In machines en circuits zijn koellichamen de meest verwaarloosde componenten. Dit is echter niet het geval bij het ontwerpen van hardware, aangezien koellichamen een zeer belangrijke rol spelen. Bijna alle technologieën, waaronder CPU, diodes en transistors, genereren warmte, wat de thermische prestaties kan verslechteren en de werking inefficiënt kan maken.
Om de uitdaging van warmteafvoer te overwinnen, zijn verschillende soorten koellichamen ontworpen om met verschillende componenten te werken en ze op optimale temperaturen te laten werken. Met de snelle vooruitgang van de technologie (vooral nanotechnologie) en om dingen zo compact en efficiënt mogelijk te maken, is de juiste warmte Het ontwerp van de spoelbak is een check-and-balance-factor geworden bij de productie van elektronische producten. Daarom bespreekt dit artikel de details en ontwerpoverwegingen van koellichamen.
A koellichaam is een veelgebruikte methode voor het koelen van onderdelen of samenstellingen die tijdens gebruik heet kunnen worden. Veel soorten elektronische en mechanische apparaten of machines maken gebruik van koellichamen om de warmte die ze genereren af te voeren. Koellichamen zijn van vitaal belang voor elke machine die gebruikmaakt van draden, elektronica, microchips of iets anders dat op natuurlijke wijze warmte genereert. In de moderne wereld omvat dat vrijwel alles.
Als u bekend bent met de term 'koellichaam', associeert u deze mogelijk met laptops, desktopcomputers, CPU's of productie. Het is duidelijk dat de grootte van dergelijke componenten enorm varieert, maar ze zijn allemaal afhankelijk van koellichamen voor thermische regeling. In laptops of pc's en andere elektronica doen ze dit door warmte van de centrale processor of microchip te laten circuleren. Machines in massaproductiefabrieken en magazijnen gebruiken ze vaak om hete lucht van elektrische componenten en draden om te leiden.
Soorten koellichamen
De eerste stap bij het bepalen van het ontwerp van een koellichaam is het bepalen van het type configuratie. Er zijn twee populaire soorten koellichamen.
Passieve koellichamen
Passieve koellichamen zijn de traditionele keuze; ze maken gebruik van natuurlijke luchtstroom. Er ontstaat natuurlijke convectie over de koellichamen en voert de warmte weg van de componenten. Ze zijn goedkoper in gebruik en vereisen geen extra elektriciteit.
Actieve koellichamen
Actieve koellichamen zijn efficiënter en krachtiger, maar vereisen geforceerde convectie en gebruiken lucht of vloeistof om warmteoverdracht mogelijk te maken. Ze zijn gemakkelijk herkenbaar omdat ze gemotoriseerde apparaten gebruiken, zoals ventilatoren in de buurt van de koellichamen.
Het kiezen van elk type koellichaam kan leiden tot ontwerpwijzigingen. Een actief koellichaam dat afhankelijk is van een ventilator heeft bijvoorbeeld een kleiner oppervlak en lichtere materialen nodig om dezelfde hoeveelheid warmte af te voeren als een passieve geleider.
Koperen koellichamen
Koper wordt vaak gebruikt als kernmateriaal voor een breed scala aan ontwerpen van koellichamen vanwege de indrukwekkende warmteoverdrachtskwaliteiten. Het is een uitstekende warmtegeleider en helpt de warmte snel en efficiënt af te voeren van het apparaat of circuit dat u probeert te koelen. Het nadeel is dat koperen koellichamen vaak duurder zijn (tot drie keer zwaarder) dan populaire alternatieven zoals aluminium.
Aluminium koellichamen
Hoewel aluminium de warmte niet zo efficiënt geleidt als koper, is het vrij licht en goedkoper. Bij gebruik in dunne platen (geëxtrudeerd aluminium) kan het ook een structureel robuuster metaal zijn, zoals het geval is bij de meeste koperen en aluminium koellichamen. Een ontwerpkenmerk van veel aluminium koellichamen is dat de warmte door een aantal dunne metalen vinnen kan stijgen – in meer detail uitgelegd in de volgende sectie.
Sommige soorten koellichamen, zoals gebonden vinnen, kunnen van zowel koper als aluminium worden gemaakt. Het is niet ongebruikelijk dat het ene metaal wordt gebruikt voor de basis- of contactplaat (meestal koper) en het andere voor de vinnen.
Gevinde koellichamen
Koellichamen met vinnen zijn gemaakt van een massief blok metaal dat is veren of gesneden in een aantal zeer dunne platen die zich uitstrekken vanaf een centraal blok. Dit ontwerp geeft koellichamen met vinnen een groter oppervlak. Het kan de warmte efficiënter overbrengen van elk onderdeel waaraan de koeler is bevestigd.
