vznikl požadovaný žebrovaný povrch. Tloušťka žeber se pohybuje od 0.25 do 0.8 mm, což umožňuje vysokou tepelnou účinnost lehkých žeber.
Kovové kování
Kování zahrnuje tvarování kovu působením tlakové síly pomocí nástrojů, jako jsou zápustky, kladiva nebo lisy. Proces zlepšuje organizaci zrna a mechanické vlastnosti materiálu. Kování je volbou pro výrobu chladiče, protože vytváří pevné jednodílné konstrukce s vynikajícím přenosem tepla a nízkým odporem, ideální pro náročné chladicí úlohy.
Porovnání CNC obrábění a vytlačování hliníku pro chladič
Navzdory skutečnosti, že existuje tolik způsobů, jak obrábět chladič, nejběžnější a nejpoužívanější jsou CNC a extruze.
Výhody chladiče CNC obrábění
CNC obrábění nabízí několik výhod pro výrobu hliníkového chladiče:
Přesnost a přesnost
CNC obrábění umožňuje vytvářet vysoce přesné a přesné návrhy chladičů s úzkými tolerancemi a složitými geometriemi. To umožňuje výrobu chladiče s optimálním tepelným výkonem, přizpůsobeným specifickým požadavkům aplikace.
Materiálová všestrannost
CNC obrábění umožňuje obrábění široké škály hliníkových slitin, z nichž každá má své vlastní jedinečné vlastnosti a charakteristiky. Tato flexibilita umožňuje výrobcům vybrat optimální materiál chladiče na základě faktorů, jako je tepelná vodivost, odolnost proti korozi a hmotnost.
Zkrácené dodací lhůty
Procesy CNC obrábění mohou vyrobit hliníkový chladič relativně rychle, zejména ve srovnání s jinými výrobními metodami. To pomáhá zkrátit dodací lhůty a zvýšit celkovou produktivitu.
Přizpůsobení
CNC obrábění umožňuje vysoce přizpůsobené návrhy chladičů, což umožňuje výrobcům nabízet svým zákazníkům řešení na míru. To je zvláště výhodné pro specializované aplikace nebo specializovaná průmyslová odvětví, kde standardní řešení nemusí být vhodná.
Výhody extrudovaného hliníkového chladiče
Vytlačování hliníku také nabízí několik klíčových výhod pro výrobu chladičů.
Efektivní výroba
Vytlačování je ze své podstaty efektivní výrobní proces, protože vytváří souvislé hliníkové profily s minimálním odpadem. To může vést k úsporám nákladů, zejména při sériové výrobě.
Pružnost designu
Ačkoli není z hlediska složitosti designu tak univerzální jako CNC obrábění, vytlačování hliníku stále umožňuje širokou škálu tvarů a velikostí chladičů. To je výhodné pro výrobce, kteří chtějí najít rovnováhu mezi flexibilitou designu a efektivitou výroby.
Konzistentní kvalita
Proces vytlačování vytváří hliníkový chladič s konzistentní kvalitou a jednotnými materiálovými vlastnostmi. To pomáhá zajistit, aby chladič fungoval spolehlivě a efektivně po celou dobu své životnosti.
Škálovatelnost
Vytlačování hliníku je vysoce škálovatelné, takže je ideální pro výrobce, kteří potřebují vyrábět velké množství chladičů. Proces vytlačování lze snadno zvětšit nebo zmenšit tak, aby vyhovoval různým požadavkům výroby bez významného dopadu na náklady nebo dodací lhůty.
