Thermisches Konstruktionsprinzip eines Hochleistungs-Schaltnetzteils
1. Warum die elektronischen Produkte eine thermische Lösung benötigen
Die Chips elektronischer Produkte sind hochintegriert, mit immer mehr funktionellen Anforderungen und immer kleineren Volumenanforderungen. Heutige Komponenten entwickeln sich rasant in Richtung Miniaturisierung, hoher Funktionalität und hoher Effizienz. Hochleistungskomponenten erzeugen bei hohen Geschwindigkeiten viel Wärme, und diese Wärme muss sofort abgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Komponenten bei normalen Betriebstemperaturen arbeiten können. Arbeiten Sie mit höchster Effizienz. Daher wird die verwandte Technologie der Wärmeleitung mit der Entwicklung der Elektronikindustrie ständig herausgefordert.
2. Arten von Kühlkörpermaterialien:
Gold, Silber, Eisen, Kupfer, Aluminium, Aluminiumlegierung, Silikonfolie usw.
3. Prinzip der Wärmeableitung
Die Wärmeableitungsform eines A-Heizkörpers umfasst hauptsächlich Strahlung und Konvektion.
Strahlungswärmeübertragung: Wärmeenergie wird in Form von Strahlung übertragen, ohne Medium kann sie im Vakuum übertragen werden, so wie die Wärmeenergie der Sonne durch das Universum auf die Erde übertragen wird.
Konvektive Wärmeübertragung: Wärmeenergie wird durch Luft oder andere Medien übertragen, z. B. Konvektionsradiatoren, um die Luft zu erwärmen. Die Luft erwärmt alles im Raum, und die Luftbewegung beruht hauptsächlich auf der Bewegung der Luft, um die Wärmeenergie zu verteilen.
Als Strahlungsheizkörper im herkömmlichen Sinne werden Heizkörper bezeichnet, die einen relativen Anteil an der gesamten Wärmeabgabe haben. Gegenwärtig sind die typischsten Strahlungsheizkörper Gußeisen, Stahlsäulenheizkörper und Kupfer-Aluminium-Verbundheizkörper. Und so weiter, unter ihnen macht die durch Strahlung übertragene Wärmeenergie nur 30 Prozent aus, und die anderen 70 Prozent der Wärmeenergie werden durch Konvektion übertragen. Der Konvektionsheizkörper ist ein Heizkörper mit grundsätzlich keinem Strahlungswärmeaustausch (oder sehr klein), wie der Konvektionsheizkörper mit Kupferrohr von Fried. Er heizt angenehmer und schneller auf als ein Heizstrahler.
B. Die Methoden der Wärmeableitung umfassen Strahlungswärmeableitung, Wärmeleitungsableitung, Konvektionswärmeableitung und Verdunstungswärmeableitung.
Die von verschiedenen Geweben und Organen des Körpers erzeugte Wärme wird zusammen mit der Durchblutung gleichmäßig auf alle Körperteile verteilt. Wenn Blut durch die Blutgefäße der Haut fließt, werden 90 Prozent der Gesamtwärme von der Haut abgeführt, sodass die Haut der Hauptteil des Körpers ist, der Wärme abführt. Hinzu kommt ein kleiner Teil der Wärme, die mit der Atmung, dem Urin und dem Kot über Lunge, Nieren und Verdauungstrakt aus dem Körper abgeführt wird.
(1) Die Art der Wärmeableitung - hauptsächlich auf physikalische Weise
1. Strahlung Strahlung bedeutet, dass der Körper Wärme abgibt, indem er Infrarotstrahlen aussendet. Wenn die Hauttemperatur höher als die Umgebungstemperatur ist, wird die Körperwärme durch Strahlung abgeführt. Die Wärmeabgabe durch Strahlung hängt von Faktoren wie Hauttemperatur, Umgebungstemperatur und effektiver Strahlungsfläche des Körpers ab. Im Allgemeinen macht die Wärmeabgabe durch Strahlung 40 Prozent der gesamten Wärmeabgabe aus. Ist die Umgebungstemperatur natürlich höher als die Hauttemperatur, nimmt der Körper Strahlungswärme auf. Stahlarbeiter arbeiten vor Hochöfen, ebenso wie Bauern, die im heißen Sommer auf Feldern unter der Sonne arbeiten.
