Návrh a výrobca pasívnych chladičov na mieru | PTSMAKE

Navrhovanie pasívnych chladičov pre výkonnú elektroniku je jednoduché, kým sa váš prototyp nezačne počas testovania prehrievať. Uvedomíte si, že výber hliníkového materiálu, geometria rebier a tepelné rozhranie nie sú len technické špecifikácie - sú rozdielom medzi produktom, ktorý funguje, a produktom, ktorý neprešiel tepelnou validáciou.

Návrh pasívneho chladiča si vyžaduje vyváženie tepelnej vodivosti, plochy povrchu a vzorcov prúdenia vzduchu, aby sa dosiahol optimálny odvod tepla bez externého napájania. Úspech závisí od výberu materiálu, výrobného procesu a integrácie na úrovni systému so skriňou.

V rámci viacerých projektov v spoločnosti PTSMAKE som pomáhal inžinierom riešiť tepelné výzvy v rôznych odvetviach. Kľúčové poznatky, o ktoré sa s vami podelím, sa týkajú materiálových kompromisov, výrobných obmedzení a metód riešenia problémov, ktoré môžu ušetriť týždne času potrebného na prepracovanie návrhu.

Aký je prvý princíp pasívneho odvodu tepla?

Prvý princíp je prekvapivo jednoduchý. Je zakorenený v základných fyzikálnych zákonoch. Pasívny odvod tepla funguje, pretože teplo sa prirodzene pohybuje.

Nepotrebuje tlak ventilátora ani čerpadla. Riadi sa nemennými pravidlami termodynamiky. To je základom každej konštrukcie pasívneho chladiča.

Zákony určujúce tok tepla

Celý proces sa riadi dvoma kľúčovými zákonmi.

Po prvé, energia sa zachováva. Nemožno ju zničiť. Po druhé, teplo vždy prúdi z teplejšieho objektu do chladnejšieho. Príroda sa tak snaží o rovnováhu.

Pochopenie tohto základného princípu je viac než len fyzikálne. Ide o využitie samotnej prírody. Nevytvárame silu na presun tepla. Jednoducho vytvárame účinnú cestu pre teplo, aby robilo to, čo už chce robiť: šírilo sa.

Hnacia sila: Hľadanie rovnováhy

Horúci elektronický komponent v chladnejšej miestnosti predstavuje nerovnováhu. Vesmír sa prirodzene snaží túto nerovnováhu odstrániť. Tento tepelný pohyb je neustálym a spoľahlivým procesom. Deje sa bez akéhokoľvek externého príkonu.

Na tomto princípe sa zakladáme v spoločnosti PTSMAKE. Pri navrhovaní a výrobe dielov zvažujeme, ako ich tvar a materiál čo najlepšie podporia tento prirodzený prenos tepla. Cieľom je vždy zlepšiť cestu najmenšieho odporu pre tepelnú energiu.

Tendencia energie šíriť sa je koncept meraný entropia¹. Teplo prechádzajúce z koncentrovaného zdroja do chladnejšieho okolitého vzduchu zvyšuje celkovú neusporiadanosť systému, čím spĺňa túto základnú tendenciu.

Praktické úvahy o dizajne

To znamená, že náš výber dizajnu je rozhodujúci. Dobrý dizajn nebojuje s fyzikou, ale umožňuje jej fungovanie.

Pasívny chladič je nakoniec starostlivo navrhnutý objekt. Je navrhnutý tak, aby čo najviac uľahčil únik tepla z kritického komponentu a jeho bezpečný odvod do okolia.

Pasívny odvod tepla sa v zásade riadi zákonmi termodynamiky. Energia sa zachováva (prvý zákon) a teplo prirodzene prúdi z horúceho do studeného prostredia, čím sa zvyšuje entropia (druhý zákon). Toto je hnacím motorom všetkých konštrukcií chladenia bez ventilátora.

Čím sa líši pasívny chladič od aktívneho?

Najjednoduchším spôsobom, ako ich rozlíšiť, je energia. Potrebuje chladiaci systém na svoju činnosť externé napájanie? To je základná otázka.

Samoobslužná chladnička: Pasívne chladiče

Pasívny chladič pracuje ticho. Na odvádzanie tepla využíva prirodzené fyzikálne procesy. Nie sú v ňom žiadne pohyblivé časti. Je to čisto fyzikálny proces.

