Как рассчитать размер радиатора для вашего применения
Чтобы рассчитать размер радиатора, сначала необходимо определить общее тепловое сопротивление, требуемое между переходом компонента и окружающим воздухом, а затем разделить максимально допустимый рост температуры на рассеиваемую мощность. Этот расчет дает требуемое значение теплового сопротивления (в °C/Вт), которое вы сопоставляете с кривой производительности радиатора или данными из технического описания. Для процессора мощностью 10 Вт с допустимым ростом температуры на 50 °C выше температуры окружающей среды вам потребуется радиатор с тепловым сопротивлением 5,0 °C/Вт или ниже, что обычно соответствует экструдированному алюминиевому профилю размером примерно 75 мм x 75 мм x 25 мм при естественной конвекции.
Какова базовая формула для расчета размера радиатора?
Основное уравнение представляет собой простую тепловую аналогию: Tj = Ta + (P x Rth), где Tj — температура перехода, Ta — температура окружающей среды, P — рассеиваемая мощность в ваттах, а Rth — общее тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде. Чтобы найти максимально допустимое общее тепловое сопротивление, преобразуйте формулу: Rth(макс) = (Tj(макс) - Ta) / P. Это общее сопротивление представляет собой сумму трех последовательных сопротивлений: переход-корпус (Rth-jc), корпус-радиатор (Rth-cs) и радиатор-окружающая среда (Rth-sa). Для большинства расчетов вы будете определять Rth-sa — собственное тепловое сопротивление радиатора, которое является единственным значением, которое вы можете контролировать через геометрию и материал.
В качестве практического примера рассмотрим MOSFET, выделяющий 15 Вт тепла, с максимальной температурой перехода 150 °C и температурой окружающей среды 50 °C. Допустимый рост температуры составляет 100 °C, что дает общее Rth 6,67 °C/Вт. Если сопротивление переход-корпус составляет 0,5 °C/Вт, а интерфейс корпус-радиатор (с теплопроводящей пастой) — 0,2 °C/Вт, требуемое сопротивление радиатор-окружающая среда составляет 5,97 °C/Вт. Затем вы выберете радиатор с указанным в техническом описании значением 6,0 °C/Вт или ниже при ваших конкретных условиях воздушного потока.
Как преобразовать тепловое сопротивление в физические размеры?
Для естественной конвекции с экструдированными алюминиевыми радиаторами полезное эмпирическое правило заключается в том, что тепловое сопротивление 1 °C/Вт требует приблизительно от 100 до 150 квадратных сантиметров площади поверхности. Для принудительной конвекции с воздушным потоком 2 м/с требуемая площадь поверхности снижается примерно до 40–60 квадратных сантиметров на 1 °C/Вт. Исходя из этих целевых значений площади, вы можете вывести длину, ширину и высоту ребер. Например, радиатор с естественной конвекцией на 5 °C/Вт требует около 500–750 см² общей смачиваемой площади поверхности, что может быть достигнуто с помощью базовой пластины 100 мм x 100 мм и 12 ребер высотой 20 мм.
Экструдированные профили обычно имеют высоту ребер от 10 до 40 мм, толщину ребер от 1,5 до 3,0 мм и шаг ребер (расстояние между центрами) от 5 до 10 мм. Для естественной конвекции предпочтителен более широкий шаг ребер 7–10 мм для уменьшения интерференции пограничного слоя. Для принудительной конвекции более плотный шаг 4–6 мм увеличивает площадь поверхности на единицу объема. Толщина базовой пластины должна быть не менее 5 мм для равномерного распределения тепла, хотя для источников тепла диаметром более 25 мм рекомендуется 8–10 мм.
Почему температура окружающей среды и высота над уровнем моря важны в расчете?
Температура окружающей среды напрямую уменьшает доступную разницу температур между поверхностью радиатора и окружающим воздухом, которая является движущей силой рассеивания тепла. Если температура окружающей среды составляет 70 °C вместо 25 °C, допустимый рост температуры для предела перехода 125 °C снижается со 100 °C до 55 °C, что означает необходимость примерно вдвое большей площади поверхности для той же мощности. На больших высотах плотность воздуха снижается, уменьшая коэффициент конвективной теплопередачи примерно на 2–3 процента на каждые 300 метров подъема. На высоте 3000 метров вам может потребоваться на 20–30 процентов больше площади поверхности по сравнению с уровнем моря для той же производительности.
Для естественной конвекции коэффициент теплопередачи обычно составляет от 5 до 15 Вт/(м²·К) в зависимости от ориентации и геометрии ребер. Для принудительной конвекции коэффициент колеблется от 20 до 100 Вт/(м²·К) в зависимости от скорости воздуха. Большинство тепловых симуляций и данных из технических описаний предполагают условия уровня моря с температурой воздуха 20–25 °C. Всегда снижайте номинал производительности радиатора на 10 процентов на каждые 15 °C выше 25 °C температуры окружающей среды и на 10 процентов на каждые 1000 метров над уровнем моря.
Какой материал следует выбрать для радиатора?
Алюминий 6063-T5 является отраслевым стандартом для экструдированных радиаторов, обеспечивая теплопроводность примерно 200 Вт/(м·К) при стоимости от 3 до 6 долларов США за килограмм. Медь обеспечивает 385 Вт/(м·К), но стоит от 8 до 15 долларов США за килограмм и весит в 3,3 раза больше, поэтому обычно используется только при крайне ограниченном пространстве. Алюминий 6061-T6 немного прочнее, но имеет ту же теплопроводность, тогда как литой алюминий ADC12 имеет более низкую проводимость около 96 Вт/(м·К) из-за пористости и состава сплава, что делает его менее эффективным, несмотря на более низкие затраты на оснастку.
Для крупносерийного производства оснастка для алюминиевой экструзии стоит от 800 до 3000 долларов США за профиль, со сроками поставки от 2 до 4 недель. Литые радиаторы требуют оснастки от 10 000 до 50 000 долларов США, но позволяют создавать более сложные формы. Штампованные алюминиевые реберные сборки, распространенные в производственной линии BQUQ, обеспечивают тепловые характеристики в пределах 10–15 процентов от цельных экструзий при более низкой себестоимости единицы для объемов свыше 10 000 изделий в год. Строганые медные радиаторы обеспечивают проводимость, близкую к чистой меди, — 380 Вт/(м·К), но стоят на 30–50 процентов дороже экструдированного алюминия.
Сколько площади поверхности необходимо для заданной рассеиваемой мощности?
Следующая таблица предоставляет эмпирические требования к площади поверхности для алюминиевых радиаторов с естественной конвекцией на уровне моря с ростом температуры на 30 °C выше температуры окружающей среды. Эти значения предполагают черное анодирование поверхности, которое повышает излучательную способность с 0,1 (голый алюминий) до 0,9, улучшая лучистую теплопередачу на 20–30 процентов.
| Рассеиваемая мощность (Вт) | Требуемая площадь поверхности (см²) | Типичный размер радиатора (мм) | Расчетное Rth-sa (°C/Вт) |
| 5 | 200 | 60 x 60 x 15 | 6,0 |
| 10 | 350 | 75 x 75 x 25 | 5,0 |
| 15 | 500 | 100 x 100 x 25 | 4,0 |
| 20 | 650 | 120 x 120 x 30 | 3,0 |
| 30 | 950 | 150 x 150 x 35 | 2,5 |
| 50 | 1600 | 200 x 200 x 40 | 1,8 |
| 75 | 2400 | 250 x 250 x 45 | 1,2 |
Для принудительной конвекции при воздушном потоке 2 м/с разделите требуемую площадь поверхности на 2,5–3,0. Для воздушного потока 5 м/с разделите на 4,0–5,0. Эти множители предполагают, что воздушный поток направлен вдоль каналов ребер с минимальным препятствием. Если ваше применение имеет ограниченный воздушный поток или радиатор заключен в корпус, увеличьте площадь поверхности на 50 процентов.
Как учесть контактное сопротивление и термоинтерфейсные материалы?
Интерфейс между источником тепла и основанием радиатора вносит от 0,1 до 1,0 °C/Вт в зависимости от плоскостности поверхности, давления и используемого термоинтерфейсного материала (TIM). Слой термопасты толщиной 0,1 мм с проводимостью 1,5 Вт/(м·К) на кристалле 25 мм x 25 мм дает примерно 0,1 °C/Вт. Материалы с фазовым переходом и термопрокладки имеют диапазон от 1,0 до 5,0 Вт/(м·К), но добавляют 0,2–0,5 °C/Вт из-за своей толщины. Для наилучшей производительности используйте равномерно нанесенный слой термопасты толщиной от 25 до 50 мкм с давлением монтажа от 10 до 30 фунтов на квадратный дюйм.
Плоскостность поверхности основания радиатора должна быть 0,05 мм или лучше для оптимального контакта. BQUQ обрабатывает основания радиаторов с допуском плоскостности 0,02 мм на длине 100 мм, обеспечивая минимальное интерфейсное сопротивление. Если вам необходимо установить несколько источников тепла на один радиатор, разместите их на расстоянии не менее 10 мм друг от друга и используйте основание толщиной не менее 8 мм, чтобы избежать тепловой связи. Для мощных IGBT-модулей рассмотрите радиаторы с паровой камерой или тепловыми трубками, которые могут снизить сопротивление растеканию на 50 процентов по сравнению с цельным алюминием.
Когда следует рассмотреть активное охлаждение вместо более крупного радиатора?
Если требуемое Rth-sa ниже 1,0 °C/Вт и объем радиатора превышает 500 см³, принудительная конвекция с вентилятором обычно более экономически эффективна, чем пассивный радиатор. Вентилятор 40 мм x 40 мм, обеспечивающий воздушный поток 10 м³/ч при 3000 об/мин, может снизить требуемую площадь поверхности на 60 процентов, уменьшая объем радиатора с 500 см³ до 200 см³. Вентиляторы добавляют от 1 до 5 Вт потребляемой мощности и имеют среднюю наработку на отказ от 30 000 до 70 000 часов, что может быть приемлемо для промышленного оборудования, но не для герметичной бытовой электроники.
Для плотности мощности выше 50 Вт/см² на источнике тепла рассмотрите жидкостное охлаждение, которое достигает 0,05–0,2 °C/Вт с холодной пластиной и радиатором. Тепловые трубки эффективны для перемещения тепла от ограниченного источника к удаленному реберному блоку с типичной мощностью 50–100 Вт на трубку. Критерий решения прост: если объем радиатора, требуемый для пассивного охлаждения, превышает 1 литр или вес превышает 2 килограмма, активное охлаждение или тепловые трубки снизят общую стоимость системы и занимаемое пространство.
Каковы практические шаги для проверки размера радиатора?
Во-первых, рассчитайте требуемое Rth-sa, используя формулу из раздела 1, включая все интерфейсные сопротивления. Во-вторых, оцените площадь поверхности, используя таблицу из раздела 4, затем выберите стандартный экструзионный профиль, который обеспечивает как минимум эту площадь. В-третьих, измерьте фактическое тепловое сопротивление с помощью термопары на источнике тепла и второй термопары в окружающем воздухе при известной нагрузке мощности. В-четвертых, учтите ориентацию: горизонтальные ребра работают на 10–15 процентов хуже, чем вертикальные, при естественной конвекции из-за сниженного эффекта тяги.
Используйте инструмент CFD-симуляции или эмпирическое тестирование для проверки эффективности ребер, которая обычно составляет от 70 до 90 процентов для алюминиевых ребер. Если измеренный рост температуры превышает расчетное значение более чем на 15 процентов, проверьте плохой контакт, недостаточное давление монтажа или заблокированный воздушный поток. Для производственной валидации BQUQ рекомендует тест на термические циклы из 1000 циклов от -40 °C до 125 °C, чтобы убедиться, что TIM не выдавливается и радиатор не деформируется.
Часто задаваемые вопросы
Каково разумное тепловое сопротивление для небольшого радиатора?
Алюминиевый радиатор 50 мм x 50 мм x 10 мм с естественной конвекцией обеспечивает примерно 8–10 °C/Вт. Для сравнения, радиатор 100 мм x 100 мм x 25 мм обеспечивает 3–4 °C/Вт, а радиатор 200 мм x 200 мм x 40 мм — 1,2–1,8 °C/Вт.
Как анодирование улучшает производительность радиатора?
Черное анодирование повышает излучательную способность поверхности с 0,1 до 0,9, что улучшает лучистую теплопередачу на 20–30 процентов при естественной конвекции. Анодный слой является электроизоляционным и коррозионностойким, не добавляя измеримого теплового сопротивления при толщине 10–25 мкм.
Можно ли использовать радиатор без термопасты?
Можно, но интерфейсное сопротивление увеличится с 0,1 °C/Вт до 0,5–1,0 °C/Вт из-за воздушных зазоров, которые имеют теплопроводность всего 0,026 Вт/(м·К). Это может снизить эффективную производительность радиатора на 30–50 процентов, поэтому настоятельно рекомендуется использовать термопасту или прокладку.
Какова максимальная высота ребер для экструдированного радиатора?
Стандартные алюминиевые экструзии могут достигать высоты ребер до 75 мм с толщиной ребра 1,5 мм и соотношением высоты к ширине 1:50. Для более высоких ребер свыше 75 мм используйте строгание, склеивание или паяные реберные сборки, которые могут достигать высоты 150 мм.
Как рассчитать размер радиатора для импульсных нагрузок?
Для импульсных нагрузок усредняйте мощность по тепловой постоянной времени радиатора, которая обычно составляет 1–5 минут для алюминиевых экструзий. Если длительность импульса менее 10 секунд, используйте тепловую емкость радиатора для поглощения энергетического всплеска без превышения температуры перехода.
Какая скорость воздушного потока необходима для радиатора с принудительной конвекцией?
Минимальная скорость воздушного потока 1–2 м/с через каналы ребер требуется для достижения улучшения в 2,5 раза по сравнению с естественной конвекцией. Для радиатора 100 мм x 100 мм это соответствует воздушному потоку 0,6–1,2 м³/мин от вентилятора.
Сколько стоит нестандартный радиатор?
Экструдированный алюминиевый радиатор с нестандартной оснасткой стоит от 800 до 3000 долларов США за матрицу плюс от 3 до 6 долларов США за килограмм материала. Механическая обработка добавляет от 10 до 50 долларов США за изделие в зависимости от особенностей, а анодирование добавляет от 1 до 3 долларов США за квадратный метр.
Инженерная команда BQUQ может рассчитать точный размер радиатора для вашего применения в течение 12 часов. Отправьте вашу рассеиваемую мощность, температуру окружающей среды и максимальную температуру перехода на sc@bquq.com или свяжитесь с нами в WhatsApp по номеру +86 13713157787. Посетите www.bquq.com для получения технических описаний и стандартных профилей.
