Lyhyt katsaus jäähdytyselementin suunnitteluun ja valmistukseen

Viimeisin päivitys:09/01;Lukuaika: 6 minuuttia

Jäähdytyselementti

Jäähdytyselementti on termodynaaminen laite, joka poistaa lämpöä mekaanisista, sähköisistä ja elektronisista järjestelmistä.Eri laitteissa ja koneissa on oleellista pitää lämpötila-alue tietyssä rajoissa, jotta laitteen tai koneen toimivuus säilyy.Tässä tulee jäähdytyselementtien rooli.Esimerkiksi kannettavan tietokoneen mojovien koneiden eri toimialoilla on haihdutettava lämpönsä.Joten ajattele kuinka laajasti sitä käytetään nykypäivän teknologiamaailmassa.Jäähdytysnielut haihduttavat lämpöä siirtämällä sen säädeltyyn väliaineeseen, kuten ilmaan tai nesteeseen, minkä jälkeen ne poistetaan laitteesta ja siirtoväliaineesta.

Tässä artikkelissa käydään lyhyesti läpijäähdytyslevyn työstäminen, suunnitteluvaiheet ja valmistusmenetelmät.

Jäähdytyslevyn toiminta

Lämmönsiirron Fourier-laki, jonka mukaan lämpö virtaa aina korkeasta lämpötilasta matalalämpötilaiseen väliaineeseen, tarjoaa perustan jäähdytyselementin toiminnalle.Vaikka laitteet tuottavat lämpöä, joka on kuumempaa kuin ympäröivä ilma tai neste, ne siirtävät tämän lämmön johtamalla, konvektiolla tai toisinaan säteilyllä viileämpään koskettimeen.

Katsotaanpa alla olevaa vuokaaviota saadaksesi selkeän kuvan jäähdytyselementin toiminnasta;

Vuokaavio jäähdytyslevyn työstämiseen

·   Passiiviset jäähdytyselementit

Passiiviset jäähdytyselementit siirtävät imeytyneen lämmön luonnollisesti ympäröivään ilmaan ilman pakkokonvektiota, kuten tuuletinta tai vedenkiertoa niiden ympärillä.Nämä ovat yleensä muodoltaan suuria ja sisältävät ulkoympäristölle alttiina olevan eväryhmän.

·   Aktiivinen jäähdytyselementti

Aktiivinen jäähdytyselementti koostuu ylimääräisestä tuulettimesta tai puhaltimesta ja nesteestä, joka on asetettu poistamaan lämpöä muulla kuin luonnollisella tavalla.Tämä lisäasetus lisää lämmönpoistoprosessia pakotetun konvektioprosessin avulla.Esimerkiksi kun puhallin toimii, se lisää ilman nopeutta ja siirtää nopeasti lämpöä jäähdytyselementistä ympäröivään ympäristöön.

Lämpövastuksen laskenta

Jäähdytyslevyn suunnittelun aikana lasketaan kokonaislämpövastus (R_hs) on tärkeä rooli mahdollisen suorituskyvyn ja tehokkuuden ymmärtämisessä, joten katsotaanpa, miten se voidaan laskea;

R_hs= (T_j-T_a/P) – (R_th-jc) – R_I

P = Kokonaislämpö

T_I= Laitteen maksimi liitoslämpötila 0C.

R_th-jc= Liitos koteloon lämpövastus

T_a= Ympäristön lämpötila klo⁰C.

R_I= Liitäntämateriaalin kestävyys

R_minä= (t/P x L x K_I)

t = rajapintamateriaalin paksuus

K_I=Rajapintamateriaalin lämmönjohtavuus

L = Lämmönlähteen pituus

W = Lämmönlähteen leveys

Jäähdytyslevyn suunnittelu

Suunnittelussa on useita vaiheita.Tarkastellaanpa kutakin niistä lyhyesti.

1.          Materiaalin valinta

Lämmönjohtavuus on yksi jäähdytyselementin materiaalin olennaisista ominaisuuksista, koska se mahdollistaa lämmön nopean siirtymisen lämmitetystä laitekomponentista nieluun ja ympäristöön.

Kaksi ensisijaista materiaalia, joita käytetään jäähdytyselementtien valmistukseen, ovat kupari ja alumiiniseokset.Tämä johtuu siitä, että niillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus, korroosionkestävyys, kestävyys ja korkea lämmönjohtavuus.Vaikka timantti (2 000 W/m/k) on melko kallis, se voi kuitenkin olla ihanteellinen materiaali korkean suorituskyvyn ja tarkkojen elektronisten laitteiden jäähdytyslevyille.

Elektroniikkaosien lisäksi litiumioniakut tuottavat lämmönpoistoa.Tällaisessa tilanteessa kupari tai alumiini eivät välttämättä ole optimaaliset materiaalit jäähdytyselementille.

