Koelblokken uitgelegd: functie, ontwerp en productieproces

Elektronische apparaten zoals personal computers genereren warmte tijdens het werken. Elektriciteit loopt door de diverse draden en componenten van het apparaat, tegenkomend weerstand op zijn weg, en deze weerstand genereert warmte, wat de temperatuur van het apparaat snel doet stijgen.

Ongecontroleerd kan deze warmte disastergevolgen hebben voor het apparaat: componenten zoals de centrale verwerkingseenheid (CPU) zijn kwetsbaar en niet in staat om extreem hoge temperaturen te weerstaan; oververhitting kan daarom leiden tot malfunctioning of permanente schade.

Gelukkig voorkomen veel elektronische en mechanische apparaten dit probleem door koelblokken (of heatsinks) te gebruiken: speciale componenten die warmte afvoeren van cruciale gebieden van het apparaat om het koel en functionerend te houden.

Ondanks hun kleine afmetingen zijn koelblokken ongelooflijk belangrijke componenten en kunnen op veel verschillende manieren worden gemaakt. Dit artikel bekijkt hoe koelblokken werken, de voordelen van koelblokken, de verschillende typen koelblokken en hoe koelblokken gemaakt worden.

Wat is een koelblok?

Een koelblok is een soort passieve warmtewisselaar wiens functie is om de temperatuur te regelen van een elektronisch of mechanisch apparaat. Het overdraagt warmte van een warmteproducerende component naar een vloeistof (lucht of vloeibare koelmiddel), waardoor de warmte van het apparaat kan afvoeren.

Koelblokken werken door een warmteleider te gebruiken om warmte van een warmtebron af te voeren, richting zijn eigen grote oppervlakte die contact maakt met het koelmedium, nl. lucht of een andere vloeistof. De behoefte aan een grote oppervlakte is de reden waarom koelblokken meestal bestaan uit een basis verbonden met een aantal zeer smalle lamellen of pennen: deze vorm is de beste manier om zoveel mogelijk oppervlakte in een gegeven volume te passen.

Koelblokken worden gebruikt in diverse industrieën, vaak om computercomponenten zoals CPU's en GPU's te koelen, evenals vermogenstransistoren en lasers.

Het bepalen of een koelblok nodig is — en welk type — houdt in dat de maximale kruisingstemperatuur van een schakeling wordt vastgesteld. Als de bedrijfstemperatuur wordt overschreden, leidt dit tot onderdeelmalfunctioning of breuk. Over het algemeen vereisen componenten met een lagere maximale bedrijfstemperatuur (of die simpelweg veel warmte produceren) effectievere koelblokken.

Voordelen van koelblokken

De kernfunctie van een koelblok is het regelen van de temperatuur en het voorkomen van oververhitting. Dit biedt voordelen zoals:

• Voorkomt oververhitting
• Voorkomt onderdeeldefect of breuk
• Levert warmte als de temperatuur te laag daalt

Typen koelblokken

Koelblokken bestaan doorgaans uit een vaste basis met uitsteeksels eruit. Maar de vorm en grootte van deze uitsteeksels beïnvloeden hoe de koelblok presteert. De meest voorkomende koelblokvariëteiten zijn:

1. Pen-lamellen koelblok: Pen-lamellen koelblokken hebben pennen die uit de basis steken. Ze bieden de grootste oppervlakte van alle koelbloktypen en zijn het beste in situaties met lage luchtstroom (of willekeurige/multidirectionele luchtstroom). De pennen kunnen verschillende vormen hebben:
   • Cilindrisch
   • Elliptisch
   • Vierkant
2. Plaat-lamellen koelblok: Voorkomender dan pen-lamellen koelblokken, plaat-lamellen koelblokken hebben rechthoekige lamellen die uit de basis steken. Ze zijn het beste type koelblok wanneer de luchtstroom unidirectioneel is.
3. Uitgevlamde lamellen koelblok: Een variant van de plaat-lamellen koelblok, uitgevlamde lamellen koelblokken hebben een uitgevlamde lamellenindeling en verminderen de stroomweerstand.

Sommige koelblokken hebben ventilatoren bevestigd, en koelblokken van dit type kunnen actieve koelblokken of ventilator-gekoelde koelblokken worden genoemd. Zonder ventilatoren kunnen ze passieve koelblokken worden genoemd. Ventilatoren bieden een constante bron van luchtstroom, wat de functionaliteit van de koelblok verbetert.

Koelblok materialen

Koelblokken zijn doorgaans gemaakt van aluminiumlegeringen of koper, waarbij het materiaal meestal wordt bepaald door toepassing, warmte-intensiteit, productiemethode en budget.

Aluminium koelblokken worden meestal gemaakt van aluminium 1050 (zeer warmteleidend maar lage sterkte) of aluminium 6060, 6061 of 6063 (minder leidend maar met betere mechanische eigenschappen). De meest betaalbare koelblokken zijn doorgaans gemaakt van aluminiumlegering.

Koper koelblokken bieden uitstekende warmteleiding — het is twee keer zo leidend als aluminium — evenals corrosiebestendigheid, antimicrobiële weerstand en andere wenselijke eigenschappen. Dit maakt koperen koelblokken tot een premiumkeuze; echter, koper is zowel duurder dan aluminiumlegeringen als over het algemeen moeilijker te vormgeven.

Koelblok bevestigingsmethoden

De koelblok bevestigingsmethode is de manier waarop de koelblok op het component gemonteerd wordt wiens temperatuur het regelt, bijvoorbeeld de CPU van een computer.

Bevestigingsmethoden omvatten thermisch geleidende tape (voor lichte koelblokken), epoxy (sterk maar onomkeerbare mechanische binding), klemmen, draadvormige Z-klemmen, messing/kunststof drukpennen, of gedraaide afstandshouders (voor zeer grote koelblokken).

Factoren die de prestaties van koelblokken beïnvloeden

Meerdere variabelen beïnvloeden hoe een koelblok presteert en hoe effectief het is bij het afvoeren van warmte van een component zoals een CPU. Belangrijke prestatiefactoren zijn:

• De warmteleiding van het koelblokmateriaal (bijv. koper of aluminiumlegering)
• De grootte van de koelblok
• Het type, aantal en indeling van lamellen op de koelblok
• De grootte van de kanalen tussen elke lamel
• De warmteoverdrachtscoëfficiënt
• De luchtstroomsnelheid

Hoe koelblokken te maken

Hoe maakt u een koelblok? Dat hangt af van verschillende factoren, zoals de grootte en het materiaal van uw koelblok, en het type fabrikant dat het maakt. Het fabriceren van koelblokken kan eigenlijk een reeks productietechnologieën omvatten, waaronder gieten en CNC-frezen.

Extrusie

Extrusie, het proces van het persen van hete metalen billetten door een staal matrix, is de meest voorkomende manier om aluminium koelblokken te maken. Het is een snelle, effectieve en economische methode voor het maken van koelblokken uit buigzame materialen zoals aluminium 1050. Extrudeerde aluminium koelblokken worden meestal geanodiseerd voor gebruik.

Schaving (Skiving)

Schaving of scheren, het proces van het snijden van materiaal in plakjes, is een veelvoorkomend productieproces voor de productie van plaat-lamellen en uitgevlamde lamellen koelblokken. Het proces maakt dunner en dichter bij elkaar geplaatste lamellen mogelijk dan extrusie, en biedt ook een niveau van oppervlakteruuwheid, wat de totale oppervlakte licht verhoogt.

Gieten

Gieten, het proces van het gieten van vloeibaar metaal in een vorm, is een andere manier om koelblokken te maken — aluminium of koper. Drukgietende koelblokken kunnen een hoog niveau van complexiteit hebben en bieden uitstekende mechanische eigenschappen. Drukgieten wordt ook soms gebruikt om zink koelblokken te maken.

Frezen

Frezen, het subtractieve proces van het snijden van materiaal van een ruw werkstuk, is een betaalbare manier om koelblokken met praktisch elke geometrische vorm te maken, uit materialen zoals aluminiumlegeringen. Gefreeste koelblokken (of bewerkte koelblokken) kunnen duurder zijn dan alternatieven, vooral in grote hoeveelheden, maar ze kunnen ook heel snel gemaakt worden. Lees meer over aluminium bewerking.

3D-printen

Recente vooruitgang in koper additieve fabricage hebben 3D-geprinte koelblokken een haalbare alternatief gemaakt voor hun traditionele tegenhangers. Poederbedfusie en gerichte energiedepositietechnologieën zijn met het meeste succes hiervoor gebruikt.

Om een koelblok te maken met 3ERP via een proces als CNC-bewerking, extrusie of laag-volume gieten, neem contact met ons op voor een gratis offerte.