CNC obráběné chladiče | Hliníkové extrudované chladiče | |
Přesnost a přesnost | Vysoká přesnost a přesnost s úzkými tolerancemi a složitou geometrií pro optimální tepelný výkon. | I když jsou přesné, nemusí dosahovat složitosti, kterou může poskytnout CNC obrábění. |
Všestrannost materiálu | Může pracovat se širokou škálou hliníkových slitin, což umožňuje optimální výběr materiálu na základě tepelné vodivosti, odolnosti proti korozi a hmotnosti. | Typicky omezeno na specifické hliníkové slitiny vhodné pro proces vytlačování. |
Výroba Speed | Relativně rychlá výroba, zkrácení dodacích lhůt. | Velmi efektivní výrobní proces je vhodný pro velkosériovou výrobu. |
Přizpůsobení | Vysoký stupeň přizpůsobení umožňuje řešení na míru. | Určitý stupeň flexibility designu, ale ne tak vysoký jako CNC obrábění. Ideální pro standardní tvary a velikosti. |
Konzistence a kvalita | Konzistentní kvalita, závislá na přesnosti CNC stroje a programu. | Konzistentní kvalita s jednotnými vlastnostmi materiálu díky povaze procesu vytlačování. |
Škálovatelnost | Škálovatelné, ale doba nastavení a programování se může u různých návrhů prodloužit. | Vysoce škálovatelné, ideální pro velké objemy, s minimálním dopadem na náklady nebo dodací lhůty při změně objemu výroby. |
Jak CNC obrábění, tak vytlačování hliníku mají své vlastní výhody a nevýhody, pokud jde o efektivitu výroby. CNC obrábění může produkovat vysoce složité a přizpůsobené chladiče, ale proces může být časově náročnější a nákladnější, zejména u velkých výrobních sérií. Na druhé straně extruze hliníku je účinnější a nákladově efektivnější způsob výroby velkého množství chladičů, i když tento proces nemusí být vhodný pro vysoce složité nebo specializované konstrukce.
V konečném důsledku bude volba mezi CNC obráběním a vytlačováním hliníku pro výrobu chladičů záviset na faktorech, jako je složitost návrhu, požadovaný objem výroby a specifické požadavky aplikace na řízení teploty.
Jak vybrat správný chladič
Když se ptáte sami sebe: "Jaký typ chladiče bych si měl koupit?" odpověď téměř vždy závisí na vašem konkrétním nastavení a potřebách chlazení. Prvním krokem k pochopení toho, jak vybrat chladič, je určit některé základní podrobnosti o zamýšlené aplikaci.
Mezi klíčové úvahy pro optimální výběr chladiče patří.
Jakou spotřebu energie bude daná součástka využívat. To je často označováno jako TDP (Thermal Design Power nebo Thermal Design Profile). TDP se často používá jako základní údaj o spotřebě energie komponenty, zejména cpu (procesor) a gpu (grafická karta). Hodnocení TDP udává maximální množství tepla ve wattech, které může komponenta využít. To je často dobrým indikátorem toho, jak horká má konkrétní komponenta potenciál dostat se pod zátěž. V ideálním případě, jak chladná musí komponenta zůstat, aby byl optimální výkon.
Kolik místa je k dispozici pro instalaci chladiče, radiátoru nebo radiátoru – dodávají se v různých velikostech od malých modulárních radiátorů až po mnohem větší instalace. Jaký typ konstrukce radiátoru nebo rozmístění poskytne nejlepší tepelný výkon pro vaši systémovou specifikaci.
Potřebujete aktivní nebo pasivní radiátor?
Kolik jste ochotni utratit za chladič?
Proč investovat do čističky vzduchu?
Stručně řečeno, chladiče hrají zásadní roli při řízení teplotních úrovní elektronických zařízení a poskytují efektivní a nákladově efektivní řešení tepelného managementu. Když porozumíte materiálům, konstrukčním aspektům a výkonnostním faktorům spojeným s chladiči, můžete činit informovaná rozhodnutí pro optimalizaci řešení chlazení pro vaši aplikaci. V AN PROTOTYPE poskytujeme vysoce kvalitní chladiče přizpůsobené vašim potřebám, které zajišťují spolehlivý výkon a dlouhou životnost vašich elektronických systémů.