Het ideale koellichaam kiezen:6 sleutelfactoren om optimale koeling te garanderen

Koellichamen worden veel gebruikt in de elektronica om de temperatuur van componenten te beheren. Ze werken door het oppervlak te vergroten om de warmteoverdracht naar de omringende vloeistof, meestal lucht, te verbeteren. Actieve koellichamen gebruiken ventilatoren om de luchtstroom te vergroten, terwijl passieve ontwerpen uitsluitend afhankelijk zijn van natuurlijke convectie. Verschillende apparaten hebben verschillende koellichamen nodig op basis van kosten, locatie en koelingsvereisten. Thermische weerstand heeft een directe invloed op de effectiviteit van een koellichaam. Hieronder vindt u de zes dingen waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van koellichamen:

1. Bepaal de thermische vereisten van uw component

De thermische vereisten zijn de hoeveelheid warmte-energie die per tijdseenheid wordt gedissipeerd. Ze moeten eerst worden vastgesteld om de criteria voor het kiezen van een koellichaam op te stellen. Als de juiste thermische vereisten niet zijn vastgesteld, is het niet mogelijk om het juiste koellichaam voor de toepassing te kiezen. Door de thermische vereisten te identificeren, kunnen ontwerpers een koellichaam selecteren dat veilige bedrijfstemperaturen handhaaft en optimale componentprestaties ondersteunt.

2. Kies het juiste type koellichaam

Koellichamen zijn er in twee brede typen:actief (die ventilatoren gebruiken om de luchtstroom te stimuleren) en passief (die afhankelijk zijn van natuurlijke convectie). De keuze hangt af van jouw koelbehoefte, geluidsgevoeligheid en beschikbare luchtstroom. Door het juiste type te selecteren, kunt u het onderhoud verminderen, de kosten onder controle houden en de thermische prestaties optimaliseren.

3. Bereken de thermische weerstand van het koellichaam

De thermische weerstand van het koellichaam is een maatstaf voor hoe goed een koellichaam warmte geleidt en afvoert. Het oppervlak, de grootte en het materiaal van het koellichaam hebben allemaal invloed op de thermische effectiviteit ervan. Een vereenvoudigde formule om de thermische weerstand te schatten is:

Thermische weerstand (°C/W) =dikte / (thermische geleidbaarheid × oppervlakte)

Bij berekeningen in de echte wereld moet echter vaak rekening worden gehouden met convectiecoëfficiënten, vinefficiëntie en luchtstroomomstandigheden. Nauwkeurige thermische weerstandsberekeningen zorgen ervoor dat het meest effectieve koellichaam wordt geselecteerd.

4. Bepaal de beschikbare luchtstroom

De beschikbare luchtstroom is de hoeveelheid lucht die in een bepaalde periode over een koellichaam stroomt. Voor passieve systemen is dit de vastgestelde luchtstroom; voor actieve systemen is dit de luchtstroom die door de ventilator wordt gecreëerd. Het bepalen van de luchtstroom helpt bij het beoordelen van de effectiviteit van het thermische systeem. Een hogere luchtstroom duidt meestal op een betere efficiëntie van het koellichaam. Passieve koellichamen zijn ontworpen voor natuurlijke convectie en profiteren mogelijk niet significant van toegevoegde ventilatoren, tenzij ze specifiek zijn ontworpen om een ​​geforceerde luchtstroom te ondersteunen. Het kan ook beter zijn om bestaande luchtstromen te gebruiken, omdat de toevoeging van ventilatoren voor geluid zal zorgen en de eindgebruiker meestal wil dat het apparaat zo stil mogelijk is.

5. Kies het juiste formaat koellichaam

Hoe groter het koellichaam, hoe meer warmte het kan afvoeren. De grootte van het koellichaam wordt echter beperkt door de beschikbare ruimte en het contactoppervlak. Een groter koellichaam is niet altijd effectiever, omdat andere factoren ook een rol spelen. Andere variabelen zoals materiaalgeleiding, luchtstroom en thermische weerstand van het ontwerp zijn ook factoren.