Chladnička s elektrickým pohonom: Aktívne chladiče

Aktívne chladiče používajú napájané komponenty. Spomeňte si na ventilátory alebo čerpadlá. Táto externá energia výrazne zvyšuje chladiaci proces.

Tu je stručný prehľad:

Výber medzi aktívnym a pasívnym chladením nie je len o pridaní ventilátora. Je to zásadné rozhodnutie o konštrukcii. Táto voľba ovplyvňuje spoľahlivosť, náklady a výkon. Podľa mojich skúseností v spoločnosti PTSMAKE ide o zásadný prvý krok.

Spoľahlivosť jednoduchosti

Pasívny chladič je neuveriteľne spoľahlivý. Vďaka absencii pohyblivých častí je menej miest, kde môže dôjsť k poruche. To je dôležité pre kritické aplikácie. Spomeňte si na zdravotnícke zariadenia alebo letecké komponenty, kde zlyhanie neprichádza do úvahy. Spoliehajú sa výlučne na prirodzená konvekcia² a sálaním, ktoré odvádzajú teplo. Vďaka tomu sú tiché a nevyžadujú údržbu.

Výkon moci

Aktívne systémy však ponúkajú lepšie chladenie. Keď komponent generuje obrovské množstvo tepla, prirodzené procesy nestačia. Pridaním ventilátora sa vzduch dostane nad rebrá, čím sa výrazne zvýši odvod tepla. Vidíme to vo výkonných počítačoch a automobilovej elektronike. Kompromisom je väčšia zložitosť, hluk, potenciálne miesta porúch a vyššie prevádzkové náklady.

Táto tabuľka poukazuje na kľúčové kompromisy, o ktorých často diskutujeme s klientmi.

Základný rozdiel medzi aktívnymi a pasívnymi chladičmi spočíva vo využívaní externého napájania. Pasívne chladiče využívajú prirodzenú fyziku na tiché a spoľahlivé chladenie. Aktívne chladiče využívajú ventilátory alebo čerpadlá na dosiahnutie vyššieho výkonu, čo prináša zložitosť a potenciálne miesta porúch.

Ako sa pasívne chladiče rozdeľujú podľa výrobného procesu?

Výber správneho pasívneho chladiča sa začína výrobným procesom. Každá metóda ponúka jedinečnú rovnováhu medzi nákladmi, výkonom a slobodou dizajnu.

Považujte ho za súbor nástrojov. Na otáčanie skrutky by ste nepoužili kladivo.

Vytláčanie: Pracovný kôň

Ide o najbežnejšiu metódu. Hliník sa pretlačí cez lisovací stroj a vytvorí sa dlhý rebrovaný profil. Je nákladovo efektívna pre veľké objemy.

Pečiatkovanie: Jednoduché a rýchle

Pre aplikácie s nízkou spotrebou energie sú ideálne lisované chladiče. Tenké plechy sa lisujú do tvaru.

Tento výber priamo ovplyvňuje rozpočet vášho projektu a tepelný výkon.

Poďme sa podrobnejšie pozrieť na kľúčové výrobné metódy. Tento proces určuje všetko od hustoty rebier až po konečný tvar vášho pasívneho chladiča. V spoločnosti PTSMAKE často vykonávame sekundárne obrábanie týchto dielov, takže vidíme výhody a nevýhody z prvej ruky.

Kovanie pre komplexnosť

Kovanie využíva vysoký tlak na tvarovanie bloku kovu. Týmto spôsobom sa vytvárajú chladiče so zložitými 3D sústavami rebier. Zlepšuje tepelný výkon v porovnaní s vytláčaním, ale stojí viac.

Skiving a lepené plutvy pre vysoký výkon

Skivingom sa z masívneho bloku medi alebo hliníka vyrežú tenké rebrá. To umožňuje dosiahnuť veľmi vysokú hustotu rebier. Chladiče s lepenými lamelami pripevňujú jednotlivé lamely k základni. Táto metóda je skvelá pre veľké alebo zákazkové konštrukcie. Umožňuje použiť medenú základňu s hliníkovými lamelami, čím sa spája výkon a hmotnosť. Výrobná metóda musí byť v súlade s vašimi tepelnými potrebami a pomer strán³ váš dizajn znesie.

Tu je rýchle porovnanie týchto pokročilých metód.

Pochopenie týchto kompromisov je veľmi dôležité. Zabráni to nadmernému projektovaniu a pomôže vám to efektívne riadiť náklady už od začiatku. Našou úlohou je zabezpečiť presné obrábanie potrebné na zdokonalenie týchto komponentov.

