Warmteverspreiders:complete gids voor typen, componenten, toepassingen en prestatiefactoren

Warmteverspreiders zijn objecten gemaakt van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid die de warmte van een plaatselijke bron over een groter oppervlak verspreiden, soms overbrengen naar een secundaire warmtewisselaar, een koellichaam, of deze verspreiden in de omgevingslucht om oververhitting van kritische componenten te voorkomen. Deze warmteafvoerende apparaten zijn doorgaans gemaakt van koper, aluminium, grafiet of diamant. Verschillende soorten warmteverspreiders, waaronder metalen warmteverspreiders, faseveranderingsapparaten zoals dampkamers en warmtepijpen, en thermische overdrachtsverbindingen om luchtspleten op te vullen, zijn ontworpen om de efficiëntie van de warmteoverdracht voor verschillende toepassingen te maximaliseren. Warmteverspreiders worden onder meer vaak gebruikt in computerprocessors, mobiele apparaten en auto-elektronica. In dit artikel wordt besproken wat warmteverspreiders zijn en worden de verschillende typen en toepassingen uitgelegd, zodat u over de informatie beschikt die u nodig heeft om uw project te voltooien.

Wat is een warmteverspreider?

Een warmteverspreider is een object dat de afvoer van warmte van een bron met een hogere temperatuur naar een extra warmtewisselaar of naar een koeler medium, zoals omgevingslucht, vergemakkelijkt. Warmteverspreiders worden vaak gebruikt in elektronica en elektrische systemen. Ze worden ook vaak gebruikt in HVAC-systemen, waterverwarmers, energiecentrales en andere industriële toepassingen.

Illustratie van een warmteverspreider

Wat is het belang van een warmteverspreider?

Warmteverspreiders zijn belangrijke apparaten om oververhitting van kritische componenten in elektronica en industriële systemen te voorkomen. Oververhitting schaadt de prestaties van elektronica op twee manieren:het verslechtert de prestaties van halfgeleiders, waarvan de weerstand afneemt bij toenemende temperatuur, evenals de prestaties van de metalen verbindingen van de elektronische componenten met de rest van het elektronische systeem. Hierdoor worden de harde schijf en de processor trager. Als er te veel warmte wordt ontwikkeld zonder dat deze wordt afgevoerd, kan de overmatige hitte ervoor zorgen dat computersystemen vastlopen en onderdelen beschadigen.

Hoe werkt een warmteverspreider?

Een warmteverspreider werkt door thermische energie van een warmtebron naar een secundaire warmtewisselaar of naar een koeler medium te leiden. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van vaste stukken materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid of door gebruik te maken van faseveranderingsmechanismen, zoals die gevonden worden in warmtepijpen of dampkamers, die afhankelijk zijn van de latente verdampingswarmte.

Bij vaste warmteverspreiders wordt de warmte door het metalen blok geleid, weg van de bron. Faseveranderingsspreiders (zoals warmtepijpen) gebruiken een afgesloten, geëvacueerde kamer die gedeeltelijk gevuld is met werkvloeistof die verdampt bij verhitting. De vloeistof absorbeert warmte en verdampt in het verdampergedeelte nabij de warmtebron. Deze damp reist vervolgens door een warmtepijp of dampkamer naar een secundaire warmtewisselaar om warmte weg te voeren van de bron. De damp condenseert vervolgens op koelere interne oppervlakken en herhaalt de cyclus.

Wat zijn de componenten van een warmteverspreider?

Warmteverspreiders bevatten een of meer van de onderstaande componenten:

1. Basismateriaal

Het basismateriaal vormt de primaire plaat-, blok- of spleetvullende structuur van een warmteverspreider die warmte overbrengt van de bron met hogere temperatuur naar de secundaire warmtewisselaar. Basismaterialen moeten een hoge thermische geleidbaarheid hebben. Dit maakt koper, aluminium, grafiet en diamant goede keuzes.

2. Thermisch interfacemateriaal

Het thermische interfacemateriaal (TIM) is een substantie die tussen de warmteverspreider en het warmtegenererende apparaat wordt geplaatst om de warmteoverdracht te helpen verbeteren. TIM is doorgaans een thermisch vet of koelpasta op siliconenbasis met metaaloxide-, zilver- of grafietvulstoffen.