6. Denk aan het thermische interfacemateriaal

Het thermische interfacemateriaal is de substantie die zich tussen het koellichaam en het onderdeel dat het koelt bevindt. De interface wordt gebruikt om warmte effectief over te dragen van het onderdeel naar het koellichaam. De interface kan worden aangeduid als:

1. Thermisch vet
2. Koppeling voor koellichaam
3. Thermische verbinding
4. Gaat opvullen
5. Thermische pasta

Zonder de juiste keuze van een thermisch interfacemateriaal (TIM) kan de thermische weerstand van de interface aanzienlijk toenemen, waardoor de algehele effectiviteit van het koellichaam afneemt.

Waarom hebben verschillende apparaten koellichamen nodig?

Verschillende apparaten hebben koellichamen nodig om warmte te verwijderen uit gebieden die koel moeten blijven. Koellichamen verspreiden warmte om oververhitting te voorkomen. Zonder goed thermisch beheer kan overmatige hitte de elektrische weerstand verhogen, de afbraak van materiaal versnellen en de prestaties en betrouwbaarheid van componenten verminderen.

Wat zijn typen koellichamen?

Ontwerpen van koellichamen variëren qua geometrie en productiemethode. Deze zes typen verschillen qua geometrie, materiaalgebruik, thermische prestaties en productiekosten. Sommige zijn beter geschikt voor actieve systemen, terwijl andere goed werken in passieve opstellingen. De meeste zijn gemaakt van aluminium of koper vanwege hun hoge thermische geleidbaarheid. Er zijn zes typen koellichamen die deel kunnen uitmaken van een actief of passief systeem. Ze zijn meestal gemaakt van aluminium of koper. De actieve systemen gebruiken een ventilator om extra luchtstroom over een gebied te veroorzaken om de koeling te verbeteren. Het passieve systeem is afhankelijk van het vergroten van het oppervlak van het onderdeel, zodat meer warmte kan worden afgevoerd. Hieronder vindt u de soorten koellichamen:

1. Gelijmde koellichamen

Gelijmde koellichamen worden vervaardigd met behulp van een geleidende epoxy om de vinnen aan een basis te hechten. Ze kunnen gemaakt zijn van koper of aluminium of een mengsel van zowel aluminium als koper. Bonded heatsinks worden gebruikt voor toepassingen die een hoge lamellendichtheid vereisen. Ze hebben een veel hogere lameldichtheid dan geëxtrudeerde koellichamen. Deze verhoogde vinnendichtheid kan het beste worden gebruikt in een actief systeem met geforceerde luchtstroom. De grootte van de gebonden koellichamen is vrijwel onbeperkt, en daarom worden ze over het algemeen gebruikt voor toepassingen waarbij zeer grote koellichamen nodig zijn.

2. Geschaafde koellichamen

Geschaafde koellichamen zijn voorzien van een reeks dicht opeengepakte vinnen op een basis die uit één stuk metaal is vervaardigd, wat resulteert in minimale thermische weerstand. Ze worden gebruikt in toepassingen met een hoge luchtstroom en minimale ruimte. Skiving biedt een balans tussen prestaties en kosten, vooral voor vinontwerpen met hoge dichtheid in gematigde productievolumes. Geschaafde koellichamen zijn gemaakt van koper of aluminium. De maximale breedte van een afgesplitst koellichaam is circa 400 mm bij een hoogte van 200 mm. De lengte van het koellichaam wordt echter alleen beperkt door de lengte van de koperen staaf die wordt gebruikt. Geschaafde koellichamen hebben een dissipatiecapaciteit van ongeveer 1,5 tot 2 keer die van een gelijmde of gesoldeerde koellichamen.

