Grundlagen des Kühlkörperdesigns:Faktoren und Berechnung

Kühlkörper sind die am einfachsten zu übersehenden Komponenten in Maschinen und elektrischen Schaltkreisen. Dies ist jedoch beim Design von Hardware nicht der Fall, da Kühlkörper eine sehr wichtige Funktion erfüllen. Fast alle Technologien, einschließlich CPUs, Dioden und Transistoren, erzeugen Wärmeenergie, die die Wärmeleistung verringern und den Betrieb ineffizient machen kann.

Um die Herausforderungen der Wärmeableitung zu bewältigen, wurden verschiedene Arten von Kühlkörpern entwickelt, um verschiedene Elemente zu versorgen und sie bei ihren am besten geeigneten Temperaturen zu halten.

Mit der rasanten technologischen Entwicklung (insbesondere der Nanotechnologie) und der Tatsache, dass die Dinge so kompakt und effizient wie möglich gemacht werden, ist das richtige Kühlkörperdesign zu einem entscheidenden Faktor bei der Herstellung elektrischer Produkte geworden. Daher werden in diesem Artikel die Details und Überlegungen zum Design der Kühlkörper erörtert.

Was ist ein Kühlkörper?

Ein Kühlkörper ist ein Gerät, das überschüssige Wärme von einer anderen Komponente abführt. In einem integrierten Schaltkreis besteht ein Kühlkörper aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um unerwünschte Wärme abzuleiten. Es funktioniert, indem es die Oberfläche erweitert und kühlere Luft oder Flüssigkeit über seine Oberfläche strömen lässt.

Nach dem Fourierschen Gesetz wird Wärme von einem heißeren zu einem kühleren Bereich übertragen. Ein auf diesem Gesetz basierender Kühlkörper arbeitet durch einen Temperaturgradienten. Es nimmt unerwünschte Wärme auf, die in einer elektrischen Komponente erzeugt wird, und überträgt sie durch Wärmeübertragungsmethoden wie Wärmeleitung oder natürliche Konvektion an kältere Luft oder Flüssigkeit.

Arten von Kühlkörpern

Der erste Schritt bei der Identifizierung des Designs von Kühlkörpern ist die Bestimmung des Konfigurationstyps. Es gibt zwei beliebte Kühlkörpertypen.

Passive Kühlkörper

Passive Kühlkörper sind die herkömmliche Option, sie nutzen den natürlichen Luftstrom. Über dem Kühlkörper baut sich eine natürliche Konvektion auf, die die Wärme von der Komponente wegführt. Sie sind billiger im Betrieb und benötigen keinen zusätzlichen Strom, um zu funktionieren.

Aktive Kühlkörper

Aktive Kühlkörper sind effizienter und leistungsstärker, erfordern jedoch eine erzwungene Konvektion, die Luft oder Flüssigkeit verwendet, um die Wärmeübertragung zu ermöglichen. Sie können leicht identifiziert werden, da sie elektrisch betriebene Geräte wie einen Lüfter in der Nähe des Kühlkörpers verwenden.

Die Wahl eines der beiden Kühlkörper führt zu einer Variation im Design. Beispielsweise benötigen aktive Kühlkörper, die auf Lüfter angewiesen sind, eine kleinere Oberfläche und ein leichteres Material, um die gleiche Wärmemenge wie ein passiver Leiter abzuleiten.

Faktoren und Überlegungen beim Design von Kühlkörpern

Jeder Kühlkörper funktioniert nach dem gleichen allgemeinen Prinzip. Zunächst wird in einem Bauteil Wärme erzeugt und der Kühlkörper hilft bei der Abführung dieser Wärme. Ein an der Komponente oder Schaltung angebrachter Kühlkörper erhält Wärme über Wärmeleitung oder durch Wärmerohre. Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials beeinflusst diesen Prozess erheblich.

Als nächstes findet eine Wärmeübertragung innerhalb des gesamten Kühlkörpers statt. Der passive Wärmetauscher oder Kühlkörper ist in der Nähe der Wärmequelle heißer und am anderen Ende kälter, da eine solche natürliche Wärmeleitung die Wärme ungleichmäßig über die Oberfläche überträgt.

Danach wird die Wärme durch natürliche und erzwungene Konvektion abgeführt. Luft oder Flüssigkeit, die direkt über die Oberfläche des Kühlkörpers strömt, führt die erzeugte Wärme durch Diffusion ab und überträgt sie an die Umgebungsluft.