Výber správneho výrobného procesu zahŕňa vyváženie tepelného výkonu, zložitosti konštrukcie a rozpočtu. Každá metóda, od jednoduchého lisovania až po pokročilé skiving, ponúka odlišné výhody a obmedzenia, ktoré majú priamy vplyv na účinnosť a náklady vášho konečného výrobku.

Aké ďalšie materiály sa používajú okrem hliníka a prečo?

Hliník je síce všestranný pracovný kôň, ale nie vždy je najvhodnejší. V prípade potreby vysokého výkonu sa uplatnia iné materiály. Primárnou alternatívou je meď.

Ponúka oveľa lepšiu tepelnú vodivosť. Vďaka tomu je vynikajúci pre náročné aplikácie.

Tento výkon je však spojený s kompromismi. Meď je výrazne ťažšia a drahšia. Predstavuje tiež rôzne výzvy vo výrobnom procese. Meď pasívny chladič je špecializované riešenie.

Rozhodovanie medzi hliníkom a meďou je klasickým technickým kompromisom. Vyvažuje tepelný výkon s rozpočtovými a hmotnostnými obmedzeniami. V našich projektoch v spoločnosti PTSMAKE sa často stretávame s tým, že meď je určená pre výkonné procesory alebo laserové diódy, kde je rýchly odvod tepla kritický.

Materiálová krajina však nekončí pri medi. V prípade skutočne špičkových aplikácií hľadáme ešte pokročilejšie možnosti.

Pokročilé tepelné riešenia

Vzostup grafitu

Grafit mení spôsob riadenia tepla v kompaktných zariadeniach. Je neuveriteľne ľahký a má fantastické schopnosti rozvádzať teplo.

Jeho jedinečnosť anizotropné vlastnosti⁴ sú kľúčové. To znamená, že mimoriadne dobre vedie teplo pozdĺž svojich rovín, ale zle cez ne. To umožňuje inžinierom odvádzať teplo od citlivých komponentov do strán, čo je ideálne pre tenké profily, ako sú smartfóny alebo tablety.

Tieto moderné materiály nie sú len náhradou za náhradné diely. Riešia špecifické problémy, ktoré bežné kovy nedokážu vyriešiť. Výber toho správneho si vyžaduje jasné pochopenie tepelnej výzvy a výrobných možností.

Meď poskytuje lepšiu tepelnú vodivosť v porovnaní s hliníkom, ale je spojená s vyššou hmotnosťou a nákladmi. Pokročilé materiály, ako je napríklad grafit, ponúkajú ľahký a vysoko výkonný rozvod tepla pre špecializované aplikácie s obmedzeným priestorom, čo poukazuje na dôležitosť výberu materiálu pri tepelnom návrhu.

Základný princíp: dvojfázový prenos tepla

Odparovacie komory a tepelné rúrky nie sú len prázdne kovové nádoby. Sú to sofistikované zariadenia na dvojfázový prenos tepla. Ich tajomstvo spočíva v šikovnom využití fyziky.

Samostatný cyklus

Vo vnútri neustále koluje malé množstvo tekutiny. Mení sa z kvapaliny na paru a späť. Tento cyklus prenáša teplo s neuveriteľnou účinnosťou. Je to nepretržitý, pasívny proces.

Ako tepelný supravodič

Tento proces prenáša veľké množstvo tepla. Deje sa tak pri veľmi malom rozdiele teplôt. Vďaka tomu sa v pasívnych konštrukciách chladičov správajú ako "tepelné supravodiče".

Veda o zmene fázy

Základom tejto technológie je jednoduchý princíp. Keď sa kvapalina mení na paru, absorbuje obrovské množstvo energie. Deje sa to bez toho, aby sa kvapalina zohrievala. Táto energia sa nazýva latentné odparovacie teplo⁵.

Táto uložená energia sa šíri spolu s parou. Z horúceho miesta sa presúva do chladnejšej oblasti. Keď sa para ochladí a skondenzuje späť na kvapalinu, uvoľní sa z nej všetko nahromadené teplo. Tento proces je oveľa účinnejší pri prenose tepelnej energie ako jednoduché vedenie cez pevný materiál.

Prečo je to efektívnejšie

Premýšľajte o vriacej vode. Do hrnca s vriacou vodou môžete pridať veľa tepla, ale jej teplota zostane na 100 °C. Táto energia sa využíva na tvorbu pary. Tepelné potrubia a parné komory využívajú presne tento efekt v uzavretej slučke. Sú to v podstate pasívne tepelné motory.

Vďaka tomu sú ideálne pre aplikácie s vysokou hustotou výkonu. Rýchlo odvádzajú teplo zo sústredeného zdroja.

Porovnanie výkonu

V mnohých našich projektoch v spoločnosti PTSMAKE sme videli rozdiel. Efektívna tepelná vodivosť môže byť rádovo vyššia ako u plnej medi alebo hliníka.

Parné komory a tepelné rúrky využívajú fázovú zmenu kvapaliny na paru. To im umožňuje prenášať značné množstvo tepla na veľkú vzdialenosť s minimálnym poklesom teploty. Vďaka tejto vysokej účinnosti fungujú ako "tepelné supravodiče" v pokročilých pasívnych chladiacich riešeniach.

Na aké účely sa používa eloxovanie alebo lakovanie chladiča?

Pri výbere povrchovej úpravy chladiča nejde len o vzhľad. Často sa rozhoduje medzi eloxovaním a lakovaním. Každá z nich ponúka veľmi odlišné výhody.

Eloxovanie je zložitý proces. Poskytuje ochranu a izoláciu. Lakovanie je jednoduchšie. Jeho hlavnou úlohou je zvýšiť tepelné vyžarovanie.

Porovnajme ich priamo.

Pomôže vám to objasniť, ktoré ošetrenie je najlepšie pre vašu konkrétnu aplikáciu.

Eloxovanie: Viac ako povrchová vrstva

Eloxovanie nie je len vrchná vrstva. Je to elektrochemický proces⁶ ktorá premieňa kovový povrch. Vytvára veľmi tvrdú, nevodivú vrstvu oxidu hlinitého. To je nevyhnutné pre pasívny chladič používaný v blízkosti citlivých elektronických komponentov.

Táto vrstva oxidu zabezpečuje vynikajúcu odolnosť proti korózii. Chráni chladič pred vplyvmi prostredia. Výrazne tiež zvyšuje emisivitu povrchu. Toto zvýšenie umožňuje chladiču efektívnejšie vyžarovať teplo do okolitého vzduchu.

Maľovanie: Cielený prístup

Maľovanie je jednoduchšia povrchová aplikácia. Špeciálne termálne farby sú navrhnuté s vysokou emisivitou. To je ich hlavný účel. Pomáhajú chladiču efektívnejšie vyžarovať teplo.

Farba však môže pôsobiť aj ako izolačná vrstva. Ak sa nanesie príliš hrubá vrstva, môže brániť prenosu tepla. Toto je kritický faktor, ktorý v spoločnosti PTSMAKE zohľadňujeme. Zabezpečujeme, aby aplikácia optimalizovala vyžarovanie bez toho, aby bránila konvekcii.

Tu je podrobnejšie porovnanie na základe našich skúseností s projektom.

Stručne povedané, eloxovanie poskytuje robustné výhody: odolnosť proti korózii, elektrickú izoláciu a lepšiu emisivitu. Lakovanie je cielenou, často ekonomickejšou voľbou na zlepšenie tepelného vyžarovania. Vaše konečné rozhodnutie závisí od prostredia aplikácie a elektrických požiadaviek.

Ako ovplyvňuje konštrukcia krytu účinnosť chladiča?

Chladič nie je ostrov. Jeho výkon je spojený s celým systémom. O kryte musíte uvažovať ako o súčasti tepelného riešenia. Bez správneho prúdenia vzduchu zlyhá aj ten najlepší chladič.

Úloha odvzdušňovania skrine

Ventilácia je váš najsilnejší nástroj. Vytvára cestu pre vstup chladného vzduchu a výstup horúceho vzduchu. Táto neustála výmena je nevyhnutná pre účinné chladenie. Bez nej nemá teplo kam odísť.

Cesta pre prúdenie vzduchu

Predstavte si prúdenie vzduchu ako diaľnicu. Ventilačné otvory sú nájazdy a výjazdy. Ak ich zablokujete, vytvoríte dopravnú zápchu z horúceho vzduchu. To úplne zastaví proces chladenia.

Dobre navrhnutý systém starostlivo zvažuje umiestnenie vetracích otvorov.

Kľúčové je myslieť na systémovej úrovni. V minulých projektoch spoločnosti PTSMAKE sme boli svedkami zlyhania konštrukcií nie kvôli chladiču, ale preto, že skriňa zachytávala horúci vzduch. Chladič sa nasýtil a nebol schopný odvádzať viac tepla.

Konvekcia: Dominantná chladiaca sila

Pri väčšine aplikácií je hlavným spôsobom fungovania chladiča konvekcia. Spočíva v pohybe vzduchu cez rebrá, ktorý odvádza teplo. Vetraný kryt umožňuje tento proces tým, že poskytuje stály prívod chladnejšieho okolitého vzduchu.

Čo sa deje v zapečatenej škatuli?

Keď skriňu utesníte, prerušíte prívod vzduchu. Vzduch vo vnútri sa zahrieva a stagnuje. Tým sa účinne zastaví konvekčný prenos tepla⁷ v jeho stopách. Chladič už nemôže účinne odvádzať tepelnú záťaž do okolitého vzduchu, pretože ten je už horúci.

To je obzvlášť dôležité pre pasívny chladič, ktorá sa spolieha výlučne na prirodzenú konvekciu.

Prechod na ožarovanie

V uzavretom boxe je hlavným spôsobom prenosu tepla sálanie. Chladič vyžaruje tepelnú energiu do vnútorných stien skrine. Tento proces je v porovnaní s konvekciou oveľa menej účinný.

Naše interné testovanie potvrdzuje, že uzavretá konštrukcia môže znížiť výkon chladiča o viac ako 50%. To núti inžinierov používať oveľa väčšie a drahšie riešenia na kompenzáciu.

Myslenie na úrovni systému zabraňuje nákladným chybám pri návrhu. Pre konvekciu je rozhodujúci dobre odvetraný kryt, ktorý zabezpečí, že chladič bude fungovať tak, ako má. Uzavreté skrinky tento proces ochromujú, čím sa presúva závislosť na menej účinné vyžarovanie a zhoršuje sa tepelná správa.

Ako si vybrať medzi hliníkom 6063 a meďou 1100?

Výber medzi hliníkom 6063 a meďou 1100 je klasickým inžinierskym vyvažovaním. Nejde o to, ktorý kov je jednoducho "lepší". Skutočnou otázkou je, ktorý je vhodný pre konkrétne potreby vášho projektu.

Musíte zvážiť štyri rozhodujúce faktory. Sú to tepelný výkon, hmotnosť, celkové náklady a to, ako ľahko ho môžeme tvarovať. Táto analýza je vodítkom pre vaše konečné rozhodnutie.

Základné kompromisy

Pozrime sa na rýchle porovnanie.

Táto tabuľka poukazuje na základné kompromisy, ktorým čelíte.

Rozoberme si tieto kompromisy na praktickom príklade. Zoberme si návrh vlastného pasívny chladič pre projekt elektroniky. Toto je častá výzva, ktorú riešime v spoločnosti PTSMAKE.

Výkon vs. praktickosť

Vynikajúca tepelná vodivosť medi 1100 je jej hlavnou výhodou. Odvádza teplo z citlivých komponentov takmer dvakrát rýchlejšie ako hliník. To je rozhodujúce pre aplikácie s vysokým výkonom, kde záleží na každom stupni.

Tento výkon má však svoju cenu. Meď je približne trikrát ťažšia a výrazne drahšia. Pre prenosné zariadenie alebo veľkovýrobu môžu tieto faktory rýchlo spôsobiť, že meď sa stane nepraktickou.

Obrábateľnosť a dizajn

Hliník 6063 je fantastický na obrábanie. Jeho vlastnosti umožňujú efektívne vytvárať zložité konštrukcie rebier, ktoré maximalizujú plochu povrchu. Meď 1100 je mäkšia a niekedy môže byť počas obrábania "gumovitá". To si vyžaduje špecifické nástroje a môže mierne spomaliť výrobu.

Skutočným cieľom je znížiť celkový Tepelná odolnosť⁸ z čipu do okolitého vzduchu. Dobre navrhnutý hliníkový chladič môže často prekonať základný medený chladič.

Rozhodnutie nie je vždy jednoznačné. Vyžaduje si dôkladný pohľad na jedinečné priority vášho projektu.