3. Geëxtrudeerde koellichamen

Geëxtrudeerde koellichamen zijn het goedkoopste om te vervaardigen, omdat het proces bestaat uit het continu extruderen van één lang stuk metaal in een dwarsdoorsnede die samen vinnen en een basis vormt. Deze koellichamen worden gebruikt voor halfgeleiderapparaten met hoog vermogen en in toepassingen met gemiddelde tot hoge luchtstroom. Hoewel koperen koellichamen kunnen worden geëxtrudeerd, zijn de meeste geëxtrudeerde koellichamen van aluminium. Geëxtrudeerde koellichamen zijn verkrijgbaar tot een breedte van 400 mm en een hoogte van 60 mm. Omdat ze worden geëxtrudeerd, is de lengte onbeperkt.

4. Gesmede koellichamen

Gesmede koellichamen worden vervaardigd met behulp van drukkracht om het metaal te vormen. Gesmede koellichamen zijn vaak gemaakt van aluminium of koper. Aluminium wordt vaker gebruikt vanwege de lagere kosten en goede thermische eigenschappen, terwijl koper een hogere geleidbaarheid biedt, maar duurder en moeilijker te smeden is. Ze gebruiken vinnen of pinnen om de warmte te verspreiden. Gesmede koellichamen hebben een lage thermische weerstand omdat er geen medium tussen de vinnen/pinnen en de basis zit. Ze hebben een lengte en breedte van ongeveer 500 mm en een hoogte in het bereik van 70 mm.

5. Gestempelde koellichamen

Een gestempeld koellichaam wordt geproduceerd door de vinnen uit plaatstaal te stampen. De gestempelde metalen vinnen worden vervolgens bij elkaar gehouden met behulp van een of meer vinnen met ritssluiting, die loodrecht op de normale vinnen staan ​​en in elkaar grijpen om de afstand te behouden. Gestempelde koellichamen presteren slecht en worden gebruikt in toepassingen met laag vermogen. De set vinnen wordt meestal aan de basis gesoldeerd. De grootte en geometrie van de vinnen kunnen worden aangepast door een andere stempel te gebruiken.

6. CNC-gefreesde koellichamen

CNC-gefreesde koellichamen kunnen het beste worden gebruikt voor eenmalige productievereisten, omdat ze niet kosteneffectief zijn om te herhalen en er geen extra gereedschapsvereisten zijn voor een eenmalige koellichaam. Machinaal bewerkte koellichamen worden doorgaans gebruikt voor op maat gemaakte, kleine volumes of prototypetoepassingen waarbij gereedschapskosten moeten worden vermeden. Koper is moeilijk te bewerken, dus machinaal bewerkte koellichamen zijn meestal van aluminium. De grootte van het koellichaam wordt beperkt door de capaciteit van de gebruikte CNC-machine.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van koellichamen voor verschillende toepassingen?

De belangrijkste voordelen van het gebruik van koellichamen voor verschillende toepassingen zijn:

1. Verhoogde apparaatefficiëntie
2. Verbeterde apparaatprestaties
3. Verlengde levensduur van het apparaat
4. Voorkom oververhitting
5. Houd de componenten binnen het temperatuurbereik waarvoor ze zijn ontworpen

Wat zijn de uitdagingen bij het bepalen van het juiste koellichaam voor uw toepassingen?

De grootste uitdaging is dat de prestaties van één type koellichaam variëren afhankelijk van de omgeving waarin het wordt gebruikt. Factoren die van invloed zijn op de keuze van het koellichaam zijn:

1. Hoe de luchtstroom samenwerkt met het ontwerp
2. Hoe de warmte van omliggende componenten het koellichaam beïnvloedt
3. De ruimtebeperkingen van de locatie
4. Het budget voor een koellichaam

De beste manier om deze uitdagingen te overwinnen is het gebruik van thermische modelleringstools om de warmtedissipatie en luchtstroom onder de verwachte omstandigheden te simuleren, gevolgd door validatie door middel van fysieke tests.