Inzwischen ist offensichtlich, dass viele Faktoren die Kühlkörperleistung beeinflussen, einschließlich Material, Geometrie und Kühlmitteltyp. Kühlkörperdesign vor der Herstellung sollte man diese Parameter berücksichtigen.

1. Thermischer Widerstand

Der Wärmewiderstand kann einfach als der kombinierte Wärmewiderstand definiert werden, dem die erzeugte Wärme ausgesetzt ist, wenn sie sich durch einen Temperaturgradienten bewegt. Dazu gehören der Wärmewiderstand innerhalb der Kühlkörperbaugruppe, jegliche Reibung und die Verschwendung von Wärmeenergie aufgrund des Widerstands zwischen dem Kühlmittel und der Oberfläche des Wärmetauschers.

Der Wärmewiderstand kann anhand des Wärmewiderstandswerts berechnet werden. Es ist äußerst hilfreich, um den effektivsten Wärmewiderstand für Komponenten und ICs herauszufinden.

2. Arten von Materialien

Das Design des Kühlkörpers wird weitgehend durch das gewählte Material beeinflusst. Beliebte Materialien für Kühlkörper sind Aluminiumlegierungen wie AA 6063-T6 und Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Molybdän. Kühlkörper aus Kupfer bieten eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, sind aber schwerer und teurer als Aluminium. Darüber hinaus werden Chemical Vapour Diamonds (CVDs), im Labor gezüchtete Diamanten, aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit verwendet, die von Vibrationen in ihrer Gitterstruktur herrührt.

Andere wärmeerzeugende Geräte, die vom Wärmewiderstand betroffen sind, umfassen Lithium-Ionen-Batterien, die in Autos verwendet werden, und die Wärmeübertragung von diesen Batterien ist entscheidend, da andernfalls ein thermisches Durchgehen zu einem führen kann Kettenreaktion, die den Akku zerstört. Ein Kohlefaser-Kühlkörper mit höherer Leitfähigkeit bietet der Automobilindustrie eine Wärmemanagementlösung.

3. Kühlrippen

Rippen sind die Komponente eines Kühlkörpers, die eine Wärmeübertragung vom Kühlkörper weg zur Umgebungstemperatur ermöglichen. Die Form und Position können stark beeinflussen, wie der Kühlkörper Energie überträgt, während die Größe und eine schiere Anzahl dieser Rippen seine Effizienz bestimmen.

3.1 Anordnung, Form, Größe und Lage der Lamellen

Die Kühlrippen sind dort, wo die Kühlflüssigkeit wie Luft über den Kühlkörper strömt und so die Wärmeableitung ermöglicht. Daher sind Anordnung und Größe bei der Konstruktion von Kühlkörpern wichtig. Die Verbesserung dieser Faktoren kann zu einer besseren Wärmeableitung und einem leichteren Wärmefluss führen. In einer Studie auf Science Direct wurde in den Ergebnissen eines Berichts erörtert, wie sich die Form auf das Wärmemanagement von Kühlkörpern auswirken kann.

„Die Ergebnisse zeigten, dass die kreisförmigen Rippen die Wärmeleistung des Kühlkörpers verbesserten und den Wärmewiderstand um 25 % bzw. 12 % im Vergleich zu den anderen beiden Formen senkten“ – Fallstudien in der Wärmetechnik

3.2 Fin-Effizienz

Elektrische Komponenten in umfangreichen Technikeinheiten wie Servern erzeugen übermäßige Wärme. Eine langsame Wärmeübertragung kann die Leistung und Lebensdauer verringern. Eine Heatpipe und Flüssigkeitskühlung haben großes Potenzial, aber ein Lamellenwärmetauscher ist unerlässlich, um Wärme zuverlässig und kontinuierlich abzuführen.

Rippen vergrößern die Oberfläche für die Verlustleistung in elektrischen Komponenten, und Faktoren wie Dicke, Höhe und Wärmewiderstand wirken sich auf die Effizienz der Rippen aus. Um die Effizienz zu verbessern, wird die thermische Grenzschicht dünner gemacht und die Richtung der Luft im optimalen Winkel eingestellt, wobei der Kühlkörper selbst aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.

4. Thermisches Schnittstellenmaterial

Der Kühlkörper muss an elektrischen Komponenten und Schaltungen befestigt werden. Dabei wird die Schnittstelle zwischen den Wärmetauschern und typischen elektrischen Komponenten als thermisches Schnittstellenmaterial bezeichnet.