Er zijn verschillende mogelijke processen die kunnen worden gebruikt bij het ontwerpen en vervaardigen van een koellichaam. Tegenwoordig zijn de meest voorkomende waarschijnlijk het smeden of spuitgieten van mallen, of CNC-bewerking of frezen. Gegoten koellichamen met vinnen komen vaker voor bij goedkopere verkopen met grote volumes, terwijl CNC-gefreesde koellichamen met vinnen doorgaans een duurder product van hogere kwaliteit produceren dat de neiging heeft om in kleinere hoeveelheden te worden verzonden.
Vaste koellichamen
Een koellichaam met pinnen kan eenvoudigweg een pin-koellichaam of een pin-vin-koeler worden genoemd. In feite is het gewoon een alternatief ontwerp voor het meer gebruikelijke platte vinontwerp dat hierboven is beschreven. Bij een vastgezette constructie bestaat het kernblok uit een stel pennen of staven die zich vanaf de basis naar boven of naar buiten uitstrekken. De pinnen zelf kunnen cilindrisch, ovaal of vierkant zijn.
Er wordt doorgaans berekend dat een vastgezet koellichaam een groter totaaloppervlak heeft dan een koellichaam met vinnen. Ze bieden u echter niet noodzakelijkerwijs een significante prestatieverbetering in veel dagelijkse toepassingen, en ze worden meestal niet zo veel gebruikt als vinmodellen.
Materialen voor koellichamen
Koellichamen worden meestal gemaakt van aluminiumlegeringen of koper en het materiaal wordt meestal bepaald door de toepassing, thermische sterkte, productiemethode en budget.
Aluminium koellichamen worden meestal gemaakt van aluminium 1050 (zeer thermisch geleidend maar lage sterkte) of aluminium 6060, 6061 of 6063 (minder geleidend maar met betere mechanische eigenschappen). De meest betaalbare koellichamen zijn meestal gemaakt van aluminiumlegeringen.
Koperen koellichamen hebben een uitstekende thermische geleidbaarheid (het is twee keer zo geleidend als aluminium), evenals corrosiebestendigheid, antimicrobiële eigenschappen en andere wenselijke eigenschappen. Dit maakt koperen koellichamen een premium optie; koper is echter niet alleen duurder dan aluminiumlegeringen, maar het is ook vaak moeilijker te vormen.
grafiet
Grafiet en andere koolstofmaterialen hebben thermische eigenschappen die dicht bij die van koper liggen, maar zijn aanzienlijk lichter. Ze worden gebruikt in toepassingen waarbij gewicht een kritische factor is.
Diamant
Diamant heeft de beste thermische geleidbaarheid van welk materiaal dan ook, maar de hoge kosten en complexiteit van de productie beperken het gebruik ervan in specialistische hoogwaardige toepassingen zoals halfgeleiderkoeling.
Productietypes voor koellichamen
Wat verandert een eenvoudig stuk metaal in deze complexe koelapparaten? Laten we eens kijken naar zes productieprocessen voor koellichamen.
geëxtrudeerde
Extrusie is een continu proces waarbij aluminium of ander warmteafvoermateriaal wordt verwarmd en door een matrijs met een specifiek dwarsdoorsnedeprofiel wordt geperst. Het materiaal wordt in doorlopende lengtes met de gewenste vorm weergegeven en kan vervolgens op de gewenste maat worden gesneden. De hoge productiesnelheid en kosteneffectiviteit maken het geschikt voor productie in grote volumes. Consistente materiaaleigenschappen blijven gedurende het hele extrusieproces behouden.
Die Casting
Tijdens het spuitgietproces wordt gesmolten metaal, zoals aluminium of zink, onder hoge druk in een stalen matrijs (mal) geïnjecteerd. Dit actieve proces zorgt ervoor dat het gesmolten metaal de vormholte volledig vult. Doordat het metaal actief in de holte wordt geperst, stolt het snel en past het zich aan de vorm van de mal aan. De gehandhaafde hoge druk zorgt ervoor dat elk maldetail nauwkeurig wordt gevuld, wat resulteert in een koellichaam met complexe kenmerken en gladde oppervlakken.
Stempelen Fin
Stempelen omvat het gebruik van matrijzen en ponsen om plaatmetaal in de gewenste vorm te snijden en te vormen. Dit proces produceert koellichamen met specifieke afmetingen en patronen. Stempelen is geschikt voor het maken van repetitieve patronen zoals vinnen, is kosteneffectief voor middelgrote tot grote volumes en heeft relatief hoge productiesnelheden.