Veelgestelde vragen over het kiezen van een koellichaam

Hoe beïnvloedt het ontwerp van het koellichaam de prestaties?

De belangrijkste factoren die de prestaties van het koellichaam beïnvloeden zijn materiaal, type en locatie. Als het gebruikte materiaal een hoge thermische weerstand heeft, zal het geen effectief koellichaam zijn. Het kiezen van een materiaal met lage weerstand is dus essentieel. De thermische weerstand kan echter toenemen als het ontwerp extra grenslaaglagen introduceert, zoals die gevonden worden in gebonden, gesoldeerde of mechanisch geassembleerde vinstructuren, omdat elke laag een potentiële barrière tegen de warmtestroom toevoegt. De locatie en richting van het koellichaam hebben ook invloed op de prestaties. Koellichamen moeten de luchtstroom evenwijdig aan de vinnen kanaliseren om het oppervlak tussen de lucht en het koellichaam te maximaliseren.

Hoe is de materiaalsamenstelling een factor voor een uitstekende warmteafvoer?

Het vermogen van een materiaal om warmte af te voeren wordt beïnvloed door de thermische geleidbaarheid ervan, die nauw verband houdt met het aantal vrije elektronen in metalen. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals koper en aluminium, worden vaak gebruikt voor koellichamen omdat vrije elektronen helpen warmte efficiënt over te dragen door middel van geleiding. Voor meer informatie, zie onze gids over Wat is aluminiumlegering?

Hoe dragen koellichamen bij aan de efficiëntie en betrouwbaarheid van elektronische apparaten?

Naarmate de temperatuur van een apparaat stijgt, zullen de efficiëntie en betrouwbaarheid ervan afnemen. Dit komt omdat naarmate de temperatuur stijgt, ook de weerstand toeneemt. Om de betrouwbaarheid en efficiëntie te vergroten, worden daarom koellichamen gebruikt om het verwarmingseffect te matigen.

Betekent een groter koellichaam een hoger thermisch beheer?

Ja, een groter koellichaam kan resulteren in een beter thermisch beheer. Dit is echter alleen het geval als het juiste koellichaam voor de toepassing wordt geselecteerd. Vaak worden koellichamen beperkt door de andere componenten eromheen, dus een groter koellichaam is niet altijd mogelijk. Bovendien kan een goed geoptimaliseerd ontwerp van het koellichaam, met effectieve vingeometrie, materiaalkeuze en oppervlakte, beter presteren dan een groter exemplaar dat deze optimalisaties ontbeert.

Hebben koellichamen koelpasta nodig?

Ja, koellichamen hebben koelpasta nodig om de warmte effectief van het onderdeel naar het koellichaam over te dragen. Als er geen koelpasta of vervangingsmiddel voor koelpasta wordt gebruikt, neemt de thermische weerstand tussen het koellichaam en het onderdeel toe, wat de prestaties van het koellichaam negatief zal beïnvloeden.

Hebben koellichamen hetzelfde principe als warmteverspreiders?

Nee, warmteverspreiders werken niet volgens hetzelfde principe als koellichamen. Koellichamen dragen warmte over aan een vloeibaar medium zoals lucht, water of olie. Warmteverspreiders verdelen de warmte zijdelings over een groter oppervlak om plaatselijke hotspots te voorkomen, terwijl koellichamen via convectie warmte overbrengen naar een koelmedium (meestal lucht). Hoewel beide warmte beheren, werken ze via verschillende thermische overdrachtsmechanismen. Warmteverspreiders kunnen worden gebruikt in afgesloten units, terwijl koellichamen vaak ventilatoren gebruiken om de luchtstroom over het koellichaam te verplaatsen. Voor meer informatie, zie onze gids over Wat is een warmteverspreider?

Samenvatting

In dit artikel werden koellichamen gepresenteerd, uitgelegd wat ze zijn, hoe ze werken, en werden zes dingen getoond waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van een koellichaam voor uw toepassing. Neem voor meer informatie over het kiezen van 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