Der thermische Grenzflächenwiderstand kann die Effizienz von Kühlkörpern und die Oberflächenrauheit verringern, und eingeschlossene Luft und Hohlräume können den thermischen Kontaktwiderstand erhöhen. Bei diesen Fehlern in der Grenzfläche ist die Wärmeübertragung natürlich schlecht, und um den Wärmewiderstand zu verringern, werden verschiedene thermische Grenzflächenmaterialien wie phasenändernde Materialien verwendet. Der Wärmewiderstand der Komponente wird verringert, wenn Luft entfernt und die Hohlräume gefüllt werden, wodurch ein vollständiger Kontakt gewährleistet wird.

5. Befestigungsmethoden für Kühlkörper

Ein Kühlkörper wird an einer Vielzahl von Orten verwendet, einschließlich mechanischer Komponenten. Die Wahl der Kühlkörperbefestigung kann die maximale Verlustleistung erheblich verbessern und mehr Wärmeenergie abführen. Zu den weit verbreiteten Methoden gehören Thermoband, Epoxidharz, Clips und Stecknadeln.

Viele Faktoren beim Kühlkörperdesign beeinflussen die Wahl der Befestigung. Beispielsweise können große gewichtete Kühlkörper nicht durch Wärmeleitbänder gestützt werden. Epoxid ist eine gute Wahl für Wärmemanagementlösungen, aber es ist kostspielig und erfordert Geschick beim Auftragen.

Design des Kühlkörpers:Berechnung des Wärmewiderstands

Das Kühlkörperdesign vervollständigt die Geometrie und Funktionalität für die beabsichtigte Verwendung. Um jedoch zu beurteilen, wie gut Kühlkörper Wärme ableiten, sind einige Wärmewiderstandsberechnungen erforderlich.

Einige Begriffe, die Sie kennen sollten:

T_Kreuzung :Maximale Sperrschicht-Betriebstemperatur

T_Umgebung :Umgebungslufttemperatur

_F  :Erzeugte Wärme

T_{junction-case} :Verbindung zum Gehäusewiderstand

T_{Schnittstelle} :Grenzflächenmaterialwiderstand

T_Kühlkörper :Wärmewiderstand des Kühlkörpers

Der Gesamtwärmewiderstand ist der Widerstand gegen den Wärmefluss von der Verbindungsstelle zum Gehäuse, der Wärmewiderstand des Schnittstellenmaterials und der Widerstand zwischen dem Kühlkörper und der Umgebungsluft.

Die obigen Berechnungen werden auch in der Konstruktionsphase verwendet, um Vergleiche zwischen verschiedenen Materialien und Schnittstellen zu ziehen und den richtigen Wärmewiderstand zu finden, der der maximalen Betriebstemperatur der Komponente entspricht.

Kühlkörperdesign:Größenberechnung

Der erste Schritt bei der Dimensionierung eines Kühlkörpers besteht darin, seine Abmessungen des Kühlkörpers zu bestimmen. Sobald die Abmessungen festgelegt sind, folgt der nächste Schritt einigen Berechnungen, die durch den Kühlkörperrechner vereinfacht werden.

• Konvektionswärme finden

_Qc =2hA(T_kompensiert – T_Umgebung  )

wo

A =HL + t(2H + L)

h =1,42[( T_kompensieren – T_Umgebung  )/H ] ＾0,25

_Qc :2hA( T_kompensiert – T_Umgebung  )

• Sie werden feststellen, dass es eine weitere Oberfläche gibt, an der Wärme abgeführt werden kann, nämlich die Konvektionswärme bei A₂

_Qc =2h₂ A₂ (T_kompensieren – T_Umgebung  )

wo

A₂ =L[2(H – b) + sb] + tL

s =2,71 [ gβ(T_kompensieren – T_Umgebung  )/Lav  ]

• Durch Strahlung abgegebene Wärme finden.

Genauso wie Konvektion kann Wärme durch Strahlung von den beiden Oberflächen entweichen.

_Qr =2ϵσA₁ ( T ⁴ _kompensieren – T ⁴ _Ambiente  )

_Qr2 =2ϵσA₂ ( T ⁴ _kompensieren – T ⁴ _Ambiente  )

wo

A₂ =L(t + s) + 2(tH + sb)

• Schließlich wird die Anzahl der Flossen angegeben durch

_Fn =1 + [(_Q  – _Qr2 – _Dc2 ) / (_Qr1 + _Dc1 )]

• Die Breite jeder Finne wird angegeben durch

W =(N – 1) + Nt

Anwendungen von Kühlkörpern

Kühlkörper werden dort eingesetzt, wo etwas Wärme erzeugt und ständig geregelt werden muss, um die Betriebstemperatur innerhalb der maximal zulässigen Temperaturen zu halten. In Elektrogeräten sind Kühlkörper fast überall zu finden, wo man LEDs und Transistoren sieht. Dadurch bleiben sie in Umgebungen mit Raumtemperatur ohne Überhitzung funktionsfähig.