Autoteollisuuden ratkaisu lämmönhallintaan on upeampi johtavuus hiilikuitumateriaali.

2.          Evien järjestely ja ilmavirtaus

Toinen jäähdytyselementin suorituskykyyn vaikuttava tekijä on jäähdytysneste, joka vaikuttaa merkittävästi lämmönpoistonopeuteen.Siksi jäähdytyselementtiä rakennettaessa muoto, koko ja evien järjestely ovat tärkeitä näkökohtia, jotka on otettava huomioon.Parametrisen optimointitekniikan käyttäminen on paras tapa löytää ihanteelliset parametriarvot, jotka vastaavat ilmoitettuja rajoituksia ja saavuttavat suunnittelutavoitteet.

• Paranna evien välistä tilaa ilmavirran parantamiseksi ja lämmönvastuksen vähentämiseksi.

• Koska suurempi pinta-ala lisää johtumis- ja konvektiolämmönsiirtoa, mikä edistää lämmön haihtumista, harkitse paksuuden ja korkeuden lisäämistä.

• Luo pienempi lämpörajakerros, ja ilmavirran suunta suunniteltiin ihanteelliseen kulmaan jäähdytyselementin kanssa ripojen tehokkuuden lisäämiseksi.

• Valmisteltuasi siivekkeiden suunnittelun CAD:llä voit simuloida lämmönsiirtoskenaariota sen tehokkuuden optimoimiseksi.

3.          Jäähdytyslevyn kiinnitys

Tapa, jolla pesuallas on kytketty laitteen lämmityselementtiin, vaikuttaa myös sen toimivuuteen.Valitse paras liitäntämenetelmä, joka maksimoi lämmönsiirtonopeuden erotusvälikappaleista, litteistä jousiklipsiistä, epoksi- ja lämpöteippivaihtoehdoista.

4.          Lämpöliitäntä

Jäähdytyslevyn viat ja pinnan karheus lisäävät lämpövastusta, koska lämpökosketuspinta-ala ja rajapintapaine pienenevät.Tämän ongelman ratkaisemiseksi lämpörajapintamateriaalit ovat paras valinta.Nestemäisten polymeerien, vahan, alumiinin, grafiitin ja teippien käyttö jäähdytyslevyn ja laitteiden lämmityselementin pinnalla alentaa lämpövastusta.

5.          Simulointi

Suunnittelun simulointi on tärkeää, jotta jäähdytyselementin suorituskyky voidaan nähdä virtuaalisesti.Tietokonesimulaatio antaa idean parannuksesta ja vahvistaa suunnittelun, sopiiko se vaadittuihin sovelluksiin vai ei.

Jäähdytyslevyn valmistusprosessi

Jäähdytyslevyjen suunnittelun lämpösimuloinnin jälkeen se on nyt käännetty tuotantoon.Katsotaanpa eri valmistusprosessit yksityiskohtaisesti;

1.          CNC-koneistus

CNC-koneistettu jäähdytyslevy

CNC-työstöon paras tapa monimutkaisten muotojen jäähdytyselementtien valmistukseen.Tämä lähestymistapa antaa suunnittelijoille paljon joustavuutta.Altaan luomiseen käytetään kokonaista metallilohkoa, jossa tarvittavat rivat leikataan CNC-koneilla ja taivutetaan lohkon pohjasta.Se on kuitenkin aikaa vievä ja kallis menetelmä.

2.          Ekstruusio

Yksi yleisimmistä prosesseista jäähdytyslevyjen valmistuksessa onekstruusio, joka sisältää sitkeiden materiaalien kuumien aihioiden puristamisen erittäin lujaan teräsmuottiin levyrivien luomiseksi.Niitä käytetään useimmissa jäähdytyssovelluksissa, joissa käytetään alumiinisia jäähdytyslevyjä.Alumiini on tietysti yleisimmin käytetty materiaali jäähdytyselementtien valmistuksessa.

Extrusionilla valmistettu jäähdytyslevy 

Se on halpa ja suoraviivainen menettely.Jäähdytyslevyjä voidaan käyttää erilaisissa käyttöympäristöissä.Suurimman pursotusleveyden rajoituksen vuoksi sitä ei kuitenkaan voida käyttää jäähdytyslevyjen kanssa, joissa on leveät siivekkeet.

