De basisprincipes van koellichamen:hoe werken ze?

U hoeft geen MIT-afgestudeerde te zijn om te weten dat elektronische apparaten en machines tijdens het gebruik warmte genereren. Zonder toezicht kan deze situatie er snel toe leiden dat het apparaat oververhit raakt, waardoor het defect raakt. Dan kan deze storing, tenzij u snel genoeg reageert, tot blijvende schade leiden.

Om oververhitting te voorkomen, bevatten de meeste apparaten koellichamen, componenten die verantwoordelijk zijn voor het warmtebeheer in het apparaat. Ze werken door warmte af te voeren van vitale delen van de machine of een apparaat, zoals de centrale verwerkingseenheid (CPU), waardoor deze koel en functionerend blijft.

Interessant is dat, hoewel ze een cruciale rol spelen bij het correct laten werken van uw elektronische apparaten, koellichamen vaak over het hoofd worden gezien, waarschijnlijk vanwege hun vrij kleine formaat. Als je meer wilt weten over deze wonderbaarlijke componenten, biedt deze gids je alle essentiële informatie die je nodig hebt om te begrijpen wat koellichamen zijn en hoe ze werken.

Laten we er meteen induiken (bedoelde woordspeling).

Wat is een koellichaam?

Laten we beginnen met in meer detail uit te leggen wat een koellichaam is. In eenvoudige bewoordingen is het een onderdeel dat werkt als een passieve warmtewisselaar en de temperatuur van een mechanisch of elektronisch apparaat regelt.

Het doet dat door het werkoppervlak van het apparaat te vergroten en de warmte van een warmtegenererend onderdeel over te brengen naar een vloeistof met een lage temperatuur. Op deze manier wordt de warmte van het apparaat afgevoerd, zodat het werkt zonder oververhitting.

Vanwege hun fantastische koeleigenschappen worden koellichamen in tal van industrieën gebruikt, waaronder CNC-bewerkingscentra. Meestal worden ze gebruikt om computercomponenten te koelen - meestal een CPU en GPU - en vermogenstransistors of lasers.

Hoe worden koellichamen gebouwd?

De behoefte aan een groter oppervlak is van grote invloed op de manier waarop koellichamen worden gebouwd. Een typisch koellichaam bestaat uit een basis die is verbonden met zeer smalle vinnen of pinnen. Op die manier kunnen koellichamen zoveel mogelijk oppervlak in een specifiek volume passen.

De grootte en vorm van de vinnen variëren echter tussen verschillende koellichamen. Bovendien hebben ze een aanzienlijke invloed op de prestaties van het koellichaam. We kunnen onderscheid maken tussen:

• Vin-vin koellichamen. Dergelijke koellichamen hebben pennen die zich vanaf hun basis uitstrekken. Ze hebben het grootste oppervlak van de verschillende soorten koellichamen en werken het beste in gevallen met een lage luchtstroom. De pinnen hebben meestal een cilindrische, elliptische of vierkante vorm.
• Koellichamen met plaatvin. Een koellichaam met plaatvin heeft rechthoekige vinnen die zich vanaf de basis uitstrekken. Dergelijke koellichamen komen vaker voor dan pin-fin-systemen en werken het beste met unidirectionele luchtstroom.
• Uitlopende koellichamen. Flared-fin-systemen zijn een variatie op plaatvin-koellichamen. Ze hebben een uitlopende vinopstelling (vandaar de naam) die de stromingsweerstand vermindert.

Sommige koellichamen hebben ook ventilatoren en ventilatoren. Dit worden actieve koellichamen genoemd. We zullen er later in het artikel meer over vertellen.

Hoe werkt een koellichaam?

Koellichamen gebruiken een thermische geleider die warmte wegvoert van de warmtebron en deze naar het oppervlak trekt, dat vervolgens in contact komt met de koellucht of -vloeistof. Het hele proces omvat vier basisstappen:

1. De bron genereert warmte. De bron kan elk systeem zijn dat warmte genereert tijdens het gebruik en koeling nodig heeft voor een goede werking. Het kan een mechanisch, elektrisch, chemisch, nucleair, zonne- of wrijvingssysteem zijn.
2. Warmte wordt weggeleid van de bron. Door natuurlijke geleiding verplaatst warmte zich naar het koellichaam en weg van de bron. Dit proces houdt rechtstreeks verband met de thermische geleidbaarheid van het materiaal van het koellichaam. Dat is de reden waarom materialen zoals aluminium of koper vaak worden gebruikt om koellichamen te bouwen. Ze hebben hoge thermische geleidbaarheidseigenschappen.
3. De warmte wordt door het koellichaam verdeeld. Warmte zal dan door het koellichaam reizen en van een omgeving met hoge temperatuur naar een omgeving met lage temperatuur gaan. Wat het betekent voor het koellichaam is dat het warmteprofiel niet consistent zal zijn. Daarom zijn koellichamen doorgaans heter naar de bron en koeler naar hun uiteinden toe.
4. Het koellichaam voert warmte af. De laatste stap houdt in dat warmte zich van het koellichaam verwijdert. Het is sterk afhankelijk van de temperatuurgradiënt van de gootsteen en de koelvloeistof (meestal lucht of elektrisch geleidende vloeistof). De vloeistof stroomt over het oppervlak van het koellichaam en voert warmte af naar de omgeving door gebruik te maken van thermische diffusie en convectie. Wat hier belangrijk is om op te merken, is dat als de omgevingstemperatuur niet koeler is dan het koellichaam, de gootsteen geen warmte zal afvoeren.

De verschillende soorten koellichamen

Als we het hebben over koellichamen, onderscheiden we drie basistypen koellichamen:passief, actief en hybride. Hieronder meer over hen.

Passieve koellichamen

Passieve koellichamen zijn afhankelijk van natuurlijke convectie. Dat betekent dat alleen het drijfvermogen van hete lucht een luchtstroom over het oppervlak van het koellichaam genereert. Daarom hebben passieve koellichamen geen secundaire stroom- of regelsystemen nodig bij het verwijderen van warmte. Aan de andere kant zijn ze niet zo efficiënt en effectief in het overdragen van warmte van een systeem als actieve koellichamen.

Actieve koellichamen

In tegenstelling tot passieve koellichamen, zijn actieve koellichamen niet alleen afhankelijk van natuurlijke convectie. Ze gebruiken geforceerde lucht om de vloeistofstroom over het verwarmde gebied te vergroten. Ze doen dat met behulp van een ventilator, blazer of een hele objectbeweging.

Een typisch voorbeeld van hoe een actief koellichaam werkt, is de ventilator in uw pc die aangaat wanneer uw computer warm begint te worden. De ventilator dwingt lucht om over het koellichaam te stromen, waardoor onverwarmde lucht over het oppervlak kan bewegen. Hierdoor neemt de totale thermische gradiënt door het hele koellichaamsysteem toe, waardoor meer warmte uit het apparaat wordt afgevoerd.

Hybride koellichamen

Zoals de naam al doet vermoeden, combineren hybride koellichamen de eigenschappen van passieve en actieve koellichamen. Interessant is dat hybride systemen niet zo populair zijn als passieve of actieve koellichamen. Ze vertrouwen ook vaak op speciale besturingssystemen om het apparaat te koelen op basis van specifieke temperatuurvereisten.

Wanneer het systeem op lagere temperatuurniveaus werkt, blijft de bron van geforceerde lucht (een ventilator of een blazer) inactief, waardoor het systeem passief wordt gekoeld. Het actieve systeem begint pas te werken wanneer het apparaat hogere temperaturen begint te bereiken, waardoor de koelcapaciteit van het koellichaam tijdens het proces toeneemt.

Welke materialen worden gebruikt om koellichamen te maken?

