Warmteafvoerelementen (Heatsinks) ontwerpen: Essentiële factoren & berekeningsmethoden

Warmteafvoerelementen (heatsinks) zijn het makkelijkste component om te vergeten in machines en elektrische circuits. Maar dit is niet het geval bij het ontwerpen van hardware, omdat heatsinks een zeer cruciale functie vervullen. Bijna alle technologie, waaronder CPU's, diodes en transistoren, genereert thermische energie die de thermische prestaties kan verlagen en operaties inefficiënt kan maken.

Om de uitdagingen van warmteafvoering te overwinnen, worden verschillende typen heatsinks ontworpen om verschillende elementen te dienen en ze te laten werken op hun best passende temperaturen.

Met de snelle ontwikkeling in technologie (vooral nano-tech) en dingen zo compact en efficiënt mogelijk te maken, is het juiste heatsink-ontwerp een toets en gewicht geworden bij het produceren van elektrische producten. Dus dit artikel zal de details en ontwerpoverwegingen van de heatsinks bespreken.

Wat is een Heatsink (Warmteafvoerelement)?

Een heatsink is een apparaat dat overtollige warmte van een ander component afvoert. In een geïntegreerde schakeling is een heatsink gemaakt van een materiaal met hoge thermische geleiding om ongewenste warmte af te voeren. Het werkt door het oppervlaktegebied uit te breiden en koelere lucht of vloeistof toe te laten over het oppervlaktegebied te stromen.

Volgens de wet van Fourier overdraagt warmte van een heter naar een kouder gebied. Een heatsink gebaseerd op deze wet werkt door een temperatuursgradiënt. Het neemt ongewenste warmte die gegenereerd wordt in een elektrisch component op en overdraagt het naar koudere lucht of vloeistof door warmteoverdrachtsmethoden zoals geleiding of natuurlijke convectie.

Typen Heatsinks

De eerste stap in het identificeren van het ontwerp van heatsinks is het bepalen van het configuratietype. Er zijn twee populaire heatsink-typen.

Passieve heatsinks

Passieve heatsinks zijn de conventionele optie, ze gebruiken natuurlijke luchtstroom. Natuurlijke convectie ontstaat over de heatsink die warmte van het component afvoert. Ze zijn goedkoper in de exploitatie en vereisen geen extra elektrische energie om te functioneren.

Actieve heatsinks

Actieve heatsinks zijn efficiënter en krachtiger, maar ze vereisen gedwongen convectie die lucht of vloeistof gebruikt om warmteoverdracht mogelijk te maken. Ze kunnen gemakkelijk geïdentificeerd worden omdat ze elektrisch aangedreven apparaten zoals een ventilator nabij de heatsink gebruiken.

Het kiezen van een van beide heatsinks leidt tot een variatie in ontwerp. Bijvoorbeeld, actieve heatsinks die op ventilators vertrouwen, hebben een kleiner oppervlaktegebied en lichter materiaal nodig om dezelfde hoeveelheid warmte af te voeren als een passieve geleider.

Factoren en overwegingen in heatsink-ontwerp

Elk heatsink werkt op hetzelfde algemene principe. Eerst wordt warmte geproduceerd in een component en de heatsink helpt bij de afvoering van genoemde warmte. Een heatsink bevestigd aan het component of circuit ontvangt warmte via geleiding of door heatpipes. De thermische geleiding van het heatsink-materiaal beïnvloedt dit proces significant.

Vervolgens vindt warmteoverdracht binnen de gehele heatsink plaats. De passieve warmtewisselaar of heatsink is heter nabij de bron van de warmte en kouder naar het andere uiteinde, als zodanig overdraagt natuurlijke geleiding de warmte onevenredig over het oppervlak.

Daarna wordt warmte afgevoerd door natuurlijke en gedwongen convectie. Lucht of vloeistof die direct boven het oppervlak van de heatsink passeert, verwijdert de gegenereerde warmte door diffusie en overdraagt het aan de omgevingslucht.

Nu is het duidelijk dat veel factoren de heatsink-prestaties beïnvloeden, inclusief materiaal, geometrie en koelmiddeltype. Heatsink-ontwerp vóór het maken van een heatsink moet deze parameters overwegen.

1. Thermische weerstand (Thermal Resistance)

Thermische weerstand kan eenvoudig gedefinieerd worden als de gecombineerde thermische weerstand die de gegenereerde warmte tegenkomt als het door een temperatuursgradiënt beweegt. Dit omvat thermische weerstand binnen de heatsink-montage, enige wrijving, en thermische energieverliezen vanwege weerstand tussen het koelmedium en het warmtewisselaaroppervlak.

Thermische weerstand kan berekend worden met de thermische weerstandswaarde. Het is extreem nuttig om de meest effectieve thermische weerstand voor componenten en IC's te vinden.

2. Typen materialen

Heatsink-ontwerp wordt grotendeels beïnvloed door de keuze van materiaal. Populaire materialen voor heatsinks zijn aluminiumlegeringen zoals AA 6063-T6 en koper-wolfram of koper-molybdeen. Koper heatsinks bieden uitstekende thermische geleiding en corrosieweerstand, maar zijn zwaarder en duurder dan aluminium. Bovendien worden Chemical Vapor Diamonds (CVDs), lab-gekweekte diamanten, gebruikt vanwege hun thermische geleiding die voortkomt uit trillingen binnen hun kristalstructuur.

Andere warmteproducerende apparaten beïnvloed door thermische weerstand zijn lithium-ion batterijen gebruikt in auto's en het afvoeren van warmte van deze batterijen is cruciaal, anders kan thermische ontlading leiden tot een kettingreactie die de batterij vernietigt. Een koolstofvezel heatsink met hogere geleiding biedt een thermische managementoplossing voor de auto-industrie.

3. Heatsink-vinnen (Fins)

Vinnen zijn het component van een heatsink dat warmteoverdracht van de heatsink naar de omgevingstemperatuur toestaat. De vorm en locatie kunnen in grote mate beïnvloeden hoe de heatsink energie overdraagt, terwijl de grootte en het pure aantal van deze vinnen de efficiëntie bepalen.

3.1 Rangschikking, vorm, grootte en locatie van vinnen

De vinnen zijn waar de koelvloeistof zoals lucht over de heatsink passeert, waardoor warmteafvoering mogelijk wordt. Dus rangschikking en grootte zijn belangrijk in heatsink-constructie. Het verbeteren van deze factoren kan leiden tot betere warmteafvoering en gemakkelijkere warmtestroom. In een studie op Science Direct, bespraken de bevindingen van een rapport hoe vorm de thermische management van heatsinks kan beïnvloeden.

"De resultaten toonden aan dat de cirkelvormige vinnen de thermische prestaties van de heatsink verbeterden en de thermische weerstand met 25% en 12% verlaagden ten opzichte van de andere twee vormen" – Case Studies in Thermal Engineering

3.2 Vin-efficiëntie (Fin Efficiency)

Elektrische componenten in uitgebreide technologie-eenheden zoals servers produceren overmatige warmte. Langzame warmteoverdracht kan prestaties en levensduur verminderen. Een heatpipe en vloeistofkoeling hebben groot potentieel, maar een geraamde warmtewisselaar is essentieel voor betrouwbare en continue warmteafvoering.

Vinnen vergroten het oppervlak voor vermogensafvoering in elektrische componenten, en factoren zoals dikte, hoogte en thermische weerstand beïnvloeden de vin-efficiëntie. Om de efficiëntie te verbeteren, wordt de thermische grenslaag dunner gemaakt, en de richting van de lucht ingesteld op de optimale hoek met de heatsink zelf gemaakt van een materiaal met hoge thermische geleiding.

4. Thermisch interfacemateriaal (Thermal Interface Material)

De heatsink moet bevestigd worden aan elektrische componenten en circuits. Bij het doen hiervan, heet de interface tussen de warmtewisselaars en typische elektrische componenten thermisch interfacemateriaal.

Thermische interfaceweerstand kan de efficiëntie van heatsinks verminderen en oppervlakterauwheid, vastgelopen lucht en gaten kunnen de thermische contactweerstand verhogen. Natuurlijk, met deze fouten in de interface, is de warmteoverdracht slecht en om de thermische weerstand te verlagen, worden diverse thermische interfacematerialen zoals faseringsmaterialen gebruikt. De thermische weerstand van het component wordt verlaagd doordat lucht verwijderd wordt en de gaten gevuld worden, wat complete contact waarborgt.

5. Heatsink-befestigingsmethoden

Een heatsink wordt op diverse plekken gebruikt, waaronder mechanische componenten. De keuze van heatsink-befestiging kan de maximale vermogensafvoering significant verbeteren en meer warmte-energie afvoeren. De wijd gebruikte methoden zijn thermische tape, epoxy, klemmen en push-pins.

Veel factoren in heatsink-ontwerp beïnvloeden de keuze van befestiging. Bijvoorbeeld, grote zware heatsinks kunnen niet ondersteund worden door thermische tape. Epoxy is een geweldige keuze in thermische managementoplossingen, maar het is duur en vereist vaardigheid om toe te passen.

Heatsink-ontwerp: Thermische weerstand berekening

Het heatsink-ontwerp completeert de geometrie en functionaliteit voor het beoogde gebruik. Echter, om de prestaties te beoordelen van hoe goed heatsinks warmte afvoeren, zijn sommige thermische weerstandsberekeningen noodzakelijk.

Enkele termen om te kennen:

• T_junction: Maximale junction werktemperatuur
• T_ambient: Omgevingsluchttemperatuur
• Q: Opgewekte warmte
• T_{junction-case}: Junction-naar-case weerstand
• T_interface: Interfacemateriaal weerstand
• T_heatsink: Heatsink thermische weerstand

Totale thermische weerstand is de weerstand tegen warmtestroom van de junction naar de behuizing, interfacemateriaal thermische weerstand, en weerstand tussen de heatsink en de omringende lucht.

Heatsink-ontwerp: Grootteberekening

De eerste stap in het dimensioneren van een heatsink is het bepalen van de afmetingen van de heatsink. Eenmaal de afmetingen ingesteld, is de volgende stap het volgen van een paar berekeningen vereenvoudigd door heatsink calculator.

• Convectiewarmte bepalen (Qc)

Qc = 2hA(T_component – T_ambient)

waarbij

A = HL + t(2H + L)

h = 1.42[( T_component – T_ambient)/H ]^0.25

Qc = 2hA( T_component – T_ambient)

• Er is nog een oppervlak waar warmte kan afvoeren, convectiewarmte bepalen bij A₂

Qc = 2h₂A₂(T_component – T_ambient)

waarbij

A₂ = L[2( H – b) + sb] + tL

s = 2.71 [ gβ(T_component – T_ambient)/Lαv ]

• Uitgestraalde warmte bepalen

Net als convectie, kan warmte ontwijken door straling van de twee oppervlakken.

Qr = 2ϵσA₁( T⁴_component – T⁴_ambient)

Qr2 = 2ϵσA₂( T⁴_component – T⁴_ambient)

waarbij

A₂ = L(t + s) + 2(tH + sb)

• Eindelijk aantal vinnen wordt gegeven door

Fn = 1 + [(Q – Qr2 – Qc2) / (Qr1 + Qc1)]

• Breedte van elke vin wordt gegeven door

W = (N – 1) + Nt

Toepassingen van Heatsinks

Heatsinks worden gebruikt waar er warmte geproduceerd wordt en constant gereguleerd moet worden om de werktemperatuur binnen de maximaal toelaatbare temperaturen te houden. In elektrische eenheden zijn heatsinks vrijwel overal te vinden waar u LED's en transistoren ziet. Dit om ze te laten werken in omgevingstemperatuur omgevingen zonder oververhitting.

Toepassingen van heatsinks worden grotendeels gekenmerkt door de snelheid waarmee ze warmte geleiden. Daarom worden hogere thermische geleiding materialen gebruikt voor processen waar temperatuurstijging een risico is voor de operatie.