Computer Numerical Control (CNC)-bewerking is het proces waarbij een computer een machine precies vertelt hoe een koellichaam uit een blok metaal moet worden gesneden. Dit proces maakt het mogelijk complexe geometrische vormen en ingewikkelde details te creëren. Geavanceerde bewerkingstechnologie biedt verschillende voordelen, waaronder hoge nauwkeurigheid en precisie, de mogelijkheid om ontwerpen aan te passen en geschiktheid voor productie van kleine tot middelgrote volumes.
Metaal afschaven
Skiving is een nauwkeurig snijproces waarbij een massief blok metaal (meestal aluminium of koper) wordt omgezet in een koellichaam met een reeks dunne, gelijkmatig verdeelde vinnen. Het proces begint met een rechthoekig blok metaal, dat vervolgens wordt bewerkt om het gewenste gevinde oppervlak te produceren. De vindiktes variëren van 0.25 tot 0.8 mm, waardoor hoge thermische efficiëntie in lichtgewicht vinnen mogelijk is.
Metaal smeden
Bij smeden wordt metaal gevormd door drukkracht uit te oefenen via gereedschappen zoals matrijzen, hamers of persen. Het proces verbetert de korrelorganisatie en mechanische eigenschappen van het materiaal. Smeden is de keuze voor het maken van koellichamen omdat het sterke structuren uit één stuk produceert met uitstekende warmteoverdracht en lage weerstand, perfect voor veeleisende koeltaken.
Vergelijking van CNC-bewerking en aluminiumextrusie voor koellichaam
Ondanks het feit dat er zoveel manieren zijn om het koellichaam te bewerken, zijn CNC en extrusie de meest voorkomende en meest gebruikte.
Voordelen van CNC-bewerking van het koellichaam
CNC-bewerking biedt verschillende voordelen voor de productie van aluminium koellichamen:
Precisie en nauwkeurigheid
CNC-bewerkingen maken het mogelijk zeer nauwkeurige en nauwkeurige koellichaamontwerpen te creëren met nauwe toleranties en complexe geometrieën. Dit maakt de productie mogelijk van koellichamen met optimale thermische prestaties, afgestemd op de specifieke eisen van de toepassing.
Materiële veelzijdigheid
CNC-bewerking maakt de bewerking van een grote verscheidenheid aan aluminiumlegeringen mogelijk, elk met hun eigen unieke eigenschappen en kenmerken. Dankzij deze flexibiliteit kunnen fabrikanten het optimale koellichaammateriaal selecteren op basis van factoren zoals thermische geleidbaarheid, corrosieweerstand en gewicht.
Kortere doorlooptijden
Met CNC-bewerkingsprocessen kunnen aluminium koellichamen relatief snel worden geproduceerd, vooral in vergelijking met andere productiemethoden. Dit helpt de doorlooptijden te verkorten en de algehele productiviteit te verhogen.
Maatwerk
CNC-bewerkingen maken zeer aangepaste koellichaamontwerpen mogelijk, waardoor fabrikanten op maat gemaakte oplossingen aan hun klanten kunnen aanbieden. Dit is met name gunstig voor nichetoepassingen of gespecialiseerde industrieën waar kant-en-klare oplossingen mogelijk niet geschikt zijn.
Voordelen van geëxtrudeerd aluminium koellichaam
Aluminiumextrusie biedt ook verschillende belangrijke voordelen voor de productie van koellichamen.
Efficiënte productie
Extrusie is een inherent efficiënt productieproces, omdat er continue aluminium profielen ontstaan met minimaal afval. Dit kan leiden tot kostenbesparingen, vooral bij massaproductie.
Ontwerpflexibiliteit
Hoewel niet zo veelzijdig qua ontwerpcomplexiteit als CNC-bewerking, maakt aluminium-extrusie nog steeds een breed scala aan koellichaamvormen en -afmetingen mogelijk. Dit is voordelig voor fabrikanten die een evenwicht willen vinden tussen ontwerpflexibiliteit en productie-efficiëntie.
Consistente kwaliteit
Het extrusieproces produceert een aluminium koellichaam met consistente kwaliteit en uniforme materiaaleigenschappen. Dit zorgt ervoor dat het koellichaam gedurende zijn hele levensduur betrouwbaar en efficiënt werkt.
Schaalbaarheid
Aluminiumextrusie is zeer schaalbaar, waardoor het ideaal is voor fabrikanten die grote hoeveelheden koellichamen moeten produceren. Het extrusieproces kan eenvoudig worden opgeschaald of verkleind om tegemoet te komen aan verschillende productievereisten, zonder noemenswaardige gevolgen voor de kosten of doorlooptijden.