3. Vinnen

Vinnen zijn uitsteeksels van het primaire lichaam van de warmteverspreider die de hoeveelheid beschikbare oppervlakte vergroten voor op convectie gebaseerde koeling, weg van de warmtebron. Omgevingslucht stroomt tussen de vinnen en verwijdert verder warmte uit de vinnen, en dus uit het systeem, door convectie. Vinnen zijn meestal gemaakt van lichtgewicht, hooggeleidende metalen zoals aluminium of koper, hoewel ze niet van hetzelfde materiaal hoeven te zijn als de basis.

4. Warmtepijpen

Warmtepijpen zijn gesloten pijpen die bestaan uit een thermisch geleidende buitenstructuur, een lont en een werkvloeistof. Het ene uiteinde van de heatpipe ligt in de te koelen zone en neemt hieruit warmte op. Door deze warmte verdampt de vloeistof in de lont, aan de binnenwand van de warmtepijp. Het resulterende gas beweegt door het midden van de pijp naar het condensorgedeelte, waar de koelere wanden de damp in de pit opnieuw condenseren. Capillaire werking trekt de vloeistof vervolgens terug naar de hete (verdamper)zone, waardoor een continue circulatie van koelvloeistof binnen de afgesloten leiding ontstaat.

5. Fans

Ventilatoren worden doorgaans in de buurt van of geïntegreerd met het koellichaam of de warmteverspreider geplaatst. De ventilatoren helpen de warmte verder af te voeren dankzij geforceerde convectie.

6. Behuizing

Sommige elektronica heeft geen ruimte voor componenten van de warmteverspreider. Daarom worden grote platte behuizingen van koper of aluminium gebruikt om de warmte af te voeren. Behuizingen worden doorgaans gebruikt voor elektronica die werkt in toepassingen met omgevingen met veel trillingen of in toepassingen waar elektronica tegen de omgeving moet worden beschermd.

Wat zijn de soorten warmteverspreiders?

De soorten warmteverspreiders worden beschreven in de onderstaande lijst:

1. Metalen warmteverspreiders

Metalen warmteverspreiders worden meestal vervaardigd uit koper of aluminium. Ze worden vaak gebruikt in de elektronica en in industriële toepassingen. Hun belangrijkste voordeel ten opzichte van andere soorten warmteverspreiders is dat ze gemakkelijk te vervaardigen zijn en efficiënt warmte afvoeren. Enkele nadelen van metalen warmteverspreiders zijn dat ze zwaarder kunnen zijn (vooral koper) en dat koper duurder is, hoewel het zeer thermisch geleidend is.

2. Grafiet warmteverspreiders

Grafiet-warmteverspreiders worden vaak gebruikt in consumenten- en auto-elektronica en in batterijen. Het belangrijkste voordeel van grafiet-warmteverspreiders is dat ze licht van gewicht zijn in vergelijking met metalen warmteverspreiders. Ze zijn ook net zo efficiënt en kunnen soms metalen overtreffen wat betreft thermische verspreiding (in het vlak), en kunnen worden gebruikt in krappe ruimtes. Een groot nadeel is dat ze broos zijn. Ze zijn ook vaak duurder dan aluminium, maar over het algemeen goedkoper dan koper-diamantcomposieten of hoogwaardige materialen.

3. Dampkamers

Dampkamers zijn warmtewisselaars, zoals warmtepijpen, gemaakt van een thermisch geleidend metaal, een lont en een werkvloeistof. Ze kunnen worden gezien als vlakke warmtepijpen. Dampkamers hebben een verdampergedeelte waarin een vloeistof warmte van een bron absorbeert. Hierdoor wordt de vloeistof omgezet in gas en naar het condensorgebied verplaatst. Vervolgens koelt het af en vormt het zich opnieuw tot een vloeistof, die door capillaire werking terug circuleert naar het hoogverwarmde uiteinde van het apparaat. Dampkamers worden vaak gebruikt in krappe, besloten ruimtes, zoals mobiele apparaten of laptops. Een groot voordeel van dampkamers is dat ze in krappe ruimtes kunnen worden gebruikt en dat ze efficiënt grote hoeveelheden warmte afvoeren. Eén nadeel zijn de hogere kosten en de beperkte warmteoverdracht in de Z-richting vergeleken met massief metalen opties.

