บทวิจารณ์สั้น ๆ เกี่ยวกับการออกแบบและการผลิตฮีตซิงก์

อัพเดทล่าสุด:09/01;เวลาอ่าน 6 นาที

แผงระบายความร้อน

แผ่นระบายความร้อนเป็นอุปกรณ์ทางอุณหพลศาสตร์ที่ขจัดความร้อนออกจากระบบเครื่องกล ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ในอุปกรณ์และเครื่องจักรต่างๆ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องรักษาช่วงอุณหภูมิให้อยู่ภายในขีดจำกัดเฉพาะเพื่อรักษาการทำงานของอุปกรณ์หรือเครื่องจักรนั้นๆบทบาทของฮีตซิงก์เข้ามามีบทบาทที่นี่ตัวอย่างเช่น เครื่องจักรขนาดใหญ่ของแล็ปท็อปในอุตสาหกรรมต่างๆ จำเป็นต้องระบายความร้อนดังนั้นลองคิดดูว่ามันใช้กันอย่างแพร่หลายในโลกของเทคโนโลยีปัจจุบันมากเพียงใดแผ่นระบายความร้อนกระจายความร้อนโดยถ่ายโอนไปยังตัวกลางควบคุม เช่น อากาศหรือของเหลว จากนั้นจึงไล่ออกจากอุปกรณ์และตัวกลางถ่ายโอน

บทความนี้จะกล่าวถึงโดยสังเขปการทำงานของฮีตซิงก์ ขั้นตอนการออกแบบ และวิธีการผลิต

การทำงานของฮีตซิงก์

กฎการถ่ายเทความร้อนของฟูริเยร์ ซึ่งระบุว่าความร้อนจะไหลจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงไปยังตัวกลางที่มีอุณหภูมิต่ำเสมอ เป็นรากฐานสำหรับการทำงานของฮีตซิงก์ในขณะที่อุปกรณ์ต่างๆ ก่อให้เกิดความร้อน ซึ่งร้อนกว่าอากาศหรือของเหลวที่อยู่รอบๆ พวกมันถ่ายเทความร้อนนั้นด้วยการนำ การพา การแผ่รังสี หรือบางครั้งการแผ่รังสีไปยังหน้าสัมผัสที่เย็นกว่า

ลองดูผังงานด้านล่างเพื่อดูภาพการทำงานของแผงระบายความร้อนที่ชัดเจน

ผังงานการทำงานของแผ่นระบายความร้อน

·   แผงระบายความร้อนแบบพาสซีฟ

แผงระบายความร้อนแบบพาสซีฟจะถ่ายโอนความร้อนที่ดูดซับไปยังอากาศโดยรอบโดยธรรมชาติโดยไม่มีการพาความร้อน เช่น พัดลมหรือการไหลเวียนของน้ำรอบตัวเหล่านี้มักจะมีรูปร่างขนาดใหญ่และมีครีบอาร์เรย์ที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอก

·   แผ่นระบายความร้อนที่ใช้งานอยู่

ชุดระบายความร้อนแบบแอคทีฟประกอบด้วยพัดลมหรือโบลเวอร์เสริมและของเหลวที่ตั้งค่าไว้เพื่อระบายความร้อนด้วยวิธีอื่นนอกเหนือจากวิธีธรรมชาติการตั้งค่าเพิ่มเติมนี้จะเพิ่มกระบวนการกระจายความร้อนโดยกระบวนการพาความร้อนแบบบังคับตัวอย่างเช่น เมื่อพัดลมทำงาน พัดลมจะเพิ่มความเร็วลมและถ่ายเทความร้อนจากฮีตซิงก์ไปยังสิ่งแวดล้อมโดยรอบอย่างรวดเร็ว

การคำนวณความต้านทานความร้อน

ในระหว่างการออกแบบฮีตซิงก์ การคำนวณความต้านทานความร้อนรวม (R_hs) มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจประสิทธิภาพและประสิทธิภาพที่เป็นไปได้ ดังนั้นมาดูกันว่าคำนวณได้อย่างไร

R_ฮ= (ต_j-T_a/ป) – (ร_th-jc) – ร_I

P = ความร้อนที่กระจายออกไปทั้งหมด

T_I= อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุดของอุปกรณ์ที่ 0C

R_th-jc= จุดต่อเข้ากับตัวต้านทานความร้อนของเคส

T_a= อุณหภูมิอากาศแวดล้อมที่⁰C.