CNC-gefreesde koellichamen | Aluminium extrusie koellichamen | |
Precisie en nauwkeurigheid | Hoge precisie en nauwkeurigheid met nauwe toleranties en complexe geometrieën voor optimale thermische prestaties. | Hoewel ze nauwkeurig zijn, bereiken ze mogelijk niet de complexiteit die CNC-bewerking kan bieden. |
Materiële veelzijdigheid | Kan werken met een breed scala aan aluminiumlegeringen, waardoor een optimale materiaalkeuze mogelijk is op basis van thermische geleidbaarheid, corrosieweerstand en gewicht. | Meestal beperkt tot specifieke aluminiumlegeringen die geschikt zijn voor het extrusieproces. |
Productie Snelheid | Relatief snelle productie, kortere doorlooptijden. | Het zeer efficiënte productieproces is geschikt voor grootschalige productieruns. |
Maatwerk | De hoge mate van maatwerk maakt maatwerk mogelijk. | Een zekere mate van ontwerpflexibiliteit, maar niet zo hoog als CNC-bewerking. Ideaal voor standaard vormen en maten. |
Consistentie en kwaliteit | Consistente kwaliteit, afhankelijk van de precisie van de CNC-machine en het programma. | Consistente kwaliteit met uniforme materiaaleigenschappen, dankzij de aard van het extrusieproces. |
Schaalbaarheid | Schaalbaar, maar de instel- en programmeertijd kan toenemen voor verschillende ontwerpen. | Zeer schaalbaar, ideaal voor grote volumes, met minimale impact op kosten of doorlooptijden bij verandering van productievolume. |
Zowel CNC-bewerking als aluminiumextrusie hebben hun eigen voor- en nadelen als het gaat om productie-efficiëntie. CNC-bewerking kan zeer complexe en op maat gemaakte koellichamen produceren, maar het proces kan tijdrovender en duurder zijn, vooral bij grote productieruns. Aluminiumextrusie daarentegen is een efficiëntere en kosteneffectievere methode voor het produceren van grote hoeveelheden koellichamen, hoewel het proces mogelijk niet geschikt is voor zeer complexe of gespecialiseerde ontwerpen.
Uiteindelijk zal de keuze tussen CNC-bewerking en aluminiumextrusie voor de vervaardiging van koellichamen afhangen van factoren zoals de complexiteit van het ontwerp, het vereiste productievolume en de specifieke vereisten voor thermisch beheer van de toepassing.
Hoe u het juiste koellichaam kiest
Als u zich afvraagt: "Welk type koellichaam moet ik kopen?" het antwoord hangt vrijwel altijd af van uw specifieke opstelling en koelingsbehoeften. De eerste stap om te begrijpen hoe u een koellichaam kiest, is het bepalen van enkele basisgegevens over uw beoogde toepassing.
Belangrijke overwegingen voor een optimale selectie van koellichamen zijn onder meer:
Welk soort stroomverbruik het betreffende onderdeel zal gebruiken. Dit wordt vaak de TDP (Thermal Design Power of Thermal Design Profile) genoemd. TDP wordt vaak gebruikt als basisindicatie van het stroomverbruik van een component, met name cpu (processor) en gpu (videokaart). De TDP-waarde specificeert de maximale hoeveelheid warmte in watt die een onderdeel kan gebruiken. Dit is vaak een goede indicatie van hoe warm een bepaald onderdeel onder belasting kan worden. Idealiter, hoe koel het onderdeel moet blijven voor optimale prestaties.
Hoeveel ruimte is er beschikbaar om een koeler, radiator of radiator te installeren? Ze zijn er in verschillende maten, van kleine modulaire radiatoren tot veel grotere installaties. Welk type radiatorontwerp of lay-out levert de beste thermische prestaties voor uw systeemspecificaties.
Of je nu een actieve of passieve radiator nodig hebt?
Hoeveel bent u bereid te besteden aan een koeler?
Conclusie
Samenvattend spelen koellichamen een cruciale rol bij het beheer van de temperatuurniveaus van elektronische apparaten en bieden ze een efficiënte en kosteneffectieve oplossing voor thermisch beheer. Door inzicht te krijgen in de materialen, ontwerpoverwegingen en prestatiefactoren die verband houden met koellichamen, kunt u weloverwogen beslissingen nemen om de koeloplossing voor uw toepassing te optimaliseren. Bij AN PROTOTYPE bieden we hoogwaardige koellichamen die zijn afgestemd op uw behoeften, waardoor betrouwbare prestaties en een lange levensduur voor uw elektronische systemen worden gegarandeerd.