4. Warmtepijpen

Warmtepijpen zijn warmteverspreiders die zijn gemaakt van een buisvormig of plat thermisch geleidend metaal, een lont en een werkvloeistof. De beweging en faseveranderingen van de vloeistof vergemakkelijken de overdracht van warmte van de warmtebron naar een secundaire warmtewisselaar of omgevingslucht. Ze worden vaak gebruikt in elektronica en industriële toepassingen. Hun belangrijkste voordeel is dat ze het beste zijn voor toepassingen met laag vermogen en grote flexibiliteit bieden bij het ontwerpen van een systeem met veel componenten. Nadelen zijn onder meer beperkte prestaties bij toepassingen met extreem hoge warmteflux en mogelijke oriëntatieproblemen, afhankelijk van het ontwerp van de lont (hoewel moderne gesinterde lonten dit verzachten). De kosten variëren afhankelijk van de complexiteit.

5. Composiet warmteverspreiders

Composiet warmteverspreiders bestaan uit meerdere materialen die samenwerken om warmte uit een primaire bron te verwijderen. Dit zijn meestal een thermisch geleidend metaal en een sterk thermisch geleidend materiaal zoals boorarsenide of grafiet. Deze warmteverspreiders worden vaak gebruikt in elektronica met een hoog stroomverbruik, waarbij gewicht een probleem is. Composiet warmteverspreiders kunnen warmte effectief en efficiënt verwijderen zonder al te veel gewicht aan het apparaat toe te voegen. Ze zijn echter duurder vanwege de complexe materiaalintegratie en nichefabricageprocessen.

Wat zijn de toepassingen van warmteverspreiders?

Hieronder vindt u enkele toepassingen van warmteverspreiders:

1. Computerprocessors

Warmteverspreiders worden vaak gebruikt in computerprocessors om te voorkomen dat ze tijdens bedrijf oververhit raken. De warmteverspreider wordt doorgaans direct op het oppervlak van de processor gemonteerd om de warmte snel te absorberen en weg van de bron te verspreiden. Het oververhitten van een processor kan leiden tot permanente schade aan het onderdeel, een kortere levensduur en verminderde prestaties.

2. Geheugenmodules

Warmteverspreiders worden gebruikt in geheugenmodules (random access memory of RAM-stick) om oververhitting te voorkomen en de thermische prestaties en stabiliteit te verbeteren. Warmteverspreiders van koper of aluminium omsluiten doorgaans de gehele RAM-stick vanwege de beperkte ruimte waarin geheugenmodules worden geplaatst.

3. LED-verlichting

Grote LED-schijnwerpers en plafondlampen zijn energiezuinig, maar genereren toch veel warmte. Oververhitting kan leiden tot een verminderde levensduur en effectiviteit. LED-lampen worden doorgaans op een printplaat (PCB) bevestigd. Deze PCB's integreren vaak aluminiumkernen of gebruiken thermische via's en basisplaten om als spreaders te fungeren. De warmteverspreider transporteert warmte naar de omgevingslucht om oververhitting van de LED-componenten te voorkomen.

4. Vermogenselektronica

Vermogenselektronica is het gebruik van elektronica om elektrisch vermogen te controleren en om te zetten. Elektrische circuits, schakelaars en componenten met hoog vermogen zijn ontworpen om hogere stromen te geleiden en daarbij veel meer warmte te genereren. Warmteverspreiders worden gebruikt in vermogenselektronica om oververhitting te voorkomen, waardoor elektronica kan worden ontworpen met een hogere vermogensdichtheid, prestaties, betrouwbaarheid en levensduur.

5. Auto-elektronica

Naarmate auto's vol zitten met meer elektronica, neemt de vraag naar stroom en dus de warmteopwekking toe. HVAC, infotainmentsystemen en dashboardinstrumenten zijn allemaal elektronica die vaak in auto's wordt gebruikt. Warmteverspreiders verwijderen warmte van de warmtegenererende componenten om oververhitting te voorkomen en de prestaties te verminderen.