R_I= ความต้านทานของวัสดุเชื่อมต่อ

R_ฉัน= (t/L x กว้าง x K_I)

t = ความหนาของวัสดุเชื่อมต่อ

K_I=การนำความร้อนของวัสดุเชื่อมต่อ

L = ความยาวของแหล่งความร้อน

W = ความกว้างของแหล่งความร้อน

การออกแบบฮีตซิงก์

มีหลายขั้นตอนในการออกแบบลองพิจารณาแต่ละข้อโดยสังเขป

1.          การเลือกใช้วัสดุ

การนำความร้อนเป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญของวัสดุฮีตซิงก์ เนื่องจากช่วยให้สามารถส่งผ่านความร้อนจากส่วนประกอบของอุปกรณ์ที่ทำความร้อนไปยังซิงก์และสิ่งแวดล้อมได้อย่างรวดเร็ว

วัสดุหลักสองชนิดที่ใช้ทำฮีตซิงก์คือทองแดงและโลหะผสมอลูมิเนียมเนื่องจากมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม เช่น ความแข็งแรง ความทนทานต่อการกัดกร่อน ความทนทาน และการนำความร้อนสูงอย่างไรก็ตาม แม้ว่ามันจะค่อนข้างแพง แต่เพชร (2,000 วัตต์/เมตร/กิโลวัตต์) ก็สามารถเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับแผงระบายความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูงและแม่นยำ

นอกจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังผลิตการกระจายความร้อนที่จำเป็นอีกด้วยในสถานการณ์เช่นนี้ ทองแดงหรืออะลูมิเนียมอาจไม่ใช่วัสดุที่เหมาะสมสำหรับฮีตซิงก์

โซลูชันของอุตสาหกรรมยานยนต์สำหรับการจัดการความร้อนคือวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมกว่า

2.          การจัดเรียงครีบและการไหลเวียนของอากาศ

อีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของฮีตซิงก์คือสารหล่อเย็น ซึ่งส่งผลต่ออัตราการระบายความร้อนอย่างมากดังนั้นเมื่อสร้างฮีตซิงก์ รูปร่าง ขนาด และการจัดเรียงครีบจึงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาการใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพแบบพาราเมตริกคือตัวเลือกที่ดีที่สุดในการค้นหาค่าพารามิเตอร์ในอุดมคติเพื่อให้ตรงกับข้อจำกัดที่ระบุไว้และบรรลุเป้าหมายการออกแบบ

• ปรับปรุงช่องว่างระหว่างครีบเพื่อปรับปรุงการไหลเวียนของอากาศและลดความต้านทานความร้อน

• เนื่องจากพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นจะเพิ่มการนำความร้อนและการพาความร้อนถ่ายเท ช่วยในการกระจายความร้อน ควรพิจารณาเพิ่มความหนาและความสูง

• สร้างชั้นขอบเขตความร้อนที่เล็กลง และทิศทางการไหลของอากาศได้รับการออกแบบในมุมที่เหมาะสมกับฮีตซิงก์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพครีบ

• หลังจากเตรียมการออกแบบครีบด้วย CAD แล้ว คุณสามารถจำลองสถานการณ์การถ่ายเทความร้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพได้

3.          การติดแผ่นระบายความร้อน

วิธีที่ซิงก์เชื่อมต่อกับองค์ประกอบความร้อนของอุปกรณ์ยังส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานอีกด้วยเลือกวิธีการเชื่อมต่อที่ดีที่สุดเพื่อเพิ่มอัตราการส่งผ่านความร้อนสูงสุดจากตัวเว้นระยะแบบสแตนด์อฟ คลิปสปริงแบบแบน อีพ็อกซี่ และตัวเลือกเทปกันความร้อน

4.          อินเทอร์เฟซการระบายความร้อน

ข้อบกพร่องและความขรุขระของพื้นผิวของตัวระบายความร้อนมีบทบาทในการเพิ่มความต้านทานความร้อนเนื่องจากการลดลงของพื้นที่สัมผัสความร้อนและแรงดันส่วนต่อประสานเพื่อแก้ไขปัญหานี้ วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนจึงเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดการใช้โพลิเมอร์เหลว ขี้ผึ้ง อะลูมิเนียม กราไฟต์ และเทปบนพื้นผิวของฮีตซิงก์และองค์ประกอบความร้อนของอุปกรณ์จะลดความต้านทานความร้อนลง