2. Leitung und Konvektion Leitung ist die Art und Weise, wie der Körper Wärme abführt, indem er molekulare kinetische Energie überträgt. Wenn der menschliche Körper in direktem Kontakt mit Gegenständen steht, die kühler als die Haut sind (z. B. Kleidung, Betten, Stühle usw.), wird Wärme vom Körper auf diese Gegenstände übertragen. Klinisch nutzt die Verwendung von Eiskappen, Eisbeuteln und anderen Methoden zur Kühlung von Patienten mit hohem Fieber dieses Prinzip.
C, der Wärmeaustausch zwischen Heizkörper und Umgebung
Nachdem die Wärme auf die Oberseite des Heizkörpers übertragen wurde, ist es notwendig, die übertragene Wärme so schnell wie möglich an die Umgebung abzugeben. Beim luftgekühlten Kühler dient es zum Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft. Zu diesem Zeitpunkt wird Wärme zwischen zwei verschiedenen Medien übertragen, und die folgende Formel lautet Q= XAX ΔT, wobei ΔT die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien ist, d. h. die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkörper und der Umgebungsluft ; und ist die Temperaturdifferenz der Flüssigkeit. Wärmeleitfähigkeit, nachdem das Kühlkörpermaterial und die Luftzusammensetzung bestimmt wurden, ist es ein fester Wert; Das wichtigste A ist die Kontaktfläche zwischen Kühlkörper und Luft. Unter der Prämisse, dass andere Bedingungen unverändert bleiben, wie beispielsweise das Volumen des Kühlkörpers, wird es im Allgemeinen jedoch durch Ändern der Form des Kühlers, Vergrößern der Kontaktfläche mit der Luft und Vergrößern der Wärmeaustauschfläche effektiver Mittel zur Verbesserung der Wärmeableitungseffizienz. , Um dies zu erreichen, wird die Oberfläche in der Regel durch Rippendesign, ergänzt durch Oberflächenaufrauhungen oder Gewinde, vergrößert.
Nachdem die Wärme an die Luft übertragen wurde, steigt die Temperatur der Luft in Kontakt mit dem Kühlkörper schnell an. Zu diesem Zeitpunkt sollte die heiße Luft der umgebenden kalten Luft durch Wärmeaustausch wie Konvektion so viel Wärme wie möglich entziehen. Bei luftgekühlten Radiatoren besteht das wichtigste Mittel darin, die Geschwindigkeit des Luftstroms zu erhöhen und einen Lüfter zu verwenden, um eine erzwungene Konvektion zu erreichen. Dies hängt hauptsächlich mit der Bauform des Ventilators und der Windgeschwindigkeit zusammen. Der Wirkungsgrad des Kühlerlüfters (z. B. Durchfluss, Winddruck) hängt hauptsächlich vom Durchmesser des Lüfterflügels, der axialen Länge, der Drehzahl des Lüfters und der Form des Lüfterflügels ab. Der Durchfluss des Lüfters wird hauptsächlich in CFM (Imperial System, Kubikfuß/Minute) angegeben, und ein CFM beträgt etwa 0,028 mm3/Minute Durchfluss.