6. Mobiele apparaten

Vanwege de kracht van de hedendaagse mobiele apparaten zijn warmteverspreiders essentieel om oververhitting te voorkomen en optimale prestaties en levensduur te garanderen. Warmteverspreiders fungeren als grafiet- of dampkamerlagen die zijn geïntegreerd in de structuur van de PCB of het chassis en die de functies van het apparaat aandrijven vanwege de beperkte ruimte binnen een mobiel apparaat. Warmte wordt via de warmteverspreider overgedragen naar de buitenkant van het apparaat en vervolgens via natuurlijke convectie afgegeven aan de omgevingslucht.

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

De factoren die de prestaties van de warmteverspreider beïnvloeden, worden hieronder beschreven:

1. Thermische geleidbaarheid

Thermische geleidbaarheid verwijst naar het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden. Warmteverspreiders zijn gemaakt van sterk geleidende materialen, zoals koper of aluminium. Ze kunnen snel warmte absorberen en verspreiden, weg van de warmtebron. Dit leidt tot efficiëntere koeling. Een hogere thermische geleidbaarheid betekent over het algemeen een effectievere warmteverspreider.

2. Thermische weerstand

Thermische weerstand is de weerstand tegen warmteoverdracht over een materiaal- of temperatuurgradiënt en wordt beschouwd als het omgekeerde van thermische geleidbaarheid. Hoewel een hogere thermische weerstand binnen het spreidmateriaal ongewenst is, heeft de thermische weerstand op systeemniveau (inclusief TIM's en interfaces) vooral invloed op de prestaties in de echte wereld.

3. Oppervlakte

Warmteoverdracht is afhankelijk van de beweging van energie van een gebied met een hogere temperatuur naar een gebied met een lagere temperatuur. Omdat een warmteverspreider warmte van de hoofdbron absorbeert, moet hij die warmte overbrengen naar de secundaire warmtewisselaar of de atmosfeer. Hoe groter het oppervlak van de warmteverspreider, hoe meer kans deze heeft om warmte aan de omgeving over te dragen, zodat deze meer warmte van de puntbron kan blijven opnemen.

4. Ontwerp met koellichaam

Het ontwerp van het koellichaam heeft betrekking op het aantal vinnen, de geometrie van de vinnen en de plaatsing van de vinnen. Meer vinnen kunnen de thermische dissipatie verbeteren, maar alleen als de luchtstroom en de tussenruimte worden geoptimaliseerd; te veel vinnen kunnen daadwerkelijk warmte vasthouden door de luchtstroom te beperken. 

5. Thermische interfacematerialen (TIM)

Warmteverspreiders worden door een TIM aan componenten bevestigd. De thermische weerstand van een TIM kan de efficiëntie van de warmteverspreider verminderen als gevolg van onregelmatigheden in het oppervlak van het grensvlak. Holten en ingesloten lucht verhogen de thermische weerstand en hebben een negatieve invloed op de effectiviteit van de warmteverspreider.

6. Luchtstroom

De luchtstroom van ventilatoren kan de effectiviteit van warmteverspreiders verbeteren. Dit komt omdat ventilatoren kunnen helpen warme lucht uit een elektronische behuizing te verwijderen door middel van geforceerde convectie. Dit verbetert de temperatuurgradiënt en verhoogt de efficiëntie van de convectieve warmteoverdracht.

7. Bedrijfsomgeving

Het vloeistofdebiet en de vloeistoftemperatuur zijn van invloed op de thermische weerstand van een warmteverspreider en de effectiviteit ervan bij het afvoeren van warmte. Kenmerken van de omgevingsluchtstroom (snelheid, turbulentie, richting) en omgevingstemperatuur beïnvloeden de thermische dissipatie. In omgevingen met slechte ventilatie of hoge buitentemperaturen neemt de effectiviteit van de warmteverspreider aanzienlijk af. 

Wat zijn de voordelen van warmteverspreiders?