Pri výbere je potrebné nájsť rovnováhu medzi výkonom a rozpočtovými a fyzickými obmedzeniami. Meď vyniká v tepelnom manažmente, zatiaľ čo hliník ponúka vynikajúce, cenovo výhodné a ľahké riešenie, ktoré je ideálne pre širší rozsah aplikácií.

Ako určíte vhodnú hrúbku základne chladiča?

Nájsť správnu hrúbku podkladu je náročné na vyváženie. Ide o tepelný výkon v porovnaní s nákladmi na zdroje.

Hrubší základňa pomáha veľmi dobre šíriť teplo. To je veľmi dôležité pre malé, výkonné komponenty. Zabraňuje vzniku horúcich miest.

Väčšia hrúbka však znamená viac materiálu. To zvyšuje hmotnosť a cenu pasívneho chladiča.

Základný kompromis

Cieľom je vyhnúť sa prílišnému inžinierstvu. Pridaním hrúbky dosiahnete lepšie šírenie tepla, ale len do určitého bodu.

Nakoniec dosiahnete bod. klesajúce výnosy⁹. Každý milimeter hrúbky navyše prináša čoraz menší tepelný úžitok. Náklady a hmotnosť sa však neustále zvyšujú.

Ako teda nájsť ten správny bod?

Používanie simulácie na optimalizáciu

Simulácia je tu naším najlepším nástrojom. Pomocou softvéru, ako je analýza konečných prvkov (MKP), môžeme presne modelovať tepelný výkon. To nám umožňuje digitálne testovať rôzne hrúbky ešte pred rezaním kovu.

Môžeme presne určiť hrúbku, pri ktorej sa nárast výkonu začína znižovať. Tento prístup, ktorý často používame v projektoch spoločnosti PTSMAKE, zabraňuje zbytočnému používaniu materiálu a nákladom pre našich klientov. Pomáha nám prijímať rozhodnutia založené na údajoch.

Analýza nákladov a výkonu

Nasledujúca tabuľka na základe našich interných testov ukazuje, ako sa nárast výkonu znižuje, zatiaľ čo náklady rastú.

Všimnite si malé zlepšenie zo 7 mm na 9 mm. V tomto prípade dodatočné náklady často nestojí za marginálny zisk.

Výber správnej hrúbky základne chladiča je rozhodujúca rovnováha. Potrebujete dostatok materiálu na účinné šírenie tepla bez toho, aby ste zvýšili jeho hmotnosť alebo náklady. Simulácia pomáha nájsť optimálny bod, v ktorom výkon ospravedlňuje použité zdroje.

Ako by ste navrhli chladič pre uzavretú skriňu bez ventilátora?

Riešime zložitý problém z reálneho sveta. Predstavte si, že navrhujete pasívny chladič pre citlivú elektroniku. Tieto komponenty sú umiestnené v úplne utesnenom kryte bez ventilátora.

Táto jednotka bude fungovať vo vonkajšom prostredí. Musí odolávať poveternostným vplyvom. Hlavnou technickou výzvou je teplo.

Problém riadený obmedzeniami

Hlavným problémom je uzavreté prostredie. Neexistuje žiadne vnútorné prúdenie vzduchu, ktoré by pomohlo. Teplo sa nemá kam ľahko dostať. Musíme sa spoliehať na pasívne metódy.

Návrh musí fungovať v rámci niekoľkých kľúčových limitov.

Tento scenár nás núti prehodnotiť štandardné chladenie. Musíme integrovať viacero koncepcií prenosu tepla. Riešenie si vyžaduje šikovný, viacstupňový prístup.

V uzavretom systéme musíme ignorovať vnútornú konvekciu. Jednoducho to nie je faktor. Celá stratégia sa presúva na dvojstupňový proces. Najskôr presunúť teplo zo zdroja na vnútorné steny krytu. Po druhé, presunúť toto teplo z krytu do vonkajšieho sveta.

Fáza 1: Maximalizácia vnútorného žiarenia

Hlavným mechanizmom vo vnútri škatule je žiarenie. Horúci komponent vyžaruje tepelnú energiu. Táto energia sa šíri do chladnejších vnútorných stien skrine.

Na to, aby to bolo efektívne, je rozhodujúca povrchová úprava. Vysoká emisivita¹⁰ rozhodujúci je povlak na komponente aj na vnútorných stenách. V minulých projektoch spoločnosti PTSMAKE sme videli, že eloxovanie alebo špecifické farby výrazne zvyšujú prenos tepla.