3.          Valu

Castingilla valmistettu jäähdytyselementti

Vuonnavalujäähdytyslevystä,alumiini, kupari tai sinkki ovat yleisiä materiaaleja.Tässä prosessissa valittujen materiaalien harkot ensin sulatetaan ja ruiskutetaan jäähdytyslevyn suuttimeen pienellä paineella.Kun ruiskutettu nestemäinen materiaali on jähmettynyt suulakkeessa, se vapautuu, ja lisätyöstöä tehdään mahdollisimman vähän pinnan epätäydellisyyksien poistamiseksi.On parasta saada monimutkaisia ​​muotoja suurella tarkkuudella.

4.          Kylmätaonta

Jäähdytyslevy valmistettu kylmätakomalla

Se on toinen erittäin tarkka valmistusmenetelmä alumiinille ja sen seoksille soveltuville jäähdytyslevyille.Kuitenkin se soveltuu myös kuparille ja pronssille.Kylmätaonta käyttää äärimmäistä painetta ja muuttaa metallin muotoa huoneenlämmössä pyöreiden ja elliptisten tappien muodostamiseksi jäähdytyselementille.Lisäksi sitä käytetään korkean tiheyden omaavien evien valmistukseen, mikä parantaa lämmönsiirtoa nopeissa ilmavirran olosuhteissa.

5.          3D-tulostus

3D-tulostettu jäähdytyslevy

3D-tulostuksen kehitys jäähdytyselementtien valmistusmenetelmäksi johtui tekniikan kehityksestä.Jauhepetifuusio- ja suunnatun energiapinnoitustekniikat ovat kaksi suosituinta menetelmää jäähdytyselementtien painamisessa.

6.          Leimaaminen

Jäähdytyslevy valmistettu kylmäleimauksella 

Theleimaaminenmenetelmää käytetään silloin, kun lämpöputket on rakennettava evien sisään.Sitten metalliliuskoja puristamalla valmistetaan evät.Tapauksissa, joissa käytetään nopeaa leimaustekniikkaa, se on erityisen tehokas massavalmistuksessa.Siitä huolimatta hinta on korkea.

Johtopäätös

Jäähdytyslevyt ovat välttämättömiä mekaanisissa, sähköisissä ja elektronisissa laitteissa.Tässä artikkelissa olen käsitellyt yksityiskohtaista suunnitteluprosessia ja elektroniikkalaitteisiin keskittyvää valmistusta.Jäähdytyslevyjen suunnittelu vaikuttaa voimakkaasti lämmönpoistonopeuteen, joten jokainen suunnitteluvaihe on ratkaisevan tärkeä suorituskyvyn optimoimiseksi.Lisäksi suunnittelun jälkeinen lämpösimulaatio auttaa ymmärtämään käytännön työskenaariota ja parantamaan suunnittelua.

Täällä ProleanHubissa meillä on suunnittelijoita yli vuosikymmenen kokemuksella ja edistyneitä tuotantoyksiköitä.Tarjoamme huippuluokan jäähdytyselementtien suunnittelu- ja valmistuspalveluita.Lisäksi koneinsinöörimme simuloivat suunnittelua parantaakseen toimivuutta ja suorituskykyä.Lopuksi laadunvalvontaosastomme valvoo jokaista valmistusvaihetta, joten sinun ei tarvitse tinkiä palvelumme laadusta, jos tarvitset jäähdytyselementin valmistusta,ota meihin yhteyttä.

FAQ:t

Kuinka voin parantaa jäähdytyselementtien tehokkuutta?

Tehoa voidaan lisätä useilla tavoilla, kuten pienentämällä lämmönkestävyyttä, optimoimalla evien kokoa, muotoa ja järjestelyä sekä parantamalla evien rajapintaa.

Mikä on paras materiaali jäähdytyslevyille?

Parhaat materiaalit jäähdytyslevyille ovat kupari ja alumiiniseokset.Jälleen kuitenkin lämmönsiirtonopeus riippuu jäähdytyselementin suunnittelusta.

Miten jäähdytyselementti toimii?

Jäähdytyslevyt on valmistettu korkean lämmönjohtavuuden materiaaleista, kuten kuparista ja alumiinista, ja niissä on rivat.Se kiinnittyy kuumennettuihin osiin ja imee lämpöä.Sitten absorboitunut lämpö haihtuu ympäröivään ympäristöön johtumisen, konvektion tai säteilyn kautta.

Mitkä ovat jäähdytyslevyjen suunnitteluvaiheet?

Tässä ovat vaiheet;

1. Materiaalin valinta
2. evien muodon, koon ja järjestelyn kiinnitys
3. Kiinnityksen kiinnitys (jäähdytyselementti ja laitekomponentti)
4. Rivien lämpöliitäntä
5. CAD-suunnittelun lämpösimulaatio

Mitkä ovat jäähdytyslevyn yleiset valmistusmenetelmät?

CNC-työstö, valu, taonta, leimaaminen ja 3D-tulostus ovat yleisiä lähestymistapoja.