Ein kurzer Rückblick auf Design und Herstellung von Kühlkörpern

Letzte Aktualisierung:01.09;Lesezeit: 6 Min

Kühlkörper

Ein Kühlkörper ist ein thermodynamisches Gerät, das Wärme von mechanischen, elektrischen und elektronischen Systemen abführt.Bei verschiedenen Geräten und Maschinen ist es unerlässlich, den Temperaturbereich innerhalb einer bestimmten Grenze zu halten, um die Funktionalität des Geräts oder der Maschine aufrechtzuerhalten.Hier kommt die Rolle von Kühlkörpern ins Spiel.Beispielsweise müssen die kräftigen Maschinen Ihres Laptops in verschiedenen Branchen seine Wärme abführen.Denken Sie also daran, wie weit es in der heutigen Welt der Technologie verwendet wird.Kühlkörper leiten Wärme ab, indem sie sie auf ein reguliertes Medium wie Luft oder Flüssigkeit übertragen und dann aus der Vorrichtung und dem Übertragungsmedium ausgestoßen werden.

Dieser Artikel wird kurz durch die gehenFunktionsweise des Kühlkörpers, Konstruktionsschritte und Fertigungsansätze.

Funktion des Kühlkörpers

Das Fourier-Gesetz der Wärmeübertragung, das besagt, dass Wärme immer von einem Medium mit hoher Temperatur zu einem Medium mit niedriger Temperatur fließt, bildet die Grundlage für die Funktionsweise eines Kühlkörpers.Während Geräte Wärme erzeugen, die heißer als die umgebende Luft oder Flüssigkeit ist, übertragen sie diese Wärme durch Leitung, Konvektion oder gelegentlich Strahlung an einen kühleren Kontakt.

Schauen wir uns das Flussdiagramm unten an, um ein klares Bild der Funktionsweise des Kühlkörpers zu erhalten.

Flussdiagramm für die Arbeit des Kühlkörpers

·   Passive Kühlkörper

Passive Kühlkörper geben die aufgenommene Wärme auf natürliche Weise ohne Zwangskonvektion, wie z. B. einen Lüfter oder eine Wasserzirkulation um sie herum, an die Umgebungsluft ab.Diese haben normalerweise eine große Form und enthalten eine Rippenanordnung, die der äußeren Umgebung ausgesetzt ist.

·   Aktiver Kühlkörper

Der aktive Kühlkörper besteht aus dem zusätzlichen Lüfter oder Gebläse und der Flüssigkeitseinrichtung, um die Wärme auf andere Weise als auf natürliche Weise abzuführen.Dieser zusätzliche Aufbau erhöht den Wärmeabfuhrprozess durch den erzwungenen Konvektionsprozess.Wenn zum Beispiel der Lüfter läuft, erhöht er die Luftgeschwindigkeit und überträgt schnell Wärme von der Wärmesenke an die Umgebung.

Berechnung des Wärmewiderstands

Bei der Auslegung eines Kühlkörpers ist die Berechnung des Gesamtwärmewiderstandes (R_hs) spielt eine wichtige Rolle beim Verständnis der potenziellen Leistung und Effizienz, also lassen Sie uns sehen, wie sie berechnet werden können;

R_hs= (T_j-T_a/P) – (R_th-jc) - R_I

P= Abgeführte Gesamtwärme

T_I= Maximale Sperrschichttemperatur des Geräts bei 0 °C.

R_th-jc= Thermischer Widerstand zwischen Verbindungsstelle und Gehäuse

T_a= Umgebungslufttemperatur bei⁰C.

R_I= Widerstand des Schnittstellenmaterials

R_ICH= (t/L x B x K_I)

t = Dicke des Grenzflächenmaterials

K_I= Wärmeleitfähigkeit des Grenzflächenmaterials

L = Länge der Wärmequelle

W = Breite der Wärmequelle

Design des Kühlkörpers

Es gibt mehrere Schritte beim Entwerfen.Werfen wir einen kurzen Blick auf jeden von ihnen.

1.          Materialauswahl

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine der wesentlichen Eigenschaften eines Kühlkörpermaterials, da sie die schnelle Übertragung von Wärme von einer erhitzten Gerätekomponente an den Kühlkörper und die Umgebung ermöglicht.

Die beiden Hauptmaterialien, die zur Herstellung von Kühlkörpern verwendet werden, sind Kupfer- und Aluminiumlegierungen.Dies liegt daran, dass sie hervorragende mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.Obwohl es ziemlich teuer ist, kann Diamant (2.000 W/m/k) das ideale Material für Kühlkörper in elektronischen Hochleistungs- und Präzisionsgeräten sein.

