Basisbeginselen van het koellichaam:definitie, bediening, componenten, typen en toepassingen

Een koellichaam is een apparaat dat wordt gebruikt om warmte van een warmtebron naar de omgeving over te dragen. Warmteoverdracht wordt bereikt door een combinatie van geleiding, convectie en, in mindere mate, straling. Een koellichaam heeft doorgaans een basis met meerdere vinnen erop, ontworpen om het oppervlak voor warmteoverdracht naar de omringende vloeistof te vergroten. Ze kunnen passief (met behulp van natuurlijke convectie) of actief (met geforceerde convectie van een ventilator of pomp) worden gekoeld.

In dit artikel wordt beschreven wat een koellichaam is, hoe het werkt, de verschillende componenten waaruit een koellichaam bestaat, en enkele algemene toepassingen van koellichamen.

Wat is een koellichaam?

Een koellichaam is een soort warmtewisselaar die wordt gebruikt om warmte van een warmteproducerend apparaat of warmtebron over te dragen naar een omringende vloeistof. Deze vloeistof is gewoonlijk lucht, maar kan ook water zijn in afgesloten lussen of gespecialiseerde niet-geleidende thermische overdrachtsvloeistoffen, zoals glycolmengsels of diëlektrische oliën. Koeling kan passief plaatsvinden door natuurlijke convectie of actief door geforceerde luchtstroom, meestal door een ventilator. Koellichamen worden doorgaans gemaakt van koper of aluminium.

Hoe ziet een koellichaam eruit?

Een veelvoorkomend type koellichaam wordt weergegeven in Figuur 1 hieronder:

Een illustratie die laat zien hoe een koellichaam werkt

Hoe werkt een koellichaam?

Een koellichaam maakt gebruik van de principes van geleidende, convectieve en stralingswarmteoverdracht om warmte van een hetere bron naar een vloeistof met een lagere temperatuur te verplaatsen. Warmte wordt vanuit deze bron naar de gootsteen geleid. Koellichamen zijn gemaakt van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals koper of aluminium, waardoor ze de warmte snel van de bron kunnen afvoeren. Deze warmte wordt vervolgens via convectie en straling vanuit de gootsteen overgebracht naar de omringende vloeistof. De warmteoverdrachtssnelheid wordt vergroot doordat er een groot oppervlak in contact is met de warmtewisselingsvloeistof. Het oppervlak kan dramatisch worden vergroot door vinnen in het basismateriaal van het koellichaam te snijden.

Afhankelijk van de vraag naar koeling functioneren koellichamen via natuurlijke convectie (passieve koeling) of geforceerde convectie door een ventilator of vloeistofpomp (actieve koeling).

Wat is het doel van een koellichaam?

Een koellichaam is ontworpen om afvalwarmte af te voeren die wordt veroorzaakt door de werking van elektrische of mechanische apparaten. Deze afvalwarmte kan zich ophopen en storingen veroorzaken of de prestaties verslechteren als deze niet wordt verwijderd.

Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een koellichaam?

Een koellichaam is een relatief eenvoudig apparaat. Hieronder vindt u de vijf componenten waaruit een typisch koellichaam bestaat:

1. Basis

Een koellichaambasis is doorgaans een plat blok of vel materiaal met uitstekende thermische geleidbaarheid. De basis heeft doorgaans een consistente dikte in de dwarsdoorsnede, maar kan ook worden ontworpen met een dwarsdoorsnedeprofiel dat de warmteoverdracht optimaliseert voor de specifieke geometrie van de warmtebron. De basis wordt doorgaans met montagemateriaal en koelpasta op de warmtebron gemonteerd.

2. Vinnen

Vinnen die uit de basis van het koellichaam steken, zijn verantwoordelijk voor de overdracht van warmte naar de omringende vloeistof. Deze vinnen vergroten het oppervlak van het koellichaam dat in contact komt met lucht of koelvloeistof, waardoor de warmteafvoer toeneemt.

De vinnen kunnen een integraal onderdeel vormen van de basis, maar kunnen ook afzonderlijk worden bevestigd met behulp van verschillende technieken, bijvoorbeeld via een compressieproces. De vorm en plaatsing van de vinnen kunnen de warmteoverdrachtssnelheid dramatisch verbeteren.