5.          การจำลอง

การจำลองการออกแบบมีความสำคัญในการดูประสิทธิภาพของฮีตซิงก์แบบเสมือนจริงการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ให้แนวคิดในการปรับปรุงและยืนยันการออกแบบว่าเหมาะสมกับการใช้งานที่ต้องการหรือไม่

กระบวนการผลิตฮีตซิงก์

หลังจากจำลองการออกแบบฮีตซิงก์ระบายความร้อนแล้ว ตอนนี้ก็เข้าสู่การผลิตแล้วเรามาดูรายละเอียดกระบวนการผลิตต่างๆ

1.          CNC-เครื่องจักรกล

แผ่นระบายความร้อนทำด้วยเครื่องจักร CNC

เครื่องจักรซีเอ็นซีเป็นแนวทางที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตแผ่นระบายความร้อนสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อนวิธีการนี้ทำให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นมากโลหะทั้งบล็อกถูกใช้เพื่อสร้างอ่างล้างจาน โดยครีบที่ต้องการจะถูกตัดด้วยเครื่อง CNC และงอจากฐานของบล็อกอย่างไรก็ตามเป็นวิธีที่ใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง

2.          การอัดขึ้นรูป

หนึ่งในกระบวนการทั่วไปในการผลิตแผ่นระบายความร้อนคือการอัดขึ้นรูปซึ่งเกี่ยวข้องกับการกดเหล็กแท่งร้อนของวัสดุเหนียวลงในแม่พิมพ์เหล็กกล้ากำลังสูงเพื่อสร้างครีบเพลทใช้สำหรับการระบายความร้อนส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับอ่างความร้อนอลูมิเนียมแน่นอนว่าอลูมิเนียมเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตฮีตซิงก์

แผ่นระบายความร้อนทำด้วย Extrusion 

เป็นขั้นตอนที่ไม่แพงและตรงไปตรงมาแผ่นระบายความร้อนสามารถใช้ได้ในสภาพแวดล้อมการทำงานที่หลากหลายอย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดด้านความกว้างของการอัดรีดสูงสุด จึงไม่สามารถใช้กับฮีตซิงก์ที่มีครีบกว้างได้

3.          การคัดเลือกนักแสดง

แผ่นระบายความร้อนทำด้วย Casting

ในการคัดเลือกนักแสดงของฮีตซิงก์,อลูมิเนียมทองแดงหรือสังกะสีเป็นวัสดุทั่วไปในกระบวนการนี้ แท่งวัสดุที่เลือกจะถูกหลอมและฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ของฮีตซิงก์ก่อนด้วยแรงดันเล็กน้อยหลังจากที่วัสดุของเหลวที่ฉีดเข้าไปแข็งตัวในแม่พิมพ์แล้ว มันจะถูกปล่อยออกมา และจะมีการตัดเฉือนขั้นต่ำเพิ่มเติมเพื่อขจัดความไม่สมบูรณ์ของพื้นผิวใดๆเป็นการดีที่สุดที่จะได้รูปทรงที่ซับซ้อนและมีความแม่นยำสูง

4.          การตีขึ้นรูปเย็น

แผ่นระบายความร้อนทำด้วยแม่พิมพ์ขึ้นรูปเย็น

เป็นอีกแนวทางการผลิตที่มีความแม่นยำสูงสำหรับฮีตซิงก์ที่เหมาะกับอะลูมิเนียมและโลหะผสมแม้ว่าจะใช้ได้กับทองแดงและทองแดงการตีขึ้นรูปแบบเย็นใช้แรงกดที่รุนแรงและทำให้รูปร่างของโลหะผิดรูปที่อุณหภูมิห้องเพื่อสร้างหมุดกลมและวงรีสำหรับฮีตซิงก์นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตครีบที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งจะช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนในสภาวะการไหลของอากาศความเร็วสูง