De voordelen van warmteverspreiders staan hieronder vermeld:

1. Voorkomen van schade aan componenten: Warmteverspreiders worden gebruikt om de warmte van elektronische componenten af te voeren, waardoor wordt voorkomen dat ze oververhit raken en permanente schade oplopen. Dit kan de levensduur van de componenten verlengen en de algehele betrouwbaarheid van het elektronische apparaat verbeteren.
2. Verbeterde prestaties: Warmteverspreiders helpen de prestaties van elektronische apparaten te verbeteren door oververhitting te voorkomen. Hierdoor kunnen apparaten binnen een optimaal thermisch bereik werken en wordt thermische beperking voorkomen, wat de prestaties kan verslechteren.
3. Verlaagd energieverbruik: Hoewel warmteverspreiders in de eerste plaats prestatievermindering voorkomen, verminderen ze het totale energieverbruik van elektronische apparaten niet significant. Ze kunnen echter wel de energie verminderen die nodig is voor aanvullende actieve koelsystemen.
4. Veiligheid: Warmteverspreiders dragen bij aan veiligere producten door oververhitting te voorkomen. Dit minimaliseert de kans op brandwonden veroorzaakt door het aanraken van hete oppervlakken of zelfs vuur.
5. Flexibel ontwerp: Warmteverspreiders zijn er in verschillende typen en kunnen qua vorm, materiaal en configuratie op maat worden gemaakt. Daarom hebben ingenieurs de vrijheid om warmteverspreiders te ontwerpen die op maat zijn gemaakt voor specifieke apparaten om een optimale warmteafvoer te bereiken.

Wat zijn de beperkingen van warmteverspreiders?

Enkele van de beperkingen van warmteverspreiders worden hieronder opgesomd:

1. Kosten: Warmteverspreiders kunnen duur zijn, vooral die gemaakt van hooggeleidende materialen zoals koper of geavanceerde composieten. Aluminium wordt over het algemeen als goedkoop beschouwd. Dit kan de totale kosten van elektronische apparaten verhogen.
2. Grootte en gewicht: Warmteverspreiders kunnen het gewicht van elektronische apparaten vergroten. Omdat veel apparaten compacter worden, kunnen warmteverspreiders bovendien niet altijd voldoende warmte uit het apparaat verwijderen.
3. Beperkte warmteafvoer: Het vermogen van een warmteverspreider om warmte adequaat af te voeren wordt beperkt door de grootte van de behuizing die hij bedient, de materialen en het ontwerp van de warmteverspreider, en de omgevingsomstandigheden waaraan hij zijn warmte moet overdragen.
4. Buitenlands vuil kan de prestaties beïnvloeden: Stof en vuil hebben vooral invloed op actieve koelcomponenten zoals koellichamen en ventilatoren. Passieve warmteverspreiders (bijvoorbeeld dampkamers in afgesloten apparaten) worden doorgaans niet beïnvloed, tenzij de luchtstroom over aangesloten koellichamen wordt belemmerd.
5. Structurele beperkingen: De prestaties van de warmteverspreider worden beperkt door de vormfactorbeperkingen van het apparaat. Daarom kan het soms moeilijk zijn om effectieve warmteverspreiders te ontwerpen als de ruimte binnen een apparaat beperkt is.

Veelgestelde vragen over warmteverspreiders

Zijn warmteverspreiders op RAM nodig?

Warmteverspreiders op RAM zijn niet strikt noodzakelijk voor standaardsystemen van consumentenkwaliteit, maar ze kunnen nuttig zijn in hoogwaardige of overgeklokte opstellingen. Moderne RAM kan aanzienlijke hitte genereren onder hoge belasting of bij overklokken, en thermische beperking of instabiliteit kan optreden zonder voldoende koeling.

Wat is het verschil tussen warmteverspreiders en koellichamen?

Een warmteverspreider is een apparaat dat warmte zijdelings verspreidt, weg van een geconcentreerde bron, meestal om plaatselijke hotspots te verminderen en de algehele efficiëntie van de warmteafvoer te verbeteren.
Een koellichaam is een passieve warmtewisselaar die het oppervlak vergroot om warmte af te voeren naar de omgeving, meestal door convectie (met of zonder geforceerde luchtstroom).
Hoewel ze hetzelfde thermische doel nastreven, hebben een koellichaam en een warmteverspreider verschillende functies:warmteverspreiders verspreiden de warmte, terwijl koellichamen deze afvoeren. Een koellichaam is geen subset van een warmteverspreider; ze zijn complementair maar verschillend.

Samenvatting

In dit artikel werden warmteverspreiders gepresenteerd, uitgelegd wat ze zijn en hun componenten en toepassingen besproken. Neem voor meer informatie over warmteverspreiders 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