CPU's

Wanneer computers worden gebruikt en de CPU-chips geoverklokt worden, wordt significante warmte geproduceerd. Een heatsink thermisch gekoppeld aan een CPU kan niet alleen deze warmte opslaan, snel het van de chip verwijderen, maar ook het over zijn oppervlak overdragen, uiteindelijk het afvoeren naar de omgevingslucht.

Vermogensversterkers (Power Amplifiers)

In vermogenstransistoren kan de geproduceerde warmte leiden tot lekkagestroom. Deze stijging in collectorstroom kan op zijn beurt de vermogensafgifte verhogen, wat de temperatuur verder kan verhogen. Dit kan leiden tot een lus van thermische ontlading die de transistor vernietigt. Een heatsink kan de geproduceerde warmte snel door zijn oppervlak overdragen, waardoor schade voorkomen wordt.

Opto-elektronica

Heatsinks worden veelvuldig gebruikt met LED's omdat het component zelf niet in staat is om zijn operationele temperatuur te modereren.

Veelvoorkomende productiemethoden voor heatsink-ontwerp

Om een effectief heatsink-ontwerp te creëren, moeten ingenieurs veel verschillende factoren overwegen, zoals materiaalselectie, en aluminium is het meest voorkomende materiaal gebruikt om heatsinks te produceren. In deze sectie zullen we de 3 meest voorkomende methoden van het produceren van aluminium heatsinks bespreken.

Extrusie van heatsink

Het extrusieproces is geschikt voor de eenvoudigere heatsink-ontwerpen, die gekenmerkt worden door hoge productiehoeveelheden, minder investering, korte ontwikkelcycli en lage productiekosten.

Algemeen gebruikt aluminium extrusiemateriaal is aluminium 6063, wat goede thermische geleiding heeft. Het werkprincipe is het verwarmen van het aluminiumblok tot 520-540℃ onder hoge druk om het aluminium vloeibaar te laten stromen door de extrusiematrijzen met golven om de heatsink-embryo te maken. En dan het heatsink-embryo snijden, profielgolven, en andere bewerkingen worden gemaakt van de heatsink-vin die we gewoonlijk zien.

CNC-bewerking van heatsink

CNC-bewerking omvat een verscheidenheid aan processen, zoals draaien, boren, frezen en slijpen. Dit proces kan flexibel toegepast worden volgens de structuur van de onderdelen, het gebruik van de meeste structurele onderdelen, zoals platenvorming, heatsink-golven, bodemoppervlakte-afwerking, etc. Deze methode is met name geschikt voor het ontwerp van heatsinks met complexe geometrie.

Drukgieterij van heatsink (Die Casting)

Het principe van drukgieterij aluminium heatsink is vergelijkbaar met injectiegieten. De grondstof van aluminiumlegering wordt onder hoge druk vloeibaar gemaakt, en vervolgens wordt het vloeibare materiaal snel in de matrijs gevuld. Volgens het model, start de drukgieterijmachine met werken, en eenmalige drukgieterijvorming, na afkoeling en daaropvolgende behandeling, gemaakt in een monomere heatsink. Het proces kan geïntegreerd worden in een dunne, dichte of complexe heatsink-vinontwerp.

Conclusie

Het gebruik van heatsinks zal blijven uitbreiden naarmate meer technische vooruitgang wordt gemaakt en betere oplossingen worden gevonden om een proces nuttiger te maken. Het ontwerp van de heatsink zal ook meer gediversifieerd en aangepast worden.

Als u op zoek bent naar een fabrikant om uw heatsink-ontwerp te optimaliseren voor betere prestaties, hier bij WayKen, met rijke ervaring in de verwerking van heatsinks, kunnen we uw aangepaste ontwerp- en aanpassingsvereisten ondersteunen. Ons team let altijd op elk detail van communicatie en interface met u, zodat er geen verrassingen zullen zijn voor uw goede klantervaringen. Vraag vandaag nog een offerte aan!