Zoals gezegd, moet het materiaal van het koellichaam een ​​natuurlijke thermische geleidbaarheid bieden. Dat is de reden waarom koellichamen meestal worden geproduceerd met aluminium of koper, waarbij het materiaal wordt bepaald door de toepassing, warmte-intensiteit, productiemethode en budget.

• Aluminium. Doorgaans gebruiken fabrikanten van koellichamen aluminium 1050, 6060, 6061 of 6063. De eerste is zeer thermisch geleidend maar mist sterkte, terwijl de overige drie minder bevorderlijk zijn maar sterkere mechanische eigenschappen bieden. Wat de kostenefficiëntie betreft, worden de meest betaalbare koellichamen geproduceerd met behulp van een aluminiumlegering.
• Koper. Koper zorgt voor een uitstekende thermische geleidbaarheid. Het is inderdaad twee keer zo bevorderlijk als aluminium. Bovendien is het corrosiebestendig, antimicrobieel bestendig en biedt het andere gewenste eigenschappen. Dat is de reden waarom koperen koellichamen als high-end worden beschouwd, omdat ze duurder zijn dan aluminium koellichamen en over het algemeen moeilijker te produceren zijn.

Hoe worden koellichamen gemaakt?

De fabricage van koellichamen omvat verschillende processen en productietechnologieën, zoals aluminium extrusie, spuitgieten of CNC-frezen. Ze worden meestal vervaardigd met:

• Frezen. Frezen is het subtractieve proces van het snijden van materiaal van een onbewerkt werkstuk. Het is ook een betaalbare manier om sneller koellichamen te produceren.
• Extrusie. Het is het proces waarbij hete metalen knuppels door een stalen matrijs worden gedwongen. Extrusie is de meest gebruikelijke manier bij het maken van koellichamen, omdat het als snel, effectief en daarom zuiniger wordt beschouwd.
• Casting. Gieten omvat het gieten van gesmolten metaal in een mal en is een andere populaire manier om zowel koperen als aluminium koellichamen te maken. Dergelijke koellichamen zijn complexer en bieden verbeterde mechanische eigenschappen.
• Skiën. Ook wel bekend als afbranden, is skiving een proces waarbij materiaal in plakjes wordt gesneden. Skiving wordt meestal gebruikt bij het produceren van koellichamen met plaatvin en wijd uitlopende vin, waardoor de vin dunner en nauwkeuriger wordt geplaatst.
• 3D-printen. 3D-geprinte koellichamen zijn een levensvatbaar alternatief geworden voor hun traditioneel geproduceerde tegenhangers. De belangrijkste reden daarvoor is de recente vooruitgang in de productie van koperadditieven, waardoor 3D-printen een meer betaalbare methode is geworden bij het maken van koellichamen.

Welke factoren zijn van invloed op de prestaties van het koellichaam?

Verschillende factoren kunnen van invloed zijn op hoe een koellichaam presteert en of het de warmte van een bepaald onderdeel (bijvoorbeeld een CPU of GPU) effectief kan afvoeren. Deze variabelen zijn:

• De grootte van het koellichaam,
• De thermische geleidbaarheid van het materiaal van het koellichaam (aluminium versus koper),
• De vorm, het volume en de plaatsing van de vinnen,
• De luchtstroomsnelheid,
• De grootte van de kanalen tussen de vinnen.

De prestaties kunnen ook afhangen van het type koellichaam. Actieve koellichamen worden als effectiever beschouwd en daarom worden ze meestal gebruikt in apparaten die sneller moeten worden gekoeld.

Belangrijkste afhaalrestaurants

Hopelijk heb je na het lezen van onze gids een beter begrip van hoe belangrijk koellichamen zijn en hoe ze werken. Ze zijn misschien klein van formaat, maar hun impact op de prestaties van een elektrisch of mechanisch apparaat is ongelooflijk. Ze voorkomen dat ze oververhit raken en zorgen ervoor dat ze op het hoogst mogelijke niveau presteren.