5.          การพิมพ์สามมิติ

ระบายความร้อนด้วยการพิมพ์ 3 มิติ

การพัฒนาการพิมพ์ 3 มิติเป็นวิธีการผลิตฮีตซิงก์ซึ่งเป็นผลมาจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีฟิวชั่นเบดผงและเทคโนโลยีการสะสมพลังงานโดยตรงเป็นสองวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในการพิมพ์ฮีตซิงก์

6.          ปั๊ม

แผ่นระบายความร้อนทำด้วย Cold Stamping 

เดอะปั๊มวิธีการนี้ใช้เมื่อจำเป็นต้องสร้างท่อความร้อนภายในครีบจากนั้นโดยการกดแถบโลหะครีบจะถูกสร้างขึ้นในกรณีที่ใช้เทคโนโลยีการปั๊มขึ้นรูปด้วยความเร็วสูง จะมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษสำหรับการผลิตจำนวนมากอย่างไรก็ตามราคาก็สูง

บทสรุป

แผ่นระบายความร้อนเป็นสิ่งจำเป็นในอุปกรณ์เครื่องกล ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ในบทความนี้ ฉันได้กล่าวถึงภาพรวมของขั้นตอนการออกแบบโดยละเอียดและการผลิตที่เน้นไปที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การออกแบบฮีตซิงก์มีอิทธิพลอย่างมากต่ออัตราการระบายความร้อน ดังนั้นแต่ละขั้นตอนการออกแบบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องปฏิบัติตามเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานนอกจากนี้ การจำลองความร้อนหลังการออกแบบช่วยให้เข้าใจสถานการณ์การทำงานจริงและปรับปรุงการออกแบบ

ที่ ProleanHub เรามีนักออกแบบที่มีประสบการณ์มากกว่าทศวรรษและหน่วยการผลิตขั้นสูงเราให้บริการออกแบบและผลิตแผ่นระบายความร้อนชั้นยอดนอกจากนี้ วิศวกรเครื่องกลของเราได้จำลองการออกแบบเพื่อปรับปรุงการทำงานและประสิทธิภาพสุดท้าย แผนกควบคุมคุณภาพของเราจะตรวจสอบแต่ละขั้นตอนการผลิต ดังนั้นคุณจึงไม่ต้องประนีประนอมกับคุณภาพการบริการของเรา หากคุณต้องการผลิตแผ่นระบายความร้อน เพียงติดต่อเรา.

คำถามที่พบบ่อย

ฉันจะปรับปรุงประสิทธิภาพของฮีตซิงก์ได้อย่างไร

สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้หลายวิธี ได้แก่ การลดความต้านทานความร้อน ปรับขนาด รูปร่าง และการจัดเรียงของครีบให้เหมาะสม และปรับปรุงอินเทอร์เฟซครีบ

วัสดุที่ดีที่สุดสำหรับฮีตซิงก์คืออะไร?

วัสดุที่ดีที่สุดสำหรับฮีตซิงก์คือโลหะผสมทองแดงและอะลูมิเนียมอย่างไรก็ตาม อัตราการถ่ายเทความร้อนขึ้นอยู่กับการออกแบบฮีตซิงก์

แผงระบายความร้อนทำงานอย่างไร?

ฮีตซิงก์ทำจากวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียมพร้อมครีบมันติดอยู่กับส่วนประกอบที่ร้อนและดูดซับความร้อนจากนั้นความร้อนที่ดูดซับจะกระจายไปในสภาพแวดล้อมโดยรอบผ่านการนำ การพา การพา หรือการแผ่รังสี

ขั้นตอนการออกแบบฮีตซิงก์มีอะไรบ้าง?

นี่คือขั้นตอน

1. การเลือกใช้วัสดุ
2. การกำหนดรูปร่าง ขนาด และการจัดเรียงของครีบ
3. การแก้ไขสิ่งที่แนบมา (ตัวระบายความร้อนและส่วนประกอบของอุปกรณ์)
4. การเชื่อมต่อความร้อนของครีบ
5. การจำลองความร้อนของการออกแบบ CAD

แนวทางการผลิตทั่วไปสำหรับฮีตซิงก์คืออะไร?

การใช้เครื่องจักร CNC การหล่อ การปลอม การปั๊ม และการพิมพ์ 3 มิติเป็นวิธีการทั่วไป