Heizkörper aus reinem Aluminium
Reine Aluminiumheizkörper waren in der Anfangszeit die gängigsten Heizkörper. Sein Herstellungsprozess ist einfach und die Kosten niedrig. Bisher nehmen reine Aluminiumheizkörper noch einen beträchtlichen Teil des Marktes ein. Um die Wärmeableitungsfläche seiner Rippen zu vergrößern, ist die am häufigsten verwendete Verarbeitungsmethode für reine Aluminiumheizkörper die Aluminium-Extrusionstechnologie, und die Hauptindikatoren für die Bewertung eines reinen Aluminiumheizkörpers sind die Dicke der Kühlerbasis und das Pin-Fin-Verhältnis . Pin bezieht sich auf die Höhe der Rippen des Kühlkörpers, und Fin bezieht sich auf den Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen. Das Pin-Fin-Verhältnis ist die Höhe des Pins (ohne die Dicke der Basis) dividiert durch die Finne. Je größer das Pin-Fin-Verhältnis, desto größer die effektive Wärmeableitungsfläche des Kühlers und desto fortschrittlicher die Aluminium-Extrusionstechnologie.
Heizkörper aus reinem Kupfer
Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ist 1,69-mal so hoch wie die von Aluminium. Unter der Voraussetzung, dass die anderen Bedingungen gleich sind, können Kühlkörper aus reinem Kupfer der Wärmequelle schneller Wärme entziehen. Die Textur von Kupfer ist jedoch ein Problem. Viele beworbene „reine Kupferkühlkörper“ bestehen nicht wirklich zu 100 Prozent aus Kupfer. In der Kupferliste werden diejenigen mit einem Kupfergehalt von mehr als 99 Prozent als säurefreies Kupfer bezeichnet, und die nächste Kupfersorte ist Dan-Kupfer mit einem Kupfergehalt von weniger als 85 Prozent. Die meisten Kühlkörper aus reinem Kupfer auf dem Markt haben derzeit einen Kupfergehalt zwischen den beiden. Der Kupferanteil mancher minderwertiger Reinkupferstrahler beträgt nicht einmal 85 Prozent. Obwohl die Kosten sehr gering sind, wird seine Wärmeleitfähigkeit stark reduziert, was sich auf die Wärmeableitung auswirkt. Außerdem hat Kupfer auch offensichtliche Mängel, wie hohe Kosten, schwierige Verarbeitung und zu viel Masse des Kühlkörpers, die die Anwendung von Kühlkörpern vollständig aus Kupfer behindern. Die Härte von Rotkupfer ist nicht so gut wie die der Aluminiumlegierung AL6063, und die Leistung einiger mechanischer Bearbeitungen (z. B. Rillen) ist nicht so gut wie die von Aluminium. Der Schmelzpunkt von Kupfer ist viel höher als der von Aluminium, was für das Strangpressen (ExtrusiON) usw. nicht förderlich ist.
Obwohl die am häufigsten verwendeten Kühlkörpermaterialien Kupfer- und Aluminiumlegierungen sind, sind Aluminiumlegierungen einfach zu verarbeiten und kostengünstig und die am häufigsten verwendeten Materialien. Die höhere Wärmeleitfähigkeit von Kupfer macht seine sofortige Wärmeabsorptionsfähigkeit besser als die von Aluminiumlegierungen. Die Geschwindigkeit ist langsamer als die der Aluminiumlegierung. Unabhängig davon, ob es sich um Kühler aus reinem Kupfer, reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung handelt, gibt es daher einen schwerwiegenden Fehler: Da nur ein Material verwendet wird, kann es die Wärmeleitung nicht gut ausgleichen, obwohl die grundlegende Wärmeableitungskapazität die Anforderungen einer milden Wärmeableitung erfüllen kann . Die beiden Anforderungen an Kapazität und Wärmekapazität werden in Situationen mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung etwas überfordert.