3. Warmtepijpen

Een heatpipe is ontworpen om warmte langs zijn as over te dragen. Warmtepijpen kunnen worden ingebouwd in standaard koellichamen en warmteverspreiders door middel van perspassing, solderen en thermisch geleidende epoxy om de efficiëntie van de warmteoverdracht te verbeteren. Ze werken door warmte over te dragen via een faseveranderingsmechanisme dat ervoor zorgt dat vloeistof verdampt bij de warmtebron en zich vervolgens langs de as van de warmtepijp verplaatst naar het punt waar het afkoelt en via condensatie weer in een vloeistof verandert.

4. Thermisch interfacemateriaal

Thermische interfacematerialen, of thermische pasta's, worden gebruikt om de warmteoverdracht tussen de warmtebron en de basis van het koellichaam aanzienlijk te verbeteren door eventuele luchtruimten tussen de warmtebron en het koellichaam op te vullen. Lucht is een slechte warmtegeleider, dus het opvullen van luchtspleten met een meer thermisch geleidend materiaal verbetert de koelefficiëntie van een koellichaam. Thermische pasta's kunnen op keramiek, metaaloxide of siliconenbasis zijn. Op metaal gebaseerde thermische pasta's bieden een hoge thermische geleidbaarheid, maar zijn elektrisch geleidend en moeten met voorzichtigheid worden gebruikt in de buurt van gevoelige componenten.

5. Montagemateriaal

Koellichamen kunnen met behulp van een aantal verschillende montagemethoden veilig aan hun doelwarmtebronnen worden bevestigd. Voor kleinere koellichamen wordt een lijm met een hoge thermische geleidbaarheid gebruikt om het koellichaam rechtstreeks op een warmtebron te plakken. Deze methode wordt doorgaans gebruikt op kleinere PCB-componenten. Voor grotere koellichamen kunnen normale schroeven worden gebruikt, of als alternatief worden veerbelaste punaises gebruikt om de contactdruk tussen de warmtebron en het koellichaam te optimaliseren.

Van welke materialen zijn koellichamen gemaakt?

Koellichamen zijn gemaakt van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid. De meest voorkomende hiervan staan hieronder vermeld.

1. Aluminium:Aluminium is een lichtgewicht, goedkoop materiaal met een goede thermische geleidbaarheid. Het wordt vaak gebruikt in koellichamen voor elektronische apparaten, zoals computers en LED-lampen.
2. Koper:Koper heeft een uitstekende thermische geleidbaarheid en kan worden gebruikt op gevoeligere componenten zoals computer-CPU's.
3. Aluminiumlegeringen:Zuiver aluminium is zacht en moeilijk te bewerken, daarom worden vaak aluminiumlegeringen gebruikt. Hoogzuivere legeringen zoals 1050 behouden een uitstekende thermische geleidbaarheid, terwijl sterkere legeringen zoals 6061 verbeterde mechanische sterkte bieden ten koste van een verminderde thermische geleidbaarheid.
4. Grafiet:Bepaalde vormen van technisch grafiet, zoals pyrolytisch grafiet, hebben een zeer hoge thermische geleidbaarheid in het vlak, vergelijkbaar met of zelfs beter dan koper, en zijn aanzienlijk lichter. Bulk- of isotroop grafiet heeft echter lagere thermische prestaties.
5. Diamant:Diamant heeft een veel hogere thermische geleidbaarheid dan koper en wordt gebruikt in gespecialiseerde halfgeleidertoepassingen. De hoge kosten beperken het echter tot nichetoepassingen, zoals hoogwaardige warmteverspreiders of laserdiodekoeling.

Wat zijn de soorten koellichamen?

Er zijn drie basistypen koellichamen. Ze worden hieronder gedetailleerder beschreven:

1. Passieve koellichamen

Een passief koellichaam is het eenvoudigste type koellichaam. Het is gewoon een basis met vinnen. Warmte wordt voornamelijk overgedragen via natuurlijke convectie. Terwijl de lucht rond de vinnen door geleiding opwarmt, stijgt de hete lucht, waardoor deze wordt vervangen door koelere lucht. Dit is een continu proces. Dit soort koellichamen zijn niet het meest effectief.

2. Hybride koellichamen

Een hybride koellichaam maakt gebruik van een controlesysteem om te beslissen wanneer passief of actief gedrag moet worden toegepast. Wanneer de warmtebron weinig warmte produceert, wordt de ventilator of pomp niet ingeschakeld, omdat natuurlijke convectie voldoende is om de benodigde hoeveelheid warmte van de warmtebron af te voeren. Als de natuurlijke convectie niet voldoende is, wordt de ventilator geactiveerd en helpt geforceerde convectie de hoeveelheid warmte die van de bron wordt afgevoerd te vergroten.