Neben den Elektronikteilen ist bei Lithium-Ionen-Akkus eine Wärmeableitung notwendig.In einer solchen Situation sind Kupfer oder Aluminium möglicherweise nicht die optimalen Materialien für den Kühlkörper.

Die Lösung der Automobilindustrie für das Wärmemanagement ist ein fabelhafteres leitfähiges Kohlefasermaterial.

2.          Flossenanordnung und Luftstrom

Ein weiterer Faktor, der die Kühlkörperleistung beeinflusst, ist das Kühlmedium, das die Wärmeableitungsrate erheblich beeinflusst.Daher sind beim Bau eines Kühlkörpers Form, Größe und Rippenanordnung wichtige Aspekte, die zu berücksichtigen sind.Die Verwendung der parametrischen Optimierungstechnik ist die beste Option, um die idealen Parameterwerte zu finden, um die angegebenen Einschränkungen zu erfüllen und die Designziele zu erreichen.

• Verbessern Sie den Abstand zwischen den Rippen, um den Luftstrom zu verbessern und den Wärmewiderstand zu verringern.

• Da eine größere Oberfläche die Konduktions- und Konvektionswärmeübertragung erhöht und die Wärmeableitung unterstützt, sollten Sie die Dicke und Höhe erhöhen.

• Erstellen Sie eine kleinere thermische Grenzschicht, und die Luftstromrichtung wurde in einem idealen Winkel zum Kühlkörper entwickelt, um die Lamelleneffizienz zu erhöhen.

• Nachdem Sie das Rippendesign mit CAD vorbereitet haben, können Sie das Wärmeübertragungsszenario simulieren, um seine Effizienz zu optimieren.

3.          Befestigung des Kühlkörpers

Auch die Art und Weise, wie die Spüle mit dem Heizelement des Geräts verbunden ist, hat Einfluss darauf, wie gut es funktioniert.Wählen Sie die beste Verbindungsmethode, die die Wärmeübertragungsrate maximiert, aus den Abstandshaltern, Flachfederklemmen, Epoxidharz und Thermobandoptionen.

4.          Thermische Schnittstelle

Defekte und Oberflächenrauheit des Kühlkörpers spielen eine Rolle bei der Erhöhung des thermischen Widerstands aufgrund einer Abnahme der thermischen Kontaktfläche und des Grenzflächendrucks.Um dieses Problem zu lösen, sind Wärmeleitmaterialien die beste Wahl.Die Verwendung von flüssigen Polymeren, Wachs, Aluminium, Graphit und Klebebändern auf der Oberfläche des Kühlkörpers und des Heizelements von Geräten verringert den Wärmewiderstand.

5.          Simulation

Die Simulation des Designs ist wichtig, um die Leistung des Kühlkörpers virtuell zu sehen.Die Computersimulation liefert die Idee für die Verbesserung und bestätigt das Design, ob es für die erforderlichen Anwendungen geeignet ist oder nicht.

Herstellungsprozess für Kühlkörper

Nachdem das Design der Kühlkörper thermisch simuliert wurde, geht es nun an die Produktion.Lassen Sie uns die verschiedenen Herstellungsverfahren im Detail sehen;

1.          CNC-Bearbeitung

Kühlkörper mit CNC-Bearbeitung hergestellt

CNC-Bearbeitungist der beste Ansatz für die Herstellung von Kühlkörpern für komplexe Formen.Dieser Ansatz gibt den Designern viel Flexibilität.Ein ganzer Metallblock wird verwendet, um die Spüle herzustellen, wo die erforderlichen Rippen mit den CNC-Maschinen geschnitten und von der Basis des Blocks gebogen werden.Es ist jedoch eine zeitaufwändige und kostenintensive Methode.

2.          Extrusion

Eines der gebräuchlichsten Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern istExtrusion, bei dem heiße Knüppel aus duktilem Material in hochfeste Stahlformen gepresst werden, um Blechrippen zu erzeugen.Sie werden für die meisten Kühlanwendungen mit Aluminiumkühlkörpern verwendet.Aluminium ist natürlich das am weitesten verbreitete Material für die Kühlkörperherstellung.

Kühlkörper aus Extrusion 

Es ist ein kostengünstiges und unkompliziertes Verfahren.Die Kühlkörper können in einer Vielzahl von Betriebsumgebungen verwendet werden.Aufgrund der Beschränkung der maximalen Extrusionsbreite kann es jedoch nicht mit Kühlkörpern mit breiten Rippen verwendet werden.

3.          Gießen

Kühlkörper aus Guss

ImGießendes Kühlkörpers,Aluminium, Kupfer oder Zink sind die üblichen Materialien.Dabei werden die Barren aus ausgewählten Materialien zunächst aufgeschmolzen und mit etwas Druck in die Matrize des Kühlkörpers gespritzt.Nachdem sich das eingespritzte flüssige Material in der Form verfestigt hat, wird es freigegeben, und es wird eine weitere minimale Bearbeitung durchgeführt, um jegliche Oberflächenfehler zu beseitigen.Es ist am besten, komplexe Formen mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu erhalten.

4.          Kaltes Schmieden

Kühlkörper aus Kaltschmieden

Es ist ein weiterer hochpräziser Fertigungsansatz für die für Aluminium und seine Legierungen geeigneten Kühlkörper.Es ist jedoch auch für Kupfer und Bronze anwendbar.Kaltschmieden verwendet extremen Druck und verformt die Metallform bei Raumtemperatur, um runde und elliptische Stifte für den Kühlkörper zu erzeugen.Darüber hinaus wird es zur Herstellung von Rippen mit hoher Dichte verwendet, die die Wärmeübertragung bei Luftströmungsbedingungen mit hoher Geschwindigkeit verbessern.

5.          3d Drucken

3D-gedruckter Kühlkörper

Die Entwicklung des 3D-Drucks als Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern resultiert aus dem technologischen Fortschritt.Pulverbettfusions- und gerichtete Energieabscheidungstechnologien sind die beiden beliebtesten Methoden zum Drucken von Kühlkörpern.

6.          Stempeln

Kühlkörper mit Kaltprägung hergestellt 

DerStempelnMethode wird verwendet, wenn es notwendig ist, die Wärmerohre innerhalb der Rippen zu konstruieren.Anschließend werden durch Pressen der Metallstreifen die Rippen hergestellt.In Fällen, in denen Hochgeschwindigkeits-Stanztechnologie verwendet wird, ist sie besonders effektiv für die Massenfertigung.Trotzdem ist der Preis hoch.

Abschluss

Kühlkörper sind in mechanischen, elektrischen und elektronischen Geräten unerlässlich.In diesem Artikel habe ich einen Überblick über den detaillierten Designprozess und die Herstellung von Elektronikgeräten gegeben.Das Design von Kühlkörpern beeinflusst stark die Wärmeableitungsrate, daher ist jeder Designschritt entscheidend, um die Leistung zu optimieren.Darüber hinaus hilft die thermische Simulation nach dem Design, das praktische Arbeitsszenario zu verstehen und das Design zu verbessern.

Hier bei ProleanHub haben wir Designer mit mehr als einem Jahrzehnt Erfahrung und fortschrittlichen Fertigungseinheiten.Wir bieten erstklassige Design- und Fertigungsdienstleistungen für Kühlkörper.Darüber hinaus simulieren unsere Maschinenbauingenieure das Design, um die Funktionalität und Leistung zu verbessern.Schließlich überwacht unsere Qualitätskontrollabteilung jeden Herstellungsschritt, sodass Sie bei unserer Servicequalität keine Kompromisse eingehen müssen, wenn Sie nur Kühlkörper herstellen müssenkontaktiere uns.

Häufig gestellte Fragen

Wie kann ich die Effizienz der Kühlkörper verbessern?

Die Effizienz kann auf verschiedene Weise gesteigert werden, einschließlich Verringern des Wärmewiderstands, Optimieren der Rippengröße, -form und -anordnung und Verbessern der Rippenschnittstelle.

Was ist das beste Material für Kühlkörper?

Die besten Materialien für Kühlkörper sind Kupfer- und Aluminiumlegierungen.Auch hier hängt die Wärmeübertragungsrate jedoch vom Design des Kühlkörpers ab.

Wie funktioniert der Kühlkörper?

Kühlkörper bestehen aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium mit Rippen.Es haftet an den erwärmten Bauteilen und nimmt die Wärme auf.Dann wird absorbierte Wärme durch Leitung, Konvektion oder Strahlung in die Umgebung abgegeben.

Was sind die Designschritte für Kühlkörper?

Hier sind die Schritte;

1. Materialauswahl
2. Festlegung von Form, Größe und Anordnung der Lamellen
3. Befestigung des Anbauteils ( Kühlkörper & Geräteteil)
4. Thermische Einbindung von Rippen
5. Thermische Simulation des CAD-Designs

Was sind die gängigen Fertigungsansätze für den Kühlkörper?

CNC-Bearbeitung, Gießen, Schmieden, Stanzen und 3D-Druck sind gängige Ansätze.