Kupfer-Aluminium-Verbindungstechnologie
Nach Berücksichtigung der jeweiligen Mängel von Kupfer und Aluminium verwenden einige High-End-Heizkörper auf dem Markt häufig Herstellungsverfahren für Kupfer-Aluminium-Kombinationen. Diese Kühlkörper verwenden normalerweise Kupfermetallbasen, während Kühlkörperlamellen aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Natürlich gibt es neben der Kupferbasis auch Methoden wie die Verwendung von Kupfersäulen für den Kühlkörper, was ebenfalls dem gleichen Prinzip entspricht. Mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann die Kupferunterseite die von der CPU abgegebene Wärme schnell absorbieren; die aluminiumlamellen lassen sich durch aufwendige verfahren in die für die wärmeableitung günstigste form bringen, bieten einen großen wärmespeicherraum und geben ihn schnell ab. In allen Aspekten wurde ein Gleichgewicht gefunden.
Die Wärme wird vom CPU-Kern an die Oberfläche des Kühlkörpers abgeleitet, was ein Wärmeleitungsprozess ist. Für die Basis des Kühlkörpers ist es erforderlich, da sie in direktem Kontakt mit einem kleinen Bereich einer starken Wärmequelle steht, dass die Basis Wärme schnell ableiten kann. Die Verwendung von Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit für den Kühlkörper ist sehr hilfreich, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Aus der Vergleichstabelle des Wärmeleitsystems ist ersichtlich, dass beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium 237 W/mK und die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer 401 W/mK beträgt. Beim Vergleich von Heizkörpern gleichen Volumens ist das Gewicht von Kupfer dreimal so hoch wie das von Aluminium, während die spezifische Wärme von Aluminium dreimal so hoch ist. Es ist nur das 2,3-fache von Kupfer, sodass ein Kupferheizkörper bei gleichem Volumen mehr Wärme aufnehmen kann als ein Aluminiumheizkörper und sich langsamer aufheizt. Bei gleicher Dicke des Kühlkörperbodens kann Kupfer nicht nur schnell die Temperatur von Wärmequellen wie CPU-Dies abbauen, sondern auch der eigene Temperaturanstieg ist langsamer als der von Aluminiumkühlkörpern. Daher ist Kupfer für die Herstellung der unteren Oberfläche des Kühlkörpers besser geeignet.
Die Kombination dieser beiden Metalle ist jedoch relativ schwierig, und die Affinität zwischen Kupfer und Aluminium ist schlecht. Wärmewiderstand). Beim eigentlichen Design und bei der Herstellung versuchen die Hersteller immer, den Wärmewiderstand der Grenzfläche so weit wie möglich zu reduzieren und Schwächen zu vermeiden, was oft die Designfähigkeiten und Herstellungsprozesse des Herstellers widerspiegelt.
4. Thermisches Medium – wärmeleitfähiges Kieselgel.
A. Was ist Wärmewiderstand?
Der sogenannte „thermische Widerstand“ (thermischer Widerstand) bezeichnet einen umfassenden Parameter, der die Fähigkeit widerspiegelt, eine Wärmeübertragung zu verhindern. Das Konzept des Wärmewiderstands ist dem des Widerstands sehr ähnlich, und die Einheit ist auch ähnlich - Grad / W, dh die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Wärmeleitungspfads, wenn die kontinuierliche Wärmeübertragungsleistung des Objekts 1 W beträgt .
B. Der Wärmewiderstand von Luft ist der größte in der Natur und sein Wert liegt nahe bei 0,03 W/mK;
C. Füllen Sie den Spalt zwischen dem Heizkörper und dem Metallkühlkörper, um die Luft zu reduzieren, so dass der Heizkörper und der Kühlkörper eine direkte Konvektionswärmeableitung zeigen.
D. Die wärmeleitende Silikonfolie kann Wärme auch indirekt, also nach außen abführen, wird also als Kühlkörper bezeichnet.
Sinda Thermal ist ein führender Hersteller von Kühlkörpern, wir besitzen ein Team von Wärmeexperten und viele präzise Einrichtungen und Ausrüstungen, wir können das wettbewerbsfähigste Angebot und Kühlkörper von hervorragender Qualität anbieten. Bitte kontaktieren Sie uns frei, wenn Sie thermische Anforderungen haben.