3. Actieve koellichamen

Een actief koellichaam maakt gebruik van geforceerde convectie om warmte over te dragen. Wanneer een ventilator of pomp ervoor zorgt dat er vloeistof over het koellichaam stroomt, blijft deze constante stroom de hete vloeistof rond het koellichaam vervangen door koelere vloeistof. Hoe hoger het debiet, hoe hoger de warmteoverdrachtssnelheid. Actieve koellichamen zijn effectiever dan passieve koellichamen.

Wat zijn de toepassingen van koellichamen?

Koellichamen worden overal gebruikt waar restwarmte apparatuur kan beschadigen. Hieronder vindt u enkele voorbeelden:

1. Computerprocessors

Computerprocessors (CPU's) produceren tijdens bedrijf een grote hoeveelheid afvalwarmte. CPU's maken vaak gebruik van actieve koelsystemen met koperen koellichamen om hoge thermische belastingen tijdens bedrijf te beheersen. Coole CPU's kunnen effectiever werken.

2. LED-verlichting

LED-lampen zenden niet veel stralingswarmte uit zoals gloeilampen, maar de LED-verbinding zelf genereert tijdens bedrijf aanzienlijke thermische energie. Deze warmte moet worden afgevoerd, meestal via passieve koellichamen in kleinere LED's.

3. Vermogenselektronica

Vermogenselektronica zoals AC-DC-converters genereren afvalwarmte van componenten zoals MOSFET's en spanningsregelaars. Aluminium koellichamen worden vaak gebruikt in deze toepassingen, soms gecombineerd met actieve ventilatoren voor veeleisendere thermische belastingen.

4. Auto-industrie

Naast de koellichamen die worden gebruikt in de besturingscircuits van voertuigen, worden koellichamen ook gebruikt om elektromotoren tijdens bedrijf koel te houden en om ingebouwde laders voor elektrische voertuigen te koelen.

5. Lucht- en ruimtevaartindustrie

Lucht- en ruimtevaartsystemen maken gebruik van koellichamen in de besturingscircuits en de elektronica aan boord. In ruimtevaartuigen, waar geen atmosfeer is voor convectie, stralen gespecialiseerde koellichamen warmte de ruimte in met behulp van oppervlakken met een hoge emissiviteit. Vaak bevatten ze ook warmtepijpen om warmte naar radiatoren te transporteren.

6. Consumentenelektronica

Consumentenelektronica maakt uitgebreid gebruik van koellichamen om apparaten koel te houden en efficiënt te laten werken. Typische voorbeelden zijn de koellichamen in computers en mobiele telefoons.

Welke apparaten in een computer gebruiken koellichamen?

Veel componenten in een computer maken gebruik van koellichamen. De CPU (centrale verwerkingseenheid) en GPU (grafische verwerkingseenheid) gebruiken bijvoorbeeld gewoonlijk koellichamen om de efficiëntie en levensduur te verbeteren. Hoogwaardige RAM-modules en interne componenten van de PSU kunnen ook koellichamen bevatten, afhankelijk van de thermische vereisten. Individuele SMD's (surface-mounted devices) op het moederbord kunnen ook kleine koellichamen gebruiken om koel te blijven.

Hoe kies ik het juiste koellichaam voor mijn toepassing?

Om het juiste koellichaam voor uw toepassing te selecteren, is het belangrijk om te begrijpen hoeveel warmte uw apparaat zal produceren, evenals de omgeving waarin het zal werken. Zodra deze bekend zijn, kan het koellichaam worden ontworpen door de warmteoverdrachtsnelheid te berekenen die nodig is om uw apparaat op de optimale temperatuur te houden en vervolgens een koellichaamconfiguratie te ontwerpen om deze temperatuur te bereiken.

Wat zijn de voordelen van koellichamen?

Hieronder vindt u enkele veelvoorkomende voordelen van het gebruik van koellichamen:

1. Verbeterde betrouwbaarheid:koellichamen helpen een consistente bedrijfstemperatuur te handhaven, waardoor de betrouwbaarheid van een apparaat wordt verbeterd.
2. Verlengde levensduur:koellichamen verwijderen afvalwarmte van een apparaat dat anders de levensduur ervan zou verkorten.
3. Verbeterde prestaties:Apparaten zoals CPU's werken bijvoorbeeld het meest effectief als ze koel zijn. Een effectief koellichaam kan de prestaties van een apparaat verbeteren.
4. Gereduceerd geluid:als een passief koellichaam kan worden gebruikt, is een koelventilator mogelijk niet nodig. Dit zal uiteindelijk het geluid van het apparaat verminderen.
5. Kostenbesparingen:koellichamen verbeteren het thermisch beheer, waardoor de levensduur van componenten kan worden verlengd en de behoefte aan extra koelsystemen kan worden verminderd, wat bijdraagt aan potentiële besparingen op het gebied van systeemontwerp en onderhoudskosten.