Anwendungen von Kühlkörpern sind weitgehend durch die Geschwindigkeit gekennzeichnet, mit der sie Wärme leiten. Daher werden Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit für Prozesse verwendet, bei denen ein Temperaturanstieg ein Risiko für den Betrieb darstellt.

CPUs

Wenn Computer verwendet werden und die CPU-Chips übertaktet werden, entsteht erhebliche Wärme. Ein thermisch mit einer CPU gekoppelter Kühlkörper kann diese Wärme nicht nur speichern und schnell vom Chip abführen, sondern sie auch über seine Oberfläche übertragen und schließlich an die Umgebungsluft abgeben.

Leistungsverstärker

In Leistungstransistoren kann die erzeugte Wärme zu Leckströmen führen. Dieser Anstieg des Kollektorstroms kann wiederum die Verlustleistung erhöhen, was die Temperatur weiter erhöhen kann. Dies kann zu einer thermischen Runaway-Schleife führen, die den Transistor zerstört. Ein Kühlkörper kann die erzeugte Wärme schnell durch seine Oberfläche übertragen und Schäden verhindern.

Optoelektronik

Bei LEDs werden üblicherweise Kühlkörper verwendet, da die Komponente selbst nicht in der Lage ist, ihre Betriebstemperatur zu regulieren.

Gängige Herstellungsmethoden für das Design von Kühlkörpern

Um ein effektives Kühlkörperdesign zu erstellen, müssen Ingenieure viele verschiedene Faktoren berücksichtigen, wie z. B. die Materialauswahl, und Aluminium ist das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von Kühlkörpern. In diesem Abschnitt werden wir die 3 gebräuchlichsten Methoden zur Herstellung von Aluminiumkühlkörpern besprechen.

Extrusion des Kühlkörpers

Das Extrusionsverfahren eignet sich für einfachere Kühlkörperdesigns, die sich durch hohe Produktionsstückzahlen, geringere Investitionen, kurze Entwicklungszyklen und niedrige Produktionskosten auszeichnen.

Das häufig verwendete Aluminium-Strangpressmaterial ist Aluminium 6063, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Arbeitsprinzip besteht darin, den Aluminiumbarren bei hohem Druck auf 520-540 ℃ zu erhitzen, um die Aluminiumflüssigkeit durch die Extrusionsform mit Rillen fließen zu lassen, um den Kühlkörperembryo zu bilden. Und dann schneiden Sie den Kühlkörperembryo, die Profilnut und andere Verarbeitungen aus der Kühlkörperrippe, die wir häufig sehen.

CNC-Bearbeitungskühlkörper

Die CNC-Bearbeitung umfasst eine Vielzahl von Prozessen wie Drehen, Bohren, Fräsen und Schleifen. Dieses Verfahren kann flexibel entsprechend der Struktur der Teile und der Verwendung der meisten Strukturteile angewendet werden, wie z. B. Plattenformen, Rillen von Kühlkörpern, Bodenoberflächenbehandlung usw. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Konstruktion von Kühlkörpern mit komplexer Geometrie .

Kühlkörper aus Druckguss

Das Prinzip des Aluminium-Druckguss-Kühlkörpers aus Aluminium ähnelt dem Spritzguss. Das Rohmaterial der Aluminiumlegierung wird unter hohem Druck in Flüssigkeit aufgelöst, und dann wird das flüssige Material schnell in die Form gefüllt. Gemäß dem Modell begann die Druckgussmaschine zu arbeiten, und aus dem einmaligen Druckgussformteil wurde nach dem Abkühlen und der anschließenden Behandlung ein Monomer-Kühlkörper hergestellt. Der Prozess kann in ein dünnes, dichtes oder komplexes Design von Kühlrippen integriert werden.

Schlussfolgerung

Die Verwendung von Kühlkörpern wird weiter zunehmen, da weitere technische Fortschritte gemacht werden und bessere Lösungen gefunden werden, um einen Prozess nützlicher zu machen. Auch das Design des Kühlkörpers wird vielfältiger und individueller.

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