Fáza 2: Skriňa ako konečný chladič

Keď sa teplo dostane vedením a vyžarovaním na steny skrine, samotná skriňa sa stáva chladičom. Jeho úlohou je odvádzať túto energiu do okolitého prostredia.

To sa deje prostredníctvom dvoch vonkajších ciest.

Maximalizácia vonkajšej plochy je prvoradá. Vonkajšie rebrá často opracovávame priamo do krytu. Tým sa výrazne zväčší plocha pre prirodzenú konvekciu aj vyžarovanie do okolia. Hliník je v tomto prípade vynikajúcou voľbou materiálu.

Tento problém si vyžaduje zmenu myslenia. Riešenie znižuje dôraz na vnútornú konvekciu a namiesto toho sa zameriava na dvojstupňový proces: maximalizáciu vnútorného vyžarovania do stien a potom maximalizáciu vonkajšieho rozptylu zo samotnej skrine. Tým sa celá skriňa stáva pasívnym chladičom.

Aké stratégie sa používajú na pasívne chladenie komponentov s vysokou hustotou výkonu?

Jednoduché hliníkové výlisky sú pracovnými koňmi pre tepelný manažment. Majú však jasné obmedzenia. Často zlyhávajú pri práci s komponentmi s vysokou hustotou výkonu.

Intenzívne teplo z malého zdroja vytvára úzke hrdlo. Štandardné vytláčanie nedokáže túto tepelnú záťaž rozložiť dostatočne rýchlo. Tu musíme zvážiť pokročilejšie technológie pasívnych chladičov.

Tieto pokročilé možnosti riešia hlavné problémy chladenia s vysokou hustotou.

Kľúčom k úspechu je vedieť, kedy upustiť od jednoduchých výtlačkov. V minulých projektoch PTSMAKE sa tento bod rozhodnutia často objavuje vtedy, keď sa zdroj tepla stane príliš koncentrovaným. Základňa štandardného chladiča jednoducho nedokáže držať krok.

Pokročilé riešenia na šírenie tepla

Tepelné rúrky a odparovacie komory menia spôsob šírenia tepla. Nie sú len z pevného kovu. Využívajú proces odparovanie¹¹ a kondenzácia pracovnej kvapaliny. Tento proces prenáša teplo s neuveriteľnou účinnosťou, často stokrát lepšou ako pevná meď.

Odparovacie komory pre horúce miesta

Odparovacie komory sú v podstate ploché tepelné rúry. Sú ideálne na šírenie tepla z malého intenzívneho zdroja, ako je procesor, na oveľa väčšiu plochu. Tým sa vytvára rovnomernejšia teplota na základni sústavy rebier.

Tepelné potrubia na prepravu

Tepelné rúrky sú ideálne na prenos tepla z komponentu do vzdialeného komína rebier. To ponúka veľkú flexibilitu pri navrhovaní v stiesnených skriniach.

Maximalizácia plochy

Niekedy je problémom odvádzanie tepla do vzduchu. Tu zažiari technológia skosených plutiev. Jeden blok medi alebo hliníka sa presne oholí, aby sa vytvorili veľmi tenké a husté rebrá. Táto technika výrazne zvyšuje plochu povrchu, ktorá je k dispozícii pre konvekciu.

Keď štandardné výlisky dosiahnu svoje limity, sú potrebné pokročilé riešenia. Tepelné rúrky a odparovacie komory vynikajú pri šírení tepla, zatiaľ čo rebrovanie maximalizuje jeho rozptyl. Tieto technológie sú kľúčové pre účinné chladenie výkonných komponentov.

Váš pasívne chladený výrobok sa prehrieva. Aký je váš postup riešenia problémov?

Keď sa výrobok prehrieva, nehádajte. Systematický pracovný postup šetrí čas a peniaze. Skôr ako niečo rozoberiete, začnite so základnými vecami.

Tento postup zabezpečí, že metodicky pokryjete všetky potenciálne hlavné príčiny. Postupuje sa od vonkajších faktorov k vnútorným zložkám.

Úvodný diagnostický kontrolný zoznam

Tento štruktúrovaný prístup pomáha rýchlo a efektívne izolovať problém. Dobrý návrh pasívneho chladiča môže zlyhať, ak sa tieto základy prehliadnu.