Wat zijn de beperkingen van koellichamen?

Hieronder vindt u enkele veelvoorkomende beperkingen bij het gebruik van koellichamen:

1. Beperkte koelcapaciteit:vanwege ruimte- en materiaalbeperkingen kan een koellichaam slechts in een bepaald tempo warmte afvoeren. Proberen om koellichamen te maken die nog meer warmte nog sneller afvoeren, wordt onpraktisch en oneconomisch.
2. Ruimtebeperkingen:in sommige gevallen kan de ruimte die nodig is voor een geschikt koellichaam groter zijn dan de beschikbare ruimte.
3. Onderhoudsvereisten:Koellichamen, vooral in een pc, verzamelen vaak stof. Ze moeten regelmatig worden gereinigd om een daling van de warmteoverdrachtssnelheid te voorkomen.
4. Geluid:Actieve koellichamen hebben mogelijk een luidruchtige ventilator nodig om effectief te kunnen werken. Zelfs stille ventilatoren zullen een zekere mate van geluid toevoegen.
5. Kosten:Koperen koellichamen zijn effectief, maar duur en zijn mogelijk niet economisch haalbaar voor het apparaat. Er zijn goedkopere materialen zoals aluminium beschikbaar, maar deze leveren mogelijk niet dezelfde prestaties als koper.

Wat zijn de factoren die de prestaties van een koellichaam beïnvloeden?

De prestaties van een koellichaam kunnen afhankelijk zijn van een aantal factoren, zoals hieronder uitgelegd:

1. Thermische geleidbaarheid:De thermische geleidbaarheid van het materiaal van het koellichaam is een van de belangrijkste factoren die de prestaties beïnvloeden. Materialen met een hogere thermische geleidbaarheid, zoals koper of diamant, kunnen de warmte efficiënter van de elektronische component afvoeren.
2. Vinnenontwerp:een groter aantal vinnen verbetert over het algemeen de warmteoverdracht door het oppervlak te vergroten, maar te dichte vinnen kunnen de luchtstroom belemmeren en de prestaties verminderen.
3. Luchtstroom:Warmte wordt uit het koellichaam verwijderd door middel van natuurlijke of geforceerde convectie. Hoe hoger de luchtstroom rond de vinnen van het koellichaam, hoe hoger de warmteoverdracht.
4. Thermische weerstand:Weerstand tegen warmteoverdracht op het grensvlak tussen een warmtebron en het koellichaam kan worden veroorzaakt door het bestaan van luchtspleten tussen componenten. Het gebruik van koelpasta op het grensvlak helpt de thermische weerstand te verminderen door isolerende luchtzakken te elimineren.
5. Omgevingstemperatuur:Een hogere omgevingstemperatuur zal resulteren in een kleinere temperatuurgradiënt tussen de warmtebron en de omringende vloeistof. Dit zal de prestaties van het koellichaam verminderen.

Veelgestelde vragen over koellichamen

Veroorzaken koellichamen warmtekruip bij 3D-printen?

Nee, een koellichaam is ontworpen om warmtekruip bij 3D-printen te elimineren. Het draagt warmte over van het hete uiteinde naar de omringende lucht en voorkomt dat deze langs de extruderconstructie omhoog kruipt.

Wat is het verschil tussen een koellichaam en een warmteverspreider?

Een koellichaam omvat doorgaans een basis en vinnen en verspreidt warmte naar de omringende vloeistof, vaak geholpen door convectie. Een warmteverspreider daarentegen verspreidt de warmte niet significant, maar herverdeelt deze in plaats daarvan over een groter oppervlak om lokale hotspots te verminderen en de overdracht naar een ander koelcomponent, zoals een koellichaam, koude plaat of systeemchassis, te vergemakkelijken.

Samenvatting

In dit artikel werden koellichamen gepresenteerd, uitgelegd wat ze zijn en hoe ze werken. Neem voor meer informatie over koellichamen contact op met een vertegenwoordiger van Xometry.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en andere diensten met toegevoegde waarde voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of vraag een gratis en vrijblijvende offerte aan.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements