Praktický sprievodca medenými chladičmi | PTSMAKE

Pravdepodobne ste sa už stretli s frustráciou z prehrievania elektroniky napriek tomu, že ste nainštalovali zdanlivo vhodné chladiace riešenia. Problém často spočíva vo výbere nesprávneho materiálu alebo konštrukcie chladiča, čo vedie k tepelnému prerušeniu, zníženiu životnosti komponentov a zlyhaniu systému.

Medené chladiče majú v porovnaní s hliníkovými alternatívami vynikajúcu tepelnú vodivosť (~400 W/m-K), čo umožňuje rýchle šírenie tepla a účinný tepelný manažment pre výkonné aplikácie, ako sú procesory, výkonná elektronika a systémy LED.

Po práci s riešeniami tepelného manažmentu v spoločnosti PTSMAKE som zostavil tohto komplexného sprievodcu, ktorý vám pomôže pochopiť medené chladiče od prvých princípov až po praktickú realizáciu. Táto príručka zahŕňa všetko od základov materiálovej vedy až po skutočné prípadové štúdie, ktoré vám pomôžu prijať informované rozhodnutia pre vašu ďalšiu tepelnú výzvu.

Prečo je tepelná vodivosť medi rozhodujúca pre výkon chladiča?

Tepelná vodivosť medi je približne 400 W/m-K. Táto hodnota je výrazne vyššia ako pri mnohých alternatívnych materiáloch používaných vo výrobe. Nie je to len údaj na dátovom liste, ale definuje tepelnú schopnosť.

V našich výsledkoch testovania pri PTSMAKE sme zistili, že táto vlastnosť je hlavným faktorom účinného odvodu tepla. Určuje, ako účinne sa medený chladič môže odvádzať tepelnú energiu z výkonných komponentov.

Pri práci s modernými procesormi je dôležitý každý stupeň. Vysoká vodivosť zaručuje, že teplo sa nezdržiava v blízkosti citlivej matrice.

null

Prekonanie bariéry šírenia odporu

Skutočná hodnota medi spočíva v jej schopnosti zmierňovať odpor voči šíreniu. Zdroj tepla, ako napríklad procesor, je často oveľa menší ako základňa chladiča.

Ak základný materiál vedie teplo zle, teplo sa sústreďuje priamo pod čipom. Vzniká tak "horúce miesto", zatiaľ čo okraje chladiča zostávajú chladné.

V minulých projektoch na PTSMAKE sme zistili, že meď minimalizuje túto delta. Prinúti teplo rýchlo putovať smerom von k okrajom základne.

Analógia s diaľnicou

Aby ste to pochopili, predstavte si diaľničný systém počas dopravnej špičky. Hliník sa správa ako cesta so semaformi; autá (teplo) sa pohybujú, ale dochádza k treniu a zdržaniu.

Meď pôsobí ako široká, otvorená diaľnica. Tepelná energia prúdi bez obmedzení a okamžite sa dostáva do cieľa. Táto vysoká tepelná difúznosť¹ je rozhodujúca pre prechodné zaťaženie.

Maximalizácia účinnosti plutiev

Keďže teplo sa rýchlo dostáva ku krajným častiam základne, vonkajšie rebrá sa aktívne podieľajú na chladení.

V hliníkových konštrukciách vonkajšie rebrá často vykonávajú len veľmi málo práce, pretože sa k nim teplo nikdy účinne nedostane.

Použitím medi zabezpečíme, že celá plocha chladiča prispieva ku konvekcii, čím sa maximalizuje celkový chladiaci potenciál.

Zhrnutie

Výnimočná vodivosť medi je kľúčom k prekonaniu odporu proti šíreniu. Umožňuje rovnomerné rozloženie tepla po celej základni, čím zabezpečuje, že každé rebro na medený chladič sa využíva efektívne. V porovnaní s hliníkom sa tak vytvára účinnejší systém tepelného manažmentu.

3. Ako ovplyvňuje čistota medi (napr. C11000) tepelný výkon?

Pri našej práci v spoločnosti PTSMAKE sa často stretávame s tým, že inžinieri uvádzajú "meď" bez definovania triedy. Toto nedopatrenie môže obmedziť vaše tepelné výsledky.

Čistota sa meria podľa Medzinárodnej normy pre žíhanú meď (IACS). Vyššie percento znamená lepšiu vodivosť.

Pre vysoko výkonný medený chladič, výber správnej triedy je veľmi dôležitý.

Tu je rýchle porovnanie bežných tried, ktoré spracovávame:

C10100 ponúka o niečo lepší výkon vďaka nižšiemu obsahu kyslíka. C11000 je však priemyselným štandardom pre väčšinu všeobecných aplikácií.

Keď stroj medený chladič, vnútorná štruktúra diktuje výkon. Predstavte si medenú mriežku ako diaľnicu.

Elektróny prenášajú teplo po tejto diaľnici. V čistej medi, ako je C10100, je premávka plynulá.

Kyslík alebo iné stopové prvky v C11000 však pôsobia ako prekážky. Tieto nečistoty rozptyľujú elektróny.

Toto narušenie bráni prúdeniu a zvyšuje tepelný odpor.

Tento jav sa často opisuje slovami Matthiessenovo pravidlo², ktorý vysvetľuje, ako nečistoty zvyšujú celkový odpor.

Aj malé množstvo kyslíka narúša štruktúru mriežky.

V našich interných porovnaniach pri PTSMAKE sme zaznamenali výrazné rozdiely vo vlastnostiach materiálu.

Hoci sa rozdiel vo vodivosti zdá byť malý, v aplikáciách s vysokou hustotou toku je dôležitý.

Nečistoty mýlia cestu prenosu tepla. Výsledkom je vyššia teplota spoja vášho zariadenia.

Výber medzi C10100 a C11000 závisí od vašich špecifických tepelných požiadaviek. Zatiaľ čo C11000 je dostatočná pre štandardné chladiče, C10100 poskytuje potrebnú účinnosť pre citlivú elektroniku. Čistota zaisťuje, že štruktúra mriežky zostane čistá pre optimálny odvod tepla.

Aká je úloha povrchovej úpravy a rovinnosti?

Pri montáži chladiaceho riešenia je fyzikálne rozhranie medzi zdrojom tepla a základňou často hlavnou tepelnou prekážkou. Aj keď sa opracovaný povrch zdá voľným okom hladký, v skutočnosti je plný mikroskopických nerovností.

Tieto nedokonalosti vytvárajú medzi komponentom a kovovou základňou malé vzduchové vrecká. Bohužiaľ, vzduch je v porovnaní s pevným kovom mimoriadne slabým vodičom tepla.

Porovnanie tepelnej vodivosti

Tieto nedostatky musíme odstrániť, aby sme zabezpečili medený chladič funguje správne. Ak je povrch príliš drsný, teplo sa hromadí pri zdroji, namiesto toho, aby sa rozptýlilo.

Optimalizácia kontaktu pre maximálnu účinnosť

V boji proti vzduchovým medzerám používame presné výrobné procesy, ako je lapovanie a leštenie. Tieto techniky slúžia na výrazné zlepšenie kvality povrchu a celkovej rovinnosti.

Hlavným cieľom je maximalizovať skutočnú kontaktnú plochu kovu s kovom. V našich predchádzajúcich projektoch v PTSMAKE sme pozorovali, že vynikajúca rovinnosť priamo súvisí s nižšími prevádzkovými teplotami.

Dosiahnutím rovnejšieho povrchu minimalizujeme závislosť od materiálov tepelného rozhrania (TIM). Hoci sú TIM nevyhnutné na vyplnenie mikroskopických dutín, majú vyšší tepelný odpor ako základný kov.

Vzťah medzi plochosťou a TIM

V ideálnom prípade by mala byť vrstva TIM čo najtenšia, aby sa znížil tepelný odpor.

Mikroskopická dynamika povrchu

Pri zušľachťovaní povrchu v podstate znižujeme výšku mikroskopických asperity³ na kov.

Ak tieto vrcholy zostávajú príliš vysoké, bránia medený chladič z roviny s procesorom alebo zdrojom tepla.

Vďaka dôkladnému testovaniu s našimi zákazníkmi vieme, že leštený povrch umožňuje rýchly prenos tepla do chladiacich rebier. Táto mechanická presnosť je rovnako dôležitá ako samotný výber materiálu.

Zhrnutie: povrchová úprava a rovinnosť sú rozhodujúce pre prekonanie tepelných prekážok. Mikroskopické vzduchové medzery pôsobia ako izolátory, ale presné lapovanie tieto medzery znižuje. To umožňuje vytvoriť tenšiu vrstvu TIM, čím sa zabezpečí medený chladič účinne odoberá teplo zo zdroja.

Aké sú prirodzené fyzikálne obmedzenia medených chladičov?

Hoci si meď ceníme pre jej výnimočnú tepelnú vodivosť, nie je dokonalým riešením pre každú aplikáciu. Podľa mojich skúseností v spoločnosti PTSMAKE inžinierov vo fáze návrhu často prekvapia dve hlavné fyzikálne prekážky: hmotnosť a náklady na materiál.

Meď je výrazne hustejšia ako hliník. To zvyšuje mechanické namáhanie dosiek plošných spojov (PCB) a vyžaduje robustné montážne riešenia. Okrem toho je cena surovín neustále vyššia, čo má vplyv na konečný rozpočet.

Musíme sa pozerať nielen na materiálové vlastnosti samotného kovu. Medený chladič dokáže rýchlo odvádzať teplo od zdroja tepla k rebrám. Odovzdávanie tepla z rebier do okolitého vzduchu je však iná výzva.

Vzduch je v skutočnosti pomerne slabý tepelný vodič. Ak je prúdenie vzduchu obmedzené alebo stagnuje, teplo sa jednoducho hromadí okolo rebier. Túto situáciu často označujeme ako "výkonnostnú plošinu" v pasívnych konštrukciách.

Bez ohľadu na to, koľko medi pridáte, fyzika určuje limit. V našich testovacích laboratóriách pozorujeme, že zvyšovanie plochy povrchu nakoniec prináša klesajúcu návratnosť. To sa do veľkej miery riadi súčiniteľ konvekčného prestupu tepla⁴.

Keď vzduch nedokáže odvádzať teplo dostatočne rýchlo, chladič sa nasýti teplom. Preto pri aplikáciách s vysokou hustotou výkonu často navrhujeme aktívne chladenie alebo kvapalinové riešenia.

V minulých projektoch som videl, že návrhy zlyhali, pretože sa zameriavali len na vodivosť kovu. Nemôžeme ignorovať interakciu s okolitým prúdením vzduchu. Pochopenie týchto limitov je pre úspešnú presnú výrobu kľúčové.

Na záver možno povedať, že hoci vysoká hustota a cena medeného chladiča predstavujú logistické výzvy, konečný výkonnostný strop je často definovaný vlastnosťami prúdenia vzduchu. Na zabezpečenie účinnosti musíme optimalizovať interakciu medzi kovovým povrchom a chladiacim médiom.

Kedy je hliník lepšou voľbou z hľadiska prvých princípov?

Keď pristupujeme k tepelnej technike z prvých princípov, rozhodujúcim faktorom sa stáva hustota. Zatiaľ čo medený chladič ponúka vynikajúcu vodivosť, jeho hmotnosť je často neúnosná. Podľa našich skúseností v spoločnosti PTSMAKE hmotnostné obmedzenia často určujú konštrukciu ešte pred dosiahnutím tepelných limitov.

V prípade leteckej alebo mobilnej robotiky má každý gram vplyv na životnosť batérie a dynamiku. Hliník poskytuje potrebné riešenie chladenia bez veľkých nákladov na meď.

Porovnajme fyzický dopad:

Ak váš hardvér potrebuje lietať, rýchlo sa pohybovať alebo visieť vertikálne, hliník je zvyčajne logickým víťazom.

Klesajúca návratnosť pri scenároch s nízkou záťažou

Nie každá elektronická súčiastka vyžaduje maximálny rozptyl. V prípade čipov, ktoré generujú mierne teplo, je výmena na medený chladič často prináša klesajúcu návratnosť. Teplota spoja síce mierne klesne, ale náklady a hmotnosť sa neúmerne zvýšia.

V spoločnosti PTSMAKE radíme klientom, aby sa pozreli na celú tepelnú dráhu. Ak je úzkym miestom prúdenie vzduchu alebo materiál rozhrania, prvotriedny kov problém nevyrieši.

Mechanické namáhanie v stojanových systémoch

Vo veľkých systémoch namontovaných v stojanoch vytvára gravitácia mechanické problémy. Ťažký medený blok pôsobí na PCB značným krútiacim momentom. Časom to spôsobuje deformáciu dosky alebo poruchy spájkovaných spojov, najmä počas vibrácií pri preprave.

Hliník toto konštrukčné riziko minimalizuje. Zabezpečuje bezpečnosť chladiacej zostavy bez potreby zosilnených montážnych konzol.

Tepelná kapacita a prechodová odozva

V termodynamike existuje určitá nuansa týkajúca sa toho, ako materiály uchovávajú energiu. Hliník má v skutočnosti vyššiu špecifickú tepelnú kapacitu v porovnaní s meďou. To priamo ovplyvňuje tepelná difúznosť⁵ systému.

Pri aplikáciách s krátkymi tepelnými výkyvmi namiesto trvalého zaťaženia je hliník prekvapivo účinný.

Prevádzková matica kompromisov

V scenároch s prerušovanou prevádzkou funguje hliník ako vynikajúci tepelný nárazník, ktorý účinne absorbuje energiu na jednotku hmotnosti.

Výber medzi hliníkom a medený chladič nejde len o čísla vodivosti. Hliník kraľuje v aplikáciách v leteckom a kozmickom priemysle, kde je kritická hmotnosť, a zabraňuje mechanickému poškodeniu v stojanových systémoch. Okrem toho pri prerušovanom zaťažení ponúka jeho vynikajúce merné teplo na kilogram lepšiu účinnosť bez vysokých nákladov na meď.

Ako funguje medená základňa ako rozvádzač tepla?

V oblasti výkonnej elektroniky čelíme významnej výzve známej ako hustota tepelného toku. Výkonný čip generuje obrovskú energiu na malej ploche.

Vzniká tak nebezpečný "horúci bod", v ktorom teplota prudko stúpa. Ak túto koncentráciu nezvládneme, komponent zlyhá.

V spoločnosti PTSMAKE často vizualizujeme túto tepelnú výzvu pre našich klientov pomocou nasledujúceho porovnania.

Dynamika tepelného toku

Musíme rýchlo presunúť energiu z tejto malej matrice do väčšej oblasti.

Bočná tepelná vodivosť

Prečo odporúčame práve medený chladič základňu pre tieto aplikácie? Nejde len o hrubý chladiaci výkon.

Ide o rýchlosť bočného prenosu.

Keď teplo dopadá na medenú základňu, vysoká vodivosť materiálu umožňuje okamžitý tok energie do strán.

Tento proces rozprestrie intenzívne teplo po celej ploche základnej dosky.

Analýza účinnosti rozptylu

Prekonávanie odporu

Podľa našich skúseností so zložitými zostavami je použitie medenej základne najlepším spôsobom, ako znížiť Odolnosť proti tepelnému zúženiu⁶.

Bez tohto rýchleho šírenia zostávajú vonkajšie rebrá chladiaceho roztoku studené a nepoužiteľné.

Medená základňa funguje ako tepelná diaľnica. Rozširuje cestu pre teplo a rovnomerne ho privádza k rebrám.

Tým sa zabezpečí, že každý štvorcový centimeter chladiaceho poľa aktívne pracuje na rozptyle energie.

Medená základňa účinne transformuje koncentrovanú tepelnú záťaž na zvládnuteľný, distribuovaný tok. Rýchlym šírením tepla do strán zabraňuje lokálnemu prehriatiu a optimalizuje výkon pripojených chladiacich rebier, čím zabezpečuje dlhodobú spoľahlivosť výkonných zariadení.

Používajú sa zliatiny medi a aké sú kompromisy?

Čistá meď ponúka najlepší tepelný výkon pre vlastný medený chladič. Pri obrábaní je však mäkká a gumovitá. Niekedy je mechanická pevnosť dôležitejšia ako len maximálny prenos tepla.

Podľa našich skúseností v spoločnosti PTSMAKE často navrhujeme zliatiny, keď je kľúčová odolnosť. Pridanie prvkov zvyšuje tvrdosť, ale znižuje vodivosť. Ide o vyvažovanie medzi štruktúrou a tepelným výkonom.

Pri navrhovaní komplexného medeného chladiča môžete naraziť na špecifické fyzikálne obmedzenia. Čistá meď (C10100 alebo C11000) je štandardom, ale pri vysokom namáhaní sa ľahko deformuje.

V minulých projektoch sme použili telúrovú meď (C14500) pre diely vyžadujúce zložité CNC obrábanie. Vytvára skôr krátke triesky ako dlhé reťazce. Vďaka tomu je výroba rýchlejšia a povrchová úprava hladšia.

Tepelná vodivosť však v porovnaní s čistou meďou klesá približne o 10% až 20%. Pri zložitých geometriách, kde je presnosť neodškriepiteľná, je to cenný kompromis.

Potom je tu berýliová meď (BeCu). Tento materiál je neuveriteľne pevný. Svoju výraznú tvrdosť dosahuje vďaka zrážkové tvrdnutie⁷.

BeCu sa často používa v pružinových kontaktoch alebo konektoroch, ktoré tiež potrebujú odvádzať teplo. Vydrží opakované fyzické namáhanie bez straty tvaru.

Na základe testov s našimi zákazníkmi zostáva čistá meď kráľom absolútnej tepelnej účinnosti. Zliatiny však riešia štrukturálne problémy, ktoré čistá meď sama o sebe nezvládne.

Výber správneho materiálu závisí od vašich konkrétnych priorít. Čistá meď maximalizuje prenos tepla, ale nemá dostatočnú mechanickú pevnosť. Zliatiny ako telúr a berýliová meď výrazne zlepšujú spracovateľnosť a odolnosť. Obetujú však časť tepelnej vodivosti. Pomáhame klientom nájsť ideálnu rovnováhu pre ich aplikáciu.

Aké sú bežné výrobné postupy pre medené chladiče?

Výber správnej výrobnej metódy je rozhodujúci pre vyváženie tepelného výkonu a výrobných nákladov. V spoločnosti PTSMAKE rozdeľujeme tieto procesy do kategórií na základe požadovanej geometrie a objemu.

Klientov prevedieme týmito možnosťami, aby sme zaistili, že konečný medený chladič bude spĺňať ich špecifické konštrukčné ciele. Tu je rozpis základných techník, ktoré používame.

Proces skivingu

Skiving zahŕňa rezanie tenkých vrstiev z pevného medeného bloku na vytvorenie rebier. Keďže rebrá zostávajú pripevnené k základni, nevzniká žiadna spojovacia vrstva, ktorá by bránila prenosu tepla.

V našom testovaní prekonávajú medené chladiče so šikmým povrchom lepené alternatívy v aplikáciách s vysokým tepelným tokom vďaka tejto súvislej štruktúre materiálu.

Kovanie za studena

Tento proces využíva vysoký tlak na vtláčanie medi do matrice. Vytvára diely s vynikajúcou štrukturálnou integritou. Zrnitá štruktúra medi zostáva zarovnaná, čo zlepšuje tepelnú vodivosť.

Často navrhujeme kovanie pre konštrukcie s kolíkovými rebrami, kde prúdenie vzduchu prichádza z viacerých smerov. Po vytvorení nástrojov je to veľmi nákladovo efektívne.

CNC obrábanie

CNC obrábanie poskytuje najvyššiu presnosť. V spoločnosti PTSMAKE ho vo veľkej miere používame na výrobu prototypov a nízkoobjemových sérií, kde sú potrebné vlastné prvky.

Hoci pri ňom vzniká viac odpadu, umožňuje vytvárať geometrie, ktoré formy nemôžu ľahko vyrobiť. Je to metóda na overenie návrhu pred sériovou výrobou.

Lepenie a spájkovanie

Pri konštrukciách, ktoré si vyžadujú veľmi vysoké lamely, lepíme samostatné lamely na drážkovanú základňu. Výzvou je tu minimalizácia tepelný odpor rozhrania⁸ na kĺbe.

Pri spájkovaní sa používa kovové plnivo na vytvorenie pevného, vodivého spojenia. Táto metóda nám umožňuje kombinovať rôzne výrobné techniky na dosiahnutie optimálneho chladiaceho výkonu.

Každý výrobný proces vytvára medený chladič s jedinečnými tepelnými vlastnosťami. Či už potrebujete vysokú hustotu rebier pri oddeľovaní, štrukturálnu pevnosť pri kovaní alebo presnosť pri CNC obrábaní, pochopenie týchto mechaník vám zaručí výber najefektívnejšieho riešenia pre váš hardvér.

Ako výrobný proces ovplyvňuje výkon, náklady a slobodu dizajnu?

Výber správnej výrobnej metódy určuje úspech vášho výrobku. Nejde len o tvarovanie kovu; proces priamo určuje tepelnú účinnosť a váš rozpočet.

V spoločnosti PTSMAKE často vidíme, ako jednoduchá voľba všetko zmení. A medený chladič vyrobený zošikmením sa správa inak ako ten, ktorý je vyrobený z plného bloku.

Kompromisy medzi výkonom a nákladmi

Tieto faktory musíme starostlivo vyvážiť. Vysoký výkon si zvyčajne vyžaduje špecifické výrobné techniky. Pozrime sa na podrobné rozdelenie nižšie.

Analýza výrobnej matice

Musíme sa pozrieť ďalej ako na povrch. Použitá metóda určuje štrukturálnu integritu medeného chladiča.

Napríklad lepené lamely poskytujú voľnosť pri navrhovaní. Predstavujú však prekážku. Táto bariéra výrazne ovplyvňuje účinnosť prenosu tepla.

Porovnanie procesných schopností

Skrytý vplyv kĺbov

Procesy, ako je šmýkanie alebo obrábanie, vytvárajú diely z jedného bloku. Tým sa účinne eliminuje Tepelný kontaktný odpor⁹.

V našich predchádzajúcich projektoch sme zistili, že odstránenie spojov zlepšuje tepelnú vodivosť s merateľnou rezervou.

Kovanie je vynikajúce pre veľké objemy. Obmedzuje však výšku rebier. Obetujete plochu za nižšie jednotkové náklady.

Obrábanie ponúka najlepšiu presnosť. Napriek tomu spotrebuje viac času na jednotku. Je ideálne pre prototypy, ale nákladné pre sériovú výrobu.

V spoločnosti PTSMAKE vedieme klientov k tomu, aby tieto obmedzenia vyvážili. Zabezpečujeme, aby sa zámer návrhu zhodoval s výrobnou realitou.

Výrobné procesy určujú obmedzenia vášho medeného chladiča. Zatiaľ čo šmykovanie a obrábanie ponúkajú vynikajúci tepelný výkon vďaka kontinuálnemu materiálu, kovanie vyniká znížením nákladov pri veľkých objemoch. Svoje tepelné ciele musíte zosúladiť so špecifickými možnosťami jednotlivých výrobných metód.

Aké sú hlavné konštrukčné typy medených chladičov?

Pri výbere medeného chladiča rozhoduje o výkone špecifická geometria rebier. Štruktúra určuje, ako sa vzduch pohybuje cez zariadenie a ako efektívne sa odvádza teplo.

V spoločnosti PTSMAKE rozdeľujeme tieto štruktúry do troch základných skupín na základe ich fyzickej konštrukcie.

Každý typ ponúka odlišné výhody v závislosti od dostupného priestoru a konfigurácie ventilátora. Poďme preskúmať, ako tieto geometrie fungujú v praktických aplikáciách.

Doskové medené chladiče

Ide o najtradičnejšie štruktúry, s ktorými sa stretávame. Pozostávajú z rovných, súvislých stien prebiehajúcich pozdĺž základne.

Na ich výrobu zvyčajne používame technológiu skiving. Táto metóda umožňuje vyrábať tenšie rebrá a vyššiu hustotu v porovnaní s vytláčaním.

Charakteristika prúdenia vzduchu je prísne lineárna. Aby vzduch fungoval efektívne, musí prechádzať priamo cez kanály. Táto štruktúra ponúka nízky hydraulický odpor, ale vyžaduje usmernené prúdenie vzduchu.

Medené chladiče Pin Fin

Namiesto súvislých stien sa pri tomto návrhu používa sústava jednotlivých kolíkov. Tieto kolíky môžu mať tvar valca, štvorca alebo elipsy.

Podľa našich skúseností s projektmi kovania za studena sú kolíkové rebrá vynikajúce pre prostredia s nepredvídateľným prúdením vzduchu. Vzduch môže do sústavy vstupovať z ľubovoľného smeru.

Toto geometrické usporiadanie podporuje významnú turbulencie¹⁰ okolo kolíkov. To síce zvyšuje tlakovú stratu, ale v prostredí s nízkou rýchlosťou často zvyšuje mieru prenosu tepla.

Dizajny s rozšírenými plutvami

Ide o variáciu kolíkovej plutvy. Kolíky sa pri vysúvaní zo základne rozširujú smerom von.

Táto štruktúra zväčšuje povrchovú plochu v hornej časti chladiča. Túto konštrukciu odporúčame v prípadoch, keď je vertikálny priestor obmedzený, ale je k dispozícii dostatok horizontálneho priestoru na využitie.

Výber správneho typu konštrukcie je pre tepelný manažment kľúčový. Doskové rebrá sú najlepšie pre lineárne prúdenie vzduchu, zatiaľ čo kolíkové rebrá ponúkajú všestrannosť s všesmerovým vstupom vzduchu. Lamelové rebrá riešia priestorové obmedzenia maximalizáciou plochy. Zosúladenie geometrie medeného chladiča so stratégiou prúdenia vzduchu zabezpečuje optimálne chladenie.

Ako ovplyvňuje geometria rebier účinnosť chladenia?

Geometria rebier je základom tepelného manažmentu. Keď navrhujeme vysoko výkonný medený chladič, netvarujeme len kov. Prísne riadime prúdenie vzduchu a cesty odvodu tepla, aby sme zaistili spoľahlivosť.

V spoločnosti PTSMAKE sa vo fáze návrhu zameriavame na štyri kritické rozmery.

Kľúčové geometrické parametre

Správne nastavenie týchto parametrov zaručuje, že vaše zariadenie prežije tepelnú záťaž. Ide o jemné vyvažovanie fyzickej veľkosti a aerodynamického výkonu.

Väčší povrch vo všeobecnosti znamená lepší chladiaci potenciál. Jednoduché tesnejšie uloženie rebier však často vedie k znižujúcej sa návratnosti.

Pasca plochy

Ak sú lamely príliš blízko, protitlak sa výrazne zvyšuje. Ventilátor systému má problém pretlačiť vzduch cez hustú sústavu.

Pri našich výsledkoch testovania na PTSMAKE sme zistili, že optimálne rozstupy sú rozhodujúce. Potrebujete dostatočnú medzeru, aby sa vzduch mohol voľne pohybovať bez toho, aby sa systém zadusil.

Riadenie odporu prúdenia vzduchu

Keď sa vzduch pohybuje po rovnom povrchu, má tendenciu sa prilepiť. Vzniká tak stagnujúca vrstva vzduchu, ktorá teplo skôr izoluje, ako odvádza.

Tento jav úzko súvisí s hydraulický priemer¹¹. Definuje, ako účinná je geometria kanála pre prúdenie kvapaliny.

Narušenie toku

Profily rebier navrhujeme špeciálne na prerušenie tejto izolačnej vrstvy. Použitie zubatých alebo kolíkových rebier vytvára potrebnú turbulenciu.

Turbulencia mieša chladný vzduch s horúcou prízemnou vrstvou. Tým sa výrazne zvyšuje tepelná účinnosť v porovnaní s hladkým laminárnym prúdením, ktoré sa vyskytuje v základných konštrukciách.

Komplexné geometrie pri CNC obrábaní nám umožňujú maximalizovať tento efekt. Zabezpečujeme medený chladič účinne pracuje aj pri veľkom tepelnom zaťažení.

Vyváženie výšky, hrúbky a rozstupu rebier je nevyhnutné na dosiahnutie optimálneho tepelného výkonu. Musíme vymeniť maximálnu plochu za dostatočný prietok vzduchu, aby sme zabránili zaduseniu systému. Pochopenie dynamiky prúdenia nám umožňuje vyrábať účinné medený chladič riešenia, ktoré zachovávajú spoľahlivosť.

Čo sú hybridné chladiče a ich konštrukčný účel?

Pri riešení výziev v oblasti vysokovýkonného chladenia často čelíme materiálovej dileme. Čistá meď je ťažká, zatiaľ čo čistý hliník nemá dostatočnú rýchlosť šírenia.

Riešenie spočíva v hybridných konštrukciách.

Tieto chladiče majú zvyčajne medenú základnú dosku spojenú s hliníkovým rebrovaním. Táto štruktúra využíva silné stránky oboch kovov na optimalizáciu tepelného manažmentu.

Takto sme si rozdelili úlohy:

Umiestnením medi len tam, kde je tepelný tok najvyšší, maximalizujeme účinnosť bez zbytočného zväčšovania objemu.

Tepelný tok je najintenzívnejší priamo nad procesorom alebo zdrojom energie.

V našich projektoch v spoločnosti PTSMAKE sme zistili, že pevný hliníkový blok často vytvára "horúce miesto", pretože nedokáže dostatočne rýchlo prenášať energiu.

Práve v tejto oblasti vyniká medená základňa.

Rýchlo odvádza teplo od zdroja a šíri ho do strán na väčšiu plochu.

Po rozložení tepla sa ťažká meď stáva zbytočnou.

V etape rozptylu prechádzame na hliníkové rebrá.

Hliník je ľahší a lacnejší, čo nám umožňuje zvýšiť hustotu rebier bez toho, aby sa medený chladič montáž je príliš ťažká na montáž.

Štrukturálna integrita a lepenie

Spojenie týchto dvoch rôznych kovov je skutočnou výrobnou výzvou.

Ak je pripojenie slabé, tepelný výkon okamžite klesá.

Často analyzujeme tepelná difúznosť¹² základného materiálu, aby sa zabezpečilo, že zodpovedá intenzite aplikácie.

Tu je porovnanie metód montáže, ktoré používame:

V drsnom prostredí sa často uprednostňuje výkyvné lisovanie.

Na zaistenie hliníkových rebier v medených drážkach základne sa používa mechanická sila.

Tým sa eliminuje riziko zlyhania spájkovaných spojov pri tepelnom cykle, čo zaručuje dlhodobú spoľahlivosť.

Hybridné chladiče kombinujú medenú základňu na rýchle šírenie tepla s hliníkovými lamelami na účinný odvod tepla. Táto štruktúra optimalizuje tepelnú dráhu a zároveň výrazne znižuje hmotnosť a náklady na materiál v porovnaní s riešením z plnej medi za predpokladu, že spôsob lepenia zabezpečuje nízky tepelný odpor.

Ako sú tepelné potrubia konštrukčne integrované a prečo?

V odvetví tepelného manažmentu sa o tepelných rúrkach často hovorí ako o "tepelných supravodičoch". Prenášajú tepelnú energiu oveľa rýchlejšie ako samotný pevný kov.

V spoločnosti PTSMAKE ich starostlivo integrujeme, aby sme maximalizovali ich účinnosť.

Zvyčajne do nich vyfrézujeme presné drážky. medený chladič základňa. Rúrky sú v týchto kanáloch v jednej rovine.

Toto nastavenie zaručuje, že teplo okamžite opustí zdroj. Rieši oneskorenie, ktoré sa často vyskytuje pri čisto vodivých metódach.

Proces vkladania

Konštrukčná integrácia sa začína presným CNC obrábaním. Do medeného bloku vyrežeme kanály, ktoré dokonale zodpovedajú polomeru rúrky.

Ak je uloženie voľné, vzduchové medzery znižujú výkon.

Nanesieme tenkú vrstvu vysoko vodivej spájky. Potom rúrky zatlačíme na miesto pod kontrolovaným teplom.

Prekonávanie limitov vzdialenosti

Pevná meď je vynikajúca, ale ťažko sa jej darí efektívne prenášať teplo na vzdialenosť väčšiu ako niekoľko centimetrov.

Používanie tepelných rúrok kapilárne pôsobenie¹³ na vnútornú cirkuláciu tekutiny. To nám umožňuje presúvať teplo do vzdialenejšej sústavy rebier umiestnenej ďalej od procesora.

Prečo je štruktúra dôležitá

Pri našom testovaní na PTSMAKE spájkované spojenie výrazne prevyšuje suché lisované spojenie.

Spájka preklenie mikroskopické nedokonalosti medzi rúrkou a základňou. Tým sa vytvorí súvislá tepelná cesta.

Bez tejto tesnej integrácie sa efekt "supravodiča" na rozhraní stráca.

Tepelné potrubia slúžia ako superdiaľnice pre tepelnú energiu. Ich spájkovaním do presných drážok v rámci medený chladič, prekonávame vzdialenostné obmedzenia pevného vedenia. Vďaka tomu sa teplo okamžite dostane k chladiacim rebrám a účinne sa rozptýli.

Aká je štruktúra medenej odparovacej komory?

Predstavte si parnú komoru ako rovinnú dvojrozmernú verziu štandardnej tepelnej trubice.

V spoločnosti PTSMAKE ho často popisujeme našim klientom ako dokonalý rozvádzač tepla pre obmedzené priestory.

Základná štruktúra sa opiera o tri hlavné komponenty vo vákuovo uzavretom medenom obale.

Tieto komponenty spolupracujú na efektívnom riadení vysokého tepelného toku.

Toto nastavenie vytvára úplne uzavretý systém.

Umožňuje rovnomerné rozloženie tepla v osiach X a Y takmer okamžite.

Medený plášť zaručuje odolnosť, zatiaľ čo vnútorné mechanizmy zvládajú tepelné zaťaženie.

Mechanizmus zmeny fázy

Keď sa zdroj tepla dotkne základne, kvapalina v horúcom bode sa okamžite odparí.

Táto para zaplní komoru a využije celý jej objem na šírenie tepla.

Je oveľa lepší ako pevné medené vedenie.

Pri našom testovaní pri PTSMAKE sme zaznamenali takmer okamžité vyrovnanie teploty.

Tento proces transformuje bodový zdroj tepla na rovnomerné pole.

Štrukturálna integrita a výkonnosť

Vnútorná štruktúra knôtu je pre výkon rozhodujúca.

Zvyčajne pozostáva zo spekaného medeného prášku, aby sa maximalizovala plocha povrchu.

Táto konštrukcia podopiera tenké steny proti atmosférickému tlaku.

Taktiež poháňa kvapalinu späť k zdroju tepla.

Tento nepretržitý cyklus umožňuje rýchle chladenie výkonných komponentov.

Dosiahnutie tepelnej rovnováhy

Cieľom tejto štruktúry je vytvoriť Izotermizácia¹⁴ po celej ploche podkladu.

Tým sa zabezpečí rovnomerné tepelné zaťaženie pripojených rebier.

Eliminuje horúce miesta typické pre elektroniku s vysokou hustotou.

Meď používame kvôli jej mechanickej pevnosti a kompatibilite s vodou.

Táto spoľahlivosť je dôvodom, prečo ju odporúčame pre kritický hardvér, ako je špecializovaný medený chladič.

V súhrne sa medená parná komora skladá z vákuovo uzavretého obalu, spekaného knôtu a pracovnej kvapaliny. Táto štruktúra umožňuje rýchly prenos tepla fázovou výmenou a poskytuje lepšie bočné šírenie v porovnaní s plným kovom. Je to ideálne riešenie na riadenie vysokého tepelného toku v kompaktných zariadeniach.

Ako sa medené chladiče klasifikujú podľa ich cieľového použitia?

Keď kategorizujem medený chladič, najpraktickejšou metódou je pozrieť sa na konečnú aplikáciu.

Rôzne priemyselné odvetvia vyžadujú špecifické tepelné vlastnosti a výrobné tolerancie.

Všeobecne ich rozdeľujeme do štyroch hlavných kategórií podľa toho, čo chladia.

Tu je rozdelenie týchto základných skupín:

V spoločnosti PTSMAKE vidíme, ako tieto odlišné potreby určujú výrobný proces, od šikmého rezania až po presné CNC obrábanie.

V prípade výpočtových aplikácií, ako sú CPU a GPU, je tepelnou výzvou extrémna hustota výkonu na veľmi malej ploche.

Často tu používame medené základne v kombinácii s tepelnými rúrkami alebo parnými komorami.

Hlavným cieľom je rýchlo odvádzať teplo z kremíkovej matrice.

Vysokovýkonné LED čelia trochu inému problému, pokiaľ ide o životnosť.

Vyžadujú si udržiavanie nízkych teplôt na spojoch, aby sa zabránilo zmene farby alebo predčasnému zlyhaniu.

Často pre ne vyrábame medené chladiče so špendlíkovými lamelami, aby sme maximalizovali plochu v nastaveniach s prirodzenou konvekciou.

Výkonová elektronika, ako napríklad IGBT a MOSFET, generuje obrovské celkové tepelné zaťaženie, a nie len koncentrované miesta.

V tejto oblasti sú bežným riešením v našej výrobnej linke tekuté chladiace dosky alebo ťažké medené rebrové chladiče.

Telekomunikačné zariadenia si vyžadujú dlhodobú spoľahlivosť v náročných vonkajších podmienkach.

Navrhujeme ich s ohľadom na minimálnu údržbu a často sa vyhýbame aktívnym ventilátorom.

Dôležitým konceptom vo všetkých týchto aplikáciách je tepelná odolnosť proti šíreniu¹⁵.

Meď v porovnaní s hliníkom vyniká minimalizáciou tohto odporu, čo je dôležité pre vysoko výkonné diely.

Podľa výsledkov našich testov zanedbanie špecifického prostredia aplikácie často vedie k neoptimálnemu výkonu chladenia.

Klasifikácia medených chladičov podľa použitia odhaľuje odlišné konštrukčné priority. Či už ide o vysokú hustotu procesorov alebo spoľahlivosť telekomunikačných zariadení, výrobný prístup sa musí prispôsobiť. Pochopenie týchto špecifických tepelných výziev zaručuje správne fungovanie konečného komponentu v teréne.

Kto sú kľúčoví hráči na trhu s medenými chladičmi?

Orientácia na trhu s tepelnými riešeniami si vyžaduje pochopenie rozdielnych úloh, ktoré zohrávajú rôzni výrobcovia.

Získavanie zdrojov medený chladič nie je univerzálny proces.

Podľa našich skúseností v spoločnosti PTSMAKE vedie výber nesprávneho typu dodávateľa často k technickému nesúladu.

Kategorizujeme prostredie, aby sme vám pomohli nájsť správneho partnera pre vaše špecifické objemové a technické potreby.

Priemyselní giganti

Veľké konglomeráty, ako je Boyd (predtým Aavid), definujú prostredie veľkých objemov.

Disponujú obrovskou kapacitou pre štandardné výlisky a lisované diely.

Na základe spätnej väzby od našich klientov však títo giganti často zápasia s agilitou potrebnou pre stredne rozsiahle zákazkové projekty.

Ich obrovský rozsah uprednostňuje miliónové objednávky pred špecializovanými úpravami dizajnu.

Lídri v oblasti spotrebiteľského výkonu

Značky ako Noctua a Cooler Master sú vo svete PC známe.

Sú motorom inovácií v oblasti tichého chladenia a estetického dizajnu.

Aj keď je ich inžinierstvo vynikajúce, predávajú hotové maloobchodné výrobky, nie výrobné služby.

Zvyčajne si ich nemôžete najať na výrobu vlastného komponentu pre zdravotnícke zariadenie.

Rozhodujúca úloha výrobcov na zákazku

V tomto sektore pôsobí spoločnosť PTSMAKE spolu s ďalšími presnými dielňami.

Zameriavame sa na prevod zložitých výkresov do fyzickej reality pomocou vysokokvalitnej medi.

Napríklad výroba umývadla, ktoré integruje špecifický parná komora¹⁶ vyžaduje prísne tolerancie CNC, ktoré maloobchodné výrobky neponúkajú.

Podľa našich interných porovnávacích testov poskytujú špeciálne opracované drezové plochy lepšie kontaktné plochy pre špecializované priemyselné aplikácie.

Porovnanie možností získavania zdrojov

Pochopenie rozdielu medzi výrobcami OEM na masovom trhu, maloobchodnými spotrebiteľskými značkami a zákazkovými výrobcami je veľmi dôležité. Zatiaľ čo spotrebiteľské značky ponúkajú vynikajúce hotové chladiče, priemyselné aplikácie si zvyčajne vyžadujú presnosť a flexibilitu partnera na zákazku, aby účinne splnili špecifické požiadavky na dizajn medeného chladiča.

Ako navrhnúť vlastný chladič pre vyrobiteľnosť (DFM)?

Návrh vysoko výkonného tepelného riešenia je len polovica úspechu. Skutočná výzva často spočíva v tom, aby sa dalo vyrobiť bez toho, aby to zruinovalo banku. V spoločnosti PTSMAKE sa často stretávam s návrhmi, ktoré sú teoreticky dokonalé, ale prakticky sa nedajú vyrobiť.

A medený chladič môže mať lepšiu tepelnú vodivosť. Ak však geometria ignoruje zásady DFM, výrobné náklady prudko stúpnu. Musíme vyvážiť výkonnosť s možnosťami procesu.

Kľúčové úvahy o DFM

Optimalizácia podľa typu procesu

Návrh musíme prispôsobiť konkrétnej výrobnej metóde. Pri CNC obrábaní sú nepriateľom hlboké a úzke kanály. Spôsobujú chvenie a lámanie nástrojov.

Podľa výsledkov nášho testovania sa pri udržiavaní pomeru rebier k medzerám pod 10:1 dosahuje najkonzistentnejšia kvalita. Ak potrebujete vyššiu hustotu, obrábanie nemusí byť tou správnou cestou.

Nuansy kovania a šikmého rezania

Keď prejdeme na kovanie za studena, nemôžete ignorovať uhly ťahu. Ťah 1 až 3 stupne je nevyhnutný na vysunutie dielu zo zápustky. Bez neho sa nástroj okamžite opotrebuje.

Skiving umožňuje dosiahnuť vysokú hustotu rebier, ale záleží na tvrdosti materiálu. Na stránke . Youngov modul¹⁷ materiálu má vplyv na to, ako tenké plátky možno nakrájať bez toho, aby sa zvlnili.

Praktické výrobné limity

Včasná spolupráca s nami ušetrí týždne revízií. Môžeme navrhnúť drobné úpravy geometrie, ktoré výrazne skrátia čas cyklu pri zachovaní tepelného výkonu.

Úspešný návrh chladiča si vyžaduje zosúladenie geometrie s výrobným procesom. Bez ohľadu na to, či sa používa obrábanie, kovanie alebo šikmé rezanie, rozhodujúce je rešpektovanie fyzikálnych obmedzení, ako je prístup k nástroju a uhly ponoru. Včasná spolupráca zabezpečí efektívne a spoľahlivé splnenie vašich tepelných cieľov.

Aké sú praktické metódy prevencie oxidácie medi?

Meď má neuveriteľnú tepelnú vodivosť, ale má jednu veľkú slabinu: oxidáciu. Keď je surová meď vystavená vzduchu, rýchlo stráca svoj lesk a výkon. V spoločnosti PTSMAKE používame špecifické povrchové úpravy, aby sme tomu zabránili.

Výber správnej metódy závisí od potrieb vašej aplikácie. Tu je rýchle porovnanie bežných metód prevencie oxidácie:

Bezelektrické niklovanie

Pre vysoko výkonný medený chladič, elektrolytické niklovanie je často naším najlepším odporúčaním. Na rozdiel od galvanického pokovovania sa pri tomto procese kov usadzuje chemicky. Vytvára rovnomernú hrúbku aj na zložitých geometriách s vnútornými kanálmi.

Poskytuje úplne spájkovateľný povrch. To je veľmi dôležité pre elektronické komponenty, ktoré si vyžadujú montáž. Ponúka tiež robustnú ochranu proti náročným podmienkam, v ktorých je vysoká vlhkosť.

Číre nátery proti hrdzaveniu

Ak uprednostňujete prirodzený vzhľad medi, účinnou alternatívou je organická pasivácia. Táto tenká vrstva zabraňuje zmatneniu bez výraznej zmeny rozmerov.

Poskytuje však menšiu fyzickú ochranu ako nikel. Podľa našich skúseností je vhodnejší pre diely, ktoré nie sú vystavené abrazívnym podmienkam.

Kompromis v oblasti výkonu

Pridanie akejkoľvek vrstvy predstavuje technickú výzvu. V podstate pridávate bariéru medzi zdroj tepla a chladiace médium. To spôsobuje mierne zvýšenie medzifázový tepelný odpor¹⁸.

V našom testovaní pri PTSMAKE je tento vplyv zvyčajne zanedbateľný v porovnaní s výhodami. V nasledujúcej tabuľke je táto rovnováha zvýraznená:

Zistili sme, že zabezpečenie životnosti súčiastky preváži nad zlomkovou stratou tepelnej účinnosti. Nechránená meď degraduje, čo nakoniec aj tak zničí výkon.

Predchádzanie oxidácii zahŕňa rovnováhu medzi ochranou a tepelným výkonom. Povlaky ako elektrolytický nikel alebo pasivácia síce zvyšujú minimálnu odolnosť, ale sú nevyhnutné pre trvanlivosť. Pre všetky medený chladič, tieto úpravy zabezpečujú spoľahlivé fungovanie komponentu počas celej jeho životnosti bez degradácie.

Prípadová štúdia: Chladenie 250W CPU v počítači malého formátu.

Vtesnať 250W procesor do šasi SFF (Small Form Factor) je tepelná nočná mora. Štandardné metódy chladenia tu jednoducho zlyhávajú.

V spoločnosti PTSMAKE pristupujeme k tejto výzve tak, že uprednostňujeme riadenie tepelných tokov. Vzhľadom na priestorové obmedzenia sa nemôžeme spoliehať len na objem vzduchu.

Matica tepelných výziev

Musíme využiť vysokú hustotu medený chladič v spojení s pokročilou technológiou výmeny fázy. Tým sa zabezpečuje rýchly prenos tepla z matrice.

Inžinierstvo riešenia

Na zvládnutie 250 W v obmedzenom priestore nestačí pevná kovová základňa. Tepelný tok je príliš koncentrovaný.

Pri našom testovaní sme zistili, že základňa s parnou komorou je neodmysliteľná. Rovnomerne rozvádza teplo po sústave rebier oveľa rýchlejšie ako pevná meď.

Geometria a výroba plutiev

Pri plutvách používame technológiu skiving. Tento proces nám umožňuje vytvárať tenšie lamely s vyššou hustotou ako vytláčanie.

Úloha fyziky

Odparovacia komora sa spolieha na latentné odparovacie teplo¹⁹ na presun energie. Táto fázová zmena je oveľa účinnejšia ako samotné vedenie.

Materiál tepelného rozhrania (TIM)

Štandardné plastické mazivo TIM sa pri týchto teplotách rozkladá. Odporúčame Honeywell PTM7950 alebo tekutý kov.

Na základe predchádzajúcich projektov v spoločnosti PTSMAKE sa použitím týchto pokročilých materiálov výrazne znižuje delta T, čím sa zabráni škrteniu procesora.

Úspešné chladenie 250W procesora v SFF zostave si vyžaduje komplexný prístup. Kombináciou základne s odparovacou komorou, medených rebier s vysokou hustotou a ventilátorov s vysokým statickým tlakom môžeme prekonať geometrické obmedzenia. To zaručuje spoľahlivý výkon aj pri veľkom tepelnom zaťažení.

Scenár: Znížte náklady na chladič o 30%. Aké sú vaše možnosti?

Zníženie rozpočtu na chladič o 30% je odvážny cieľ. Často si vyžaduje prehodnotenie materiálov alebo výrobných procesov. Na dosiahnutie tohto cieľa nemusíte vždy úplne obetovať výkon.

V spoločnosti PTSMAKE s našimi klientmi zvyčajne skúmame tri konkrétne páky. Skúmame výmenu materiálov, geometrické zjednodušenie a úpravu tepelných limitov. Tu je stručné rozdelenie týchto stratégií na základe našich skúseností.

Prepínač materiálu: Hybridné dizajny

Pevný medený chladič ponúka bezkonkurenčnú vodivosť. Meď je však ťažká a drahá. Inteligentnou alternatívou je hybridný dizajn. Často navrhujeme medenú základnú dosku v kombinácii s hliníkovými lamelami.

Tým sa zachováva rýchle šírenie tepla pri zdroji tepla. Hliníkové rebrá medzitým účinne rozptyľujú teplo do vzduchu. Táto kombinácia výrazne znižuje náklady na materiál bez masívneho poklesu výkonu.

Zmena procesu: Od CNC ku kovaniu

Zložité geometrie nás nútia používať CNC obrábanie. To predlžuje čas obrábania. Ak zjednodušíte konštrukciu rebier, môžeme prejsť na kovanie za studena.

Pri veľkoobjemovej výrobe kovanie za studena výrazne znižuje jednotkové náklady v porovnaní s frézovaním. V minulých testoch sme potvrdili, že zjednodušené rebrovanie stále účinne riadi prúdenie vzduchu vo väčšine štandardných podvozkov.

Úprava tepelného rozpočtu

Niekedy sú hardvérové obmedzenia príliš prísne. Ak povolíte o niečo vyššiu prevádzkovú teplotu, môžete znížiť požadovanú plochu rebier. Tým sa zníži spotreba materiálu.

Musíte však zvážiť tepelný odpor rozhrania²⁰. Zmiernením limitu teploty spoja len o 5 °C by ste mohli umožniť menšiu a lacnejšiu konštrukciu chladiča.

Dosiahnutie zníženia nákladov 30% si vyžaduje vyvážený prístup. Či už ide o prechod na hybridný medený chladič alebo prechod na kovanie, existujú kompromisy. Pomôžeme vám zorientovať sa v týchto možnostiach, aby ste zabezpečili vysokú spoľahlivosť pri súčasnom znížení nákladov.

Ako chladíte zariadenie v uzavretom, vodotesnom kryte?

Utesnenie zariadenia na účely hydroizolácie vytvára vážnu tepelnú pascu. Štandardné ventilátory sú tu nepoužiteľné, pretože nedochádza k výmene vzduchu s vonkajším prostredím. Podľa našich skúseností v spoločnosti PTSMAKE je spoliehanie sa na vnútorný pohyb vzduchu chybou.

Nemôžete len dúfať, že teplo zmizne. Vzduch vo vnútri pôsobí ako izolant, nie ako chladivo.

Prečo zlyháva vnútorná konvekcia

Statická vzduchová kapsa zabraňuje prenosu tepla. Potrebujeme fyzický mostík.

Musíme efektívne premiestňovať teplo bez toho, aby sme museli otvárať škatuľu.

Ak to chceme napraviť, musíme zmeniť stratégiu. Z konvekcie prejdeme na kondukciu. Cieľom je fyzicky prepojiť horúci komponent priamo so stenou skrine.

Vodivá cesta

Často používame vlastný medený chladič alebo tepelnej rúrky. Meď je ideálna, pretože rýchlo prenáša energiu. Teplo sa šíri z dosky plošných spojov do medeného bloku. Potom sa presúva priamo do plášťa skrine.

Stratégia vonkajších stien

Chladičom sa stáva samotná skrinka. Ak je skriňa plastová, je to ťažké, pretože plast izoluje. Najlepšie sa tu osvedčujú kovové skrinky.

V predchádzajúcich spoločných štúdiách s klientmi sme zistili, že zväčšenie plochy na vonkajšej strane je veľmi dôležité. Významne pomáha finalizácia vonkajšej strany.

Porovnanie materiálov pre skrinky

Je tu skrytý nepriateľ. Volá sa medzifázový tepelný odpor²¹.

Aj pri medenom chladiči blokujú teplo malé medzery. Na vyplnenie týchto medzier používame tepelnú pastu alebo podložky. Tým sa zabezpečí nepretržitá cesta pre únik energie do okolitého prostredia.

Chladenie utesnených zariadení si vyžaduje obtok vnútorného vzduchu. Musíte vytvoriť pevnú vodivú cestu pomocou materiálov, ako je medený chladič, aby sa teplo prenieslo na stenu skrine. Vonkajší povrch potom túto energiu rozptýli do okolia a funguje ako konečný chladič.

Analyzujte dva konkurenčné komerčné chladiče CPU (jeden medený, jeden hybridný).

V oblasti vysokovýkonného chladenia sa často stretávame s dvoma odlišnými prístupmi. Jeden sa spolieha na čisté medený chladič zatiaľ čo druhý využíva hybridnú kombináciu materiálov.

Pozrime sa na rozborku dvoch lídrov na trhu, aby sme pochopili, prečo výrobcovia robia tieto špecifické rozhodnutia.

Toto porovnanie ukazuje, ako výber materiálu priamo určuje zložitosť výroby a konečné umiestnenie v maloobchode.

V našom laboratóriu PTSMAKE sme rozobrali usporiadanie tepelných trubíc. Medená jednotka používa šesť 6 mm rúrok, zatiaľ čo hybridná používa štyri 8 mm rúrky.

Výber nie je len o ploche. Ide o vyváženie vnútornej Kapilárne pôsobenie²² proti vzdialenosti, ktorú musí teplo prekonať.

Medený model je vybavený hustou vrstvou rebier. Tým sa zväčšuje plocha povrchu, ale na pretláčanie vzduchu je potrebný výkonný ventilátor.

Naopak, hybridný model využíva väčšie rozstupy. Toto rozhodnutie znižuje náklady na materiál a umožňuje tichú prevádzku, čím oslovuje širší trh.

Z hľadiska obrábania sa montážne mechanizmy veľmi líšia. Ťažká medená jednotka vyžaduje oceľovú zadnú dosku, aby sa zabránilo deformácii základnej dosky.

Tým sa zvyšuje súpiska materiálov. Keďže hybridná jednotka je ľahšia, vystačí si s jednoduchými zatláčacími čapmi, čím sa skráti čas montáže na výrobnej linke.

V minulých projektoch PTSMAKE sme zistili, že ťažké medené konštrukcie často vyžadujú približne 30% robustnejší montážny hardvér ako hybridné alternatívy.

Analyzovali sme, ako sa plná medený chladič uprednostňuje hrubú tepelnú kapacitu pred hmotnosťou, čo si vyžaduje robustnú montáž. Naopak, hybridný dizajn vyvažuje výkon s výrobnými nákladmi, pričom využíva väčšie rozstupy rebier pre akustické výhody a zjednodušenú montáž pre masový trh.

Navrhnite novú konštrukčnú inováciu medeného chladiča.

Štandardný tepelný manažment často naráža na stenu, pokiaľ ide o hmotnosť. Zatiaľ čo medený chladič ponúka vynikajúcu tepelnú vodivosť, jeho vysoká hustota však sťažuje jeho použitie v ľahkých aplikáciách, ako je robotika alebo letecký priemysel. Musíme sa posunúť ďalej než len k jednoduchým úpravám hustoty rebier.

V spoločnosti PTSMAKE veríme, že ďalší skok príde vďaka zmene samotnej vnútornej štruktúry. Musíme prejsť od subtraktívneho myslenia ku generatívnemu dizajnu.

Súčasné obmedzenia vs. inovácie

Cieľom tohto prístupu je zachovať tepelný výkon, ale odstrániť prebytočnú hmotnosť.

Na vyriešenie problému hmotnosti bez straty chladiaceho výkonu navrhujem integráciu hybridného výrobného procesu. Môžeme skombinovať presné CNC obrábanie základne s aditívnou výrobou štruktúry rebier.

To nám umožňuje vytvoriť Trojitý periodický minimálny povrch²³ (TPMS) geometria.

Výhody štruktúr TPMS

Na rozdiel od štandardných kolíkov alebo rebier táto geometria rozdeľuje prúd vzduchu kontinuálne. Vytvára prirodzenú turbulenciu. Táto turbulencia narúša hraničnú vrstvu vzduchu, ktorá zvyčajne pôsobí ako izolátor.

V našich interných štúdiách s dizajnérskymi partnermi táto štruktúra výrazne zvyšuje efektívnu plochu v rámci rovnakého objemu.

Porovnanie štrukturálnej účinnosti

Túto konštrukciu nie je možné obrábať len tradičným frézovaním. 3D tlačou medenej mriežky a CNC obrábaním styčného povrchu na rovinnosť však získame to najlepšie z oboch svetov.

Táto inovácia znižuje celkovú hmotnosť dielu približne o 40%. Transformuje medený chladič z ťažkej kotvy na vysoko výkonný a ľahký komponent vhodný pre dynamický hardvér.

Prehodnotením geometrie vyriešime prirodzený problém hustoty medi. Od štandardných rebier sme prešli k matematickej mriežkovej štruktúre, čím sme optimalizovali plochu a hmotnosť. Tento hybridný prístup využíva presnosť CNC aj aditívnu zložitosť na dosiahnutie vynikajúceho tepelného manažmentu.

Odomknite presné riešenia medených chladičov s PTSMAKE

Ste pripravení vylepšiť svoje projekty pomocou vysokokvalitných medených chladičov? Obráťte sa na technických expertov spoločnosti PTSMAKE, ktorí vám poskytnú rýchlu cenovú ponuku na zákazkové riešenia, od prototypov až po sériovú výrobu. Zažite spoľahlivé služby, presnú výrobu a včasné dodávky - pošlite svoju RFQ ešte dnes a prekonajme vaše očakávania!