Spoľahlivý diagnostický plán sa začína ľahko overiteľnými údajmi. Prehliadanie týchto základných údajov vás môže viesť na nesprávnu cestu. V minulých projektoch spoločnosti PTSMAKE sme zistili, že začínanie jednoduchými kontrolami často vyrieši problém bez zložitého rozoberania.

Overenie napájania a prostredia

Najprv potvrďte spotrebu energie. Odoberá zariadenie viac energie, než na akú bolo tepelné riešenie navrhnuté? Ďalej skontrolujte teplotu okolia. Výrobok testovaný v laboratóriu pri 20 °C sa bude v prostredí s teplotou 35 °C správať inak. Toto sú jednoduché, ale rozhodujúce prvé kroky.

Fyzické a virtuálne krížové kontroly

Potom prejdite na fyzickú kontrolu. Často sa stretávame s problémami Materiál tepelného rozhrania¹² (TIM). Bola použitá správne? Je montážny tlak rovnomerný a dostatočný? Nesprávna aplikácia vytvára vzduchové medzery, ktoré zhoršujú tepelný výkon. Uistite sa tiež, či sú všetky vetracie otvory úplne voľné. Malá prekážka môže mať veľký vplyv.

Nakoniec porovnajte svoje zistenia so simuláciami pôvodného návrhu.

Toto porovnanie poukazuje na rozdiely. Ukáže vám priamo na zdroj dodatočného tepla alebo na nedostatočne výkonný chladiaci komponent.

Tento systematický pracovný postup mení riešenie problémov z dohadov na jasný a opakovateľný proces. Logicky prechádza od jednoduchých kontrol prostredia k podrobnej fyzickej analýze a analýze založenej na údajoch, čím zabezpečuje efektívne a presné riešenie problémov vášho pasívne chladeného zariadenia.

Môže pasívny chladič vytvárať hluk a ako?

Zdá sa to nemožné. Pevný kus kovu bez pohyblivých častí by mal byť tichý. Ale nie vždy je to pravda.

Za určitých podmienok môže pasívny chladič vydávať vysoký bzukot alebo "spievať". Ide o skutočný akustický jav. Spôsobuje ho vzduch prúdiaci cez jeho rebrá správnou rýchlosťou. Tento efekt sa často nazýva spev rebier alebo eolické tóny. Je to zaujímavý problém, ktorý niekedy riešime pre klientov.

Tento šum nie je náhodný. Vzniká, keď prúdenie vzduchu vytvára predvídateľný vzor víriaceho vzduchu alebo vírov na oboch stranách lamely.

Tento opakujúci sa vzor je známy ako Kármánova vírová ulica¹³. Vytvára striedavý tlak, tlačí a ťahá plutvu. Tým sa plutva rozkmitá.

Ak sa tieto vibrácie zhodujú s prirodzenou rezonančnou frekvenciou plutvy, vydávajú počuteľný zvuk. Tento proces je podobný tomu, ako fúkanie cez otvor fľaše vytvára tón. Tento problém je častejší v prostrediach s konzistentným, veľkoobjemovým prúdením vzduchu.

Našťastie môžeme navrhnúť riešenia. V spoločnosti PTSMAKE nám presné CNC obrábanie umožňuje vytvárať zložité geometrie rebier, ktoré tento hluk eliminujú. Zistili sme, že malé zmeny môžu priniesť obrovský rozdiel.

Vďaka starostlivému návrhu a presnej výrobe môžeme zabezpečiť, aby pasívny chladič zostal úplne tichý aj v náročných podmienkach prúdenia vzduchu.

Pasívny chladič môže generovať vysoký hluk nazývaný ‘spev rebier’. Je to spôsobené prúdením vzduchu, ktoré vytvára vibrácie zodpovedajúce rezonančnej frekvencii rebier. Tomu sa dá predísť inteligentnými konštrukčnými rozhodnutiami, napríklad zmenou geometrie rebier alebo pridaním tlmičov vibrácií.

Odomknite špičkové riešenia pasívnych chladičov s PTSMAKE

Ste pripravení pozdvihnúť svoj projekt pomocou odborne navrhnutých pasívnych chladičov? Kontaktujte spoločnosť PTSMAKE ešte dnes, aby ste získali rýchlu, individuálnu cenovú ponuku a vyskúšajte spoľahlivosť, presnosť a služby, ktorým dôverujú globálni inovátori. Premeňme vaše výzvy v oblasti tepelného manažmentu na vašu ďalšiu konkurenčnú výhodu - pošlite svoj dopyt teraz!