новости

Как улучшить производительность радиатора без изменения конструкции

Прямой ответ: вы можете улучшить производительность радиатора до 18% без изменения его физических размеров четырьмя ключевыми способами: оптимизация интерфейсного материала (TIM), регулировка режима воздушного потока с помощью воздуховодов, улучшение обработки поверхности для излучения и изменение производственного процесса для опорной плиты. Эти методы направлены на снижение теплового сопротивления в точках контакта и увеличение коэффициента теплопередачи (h) на воздушной стороне, а не на изменение геометрии ребер. Ниже мы подробно описываем инженерные параметры, измеримые выгоды и затраты для каждого метода.

## Оптимизация термоинтерфейсного материала (TIM) Наиболее значительный и экономически эффективный выигрыш достигается заменой стандартной термопасты или прокладки. Тепловое сопротивление слоя TIM, измеряемое в К·см²/Вт, часто доминирует в общем сопротивлении от перехода к окружающей среде. Типичная силиконовая прокладка имеет теплопроводность 1,5 Вт/м·К при толщине 0,5 мм. Переход на материал с фазовым переходом (PCM) с теплопроводностью 8,5 Вт/м·К и толщиной клеевого шва (BLT) 0,025 мм под давлением снижает контактное сопротивление примерно на 40%.

Для источника тепла мощностью 100 Вт на процессоре размером 50 мм x 50 мм только это изменение может снизить разницу температур корпус-радиатор с 12,4°C до 7,3°C. В условиях серийного производства мы рекомендуем использовать трафаретную печать припоя (индий или Sn63Pb37) для неразъемных сборок. Разница в стоимости составляет от 0,18 до 0,45 доллара США за единицу для PCM против 0,05 доллара США для стандартной пасты, но термическое улучшение оправдывает расходы для высоконадежной электроники.

## Управление воздушным потоком и статическим давлением Замена вентилятора или воздуховода не изменяет конструкцию радиатора, но значительно улучшает коэффициент конвективной теплопередачи. Стандартный осевой вентилятор, обеспечивающий 60 CFM при статическом давлении 2,5 мм вод. ст., может подавать только 40 CFM через плотный массив ребер (шаг ребер 1,5 мм) из-за перепада давления. Переход на центробежный вентилятор или добавление пленум-воздуховода, герметизирующего вход к торцам ребер, может увеличить эффективную скорость с 2,1 м/с до 3,6 м/с.

Согласно корреляции Диттуса-Бёльтера, коэффициент теплопередачи (h) масштабируется со скоростью в степени 0,8. Это увеличение скорости на 71% дает улучшение h на 55%. Для радиатора с тепловым сопротивлением 0,25°C/Вт при 2,1 м/с новое сопротивление снижается до 0,16°C/Вт. Инженерным компромиссом является акустический шум: центробежный вентилятор при 3,6 м/с обычно генерирует 42 дБА против 35 дБА у осевого вентилятора. Мы рекомендуем это для промышленных приводов, где шум является вторичным фактором по сравнению с температурой перехода.

## Обработка поверхности и покрытия для излучения Для естественной конвекции или применений с низким воздушным потоком (ниже 1,5 м/с) излучение составляет от 15% до 25% общего рассеивания тепла. Коэффициент излучения сырой, механически обработанной алюминиевой поверхности (бесцветное анодирование) составляет примерно 0,20. Черное анодирование повышает его до 0,85, что дает 4,25-кратное улучшение лучистой теплопередачи. В герметичном корпусе без принудительного воздушного потока только это изменение может снизить повышение температуры радиатора с 45°C над температурой окружающей среды до 38°C.

Толщина покрытия (от 8 до 12 микрон для анодирования класса 2) не влияет на допуски зазора между ребрами при правильном указании. Однако мы должны предостеречь от порошкового окрашивания, которое добавляет от 50 до 80 микрон и может забить каналы ребер при шаге ниже 2,0 мм. Стоимость черного анодирования обычно составляет от 0,30 до 0,60 доллара США за килограмм веса детали, в зависимости от размера партии. Для радиатора весом 300 грамм это примерно 0,15 доллара США за единицу.

## Плоскостность и шероховатость поверхности опорной плиты Контактное сопротивление между источником тепла и основанием радиатора напрямую контролируется допусками механической обработки. Стандартное основание, обработанное на станке с ЧПУ, имеет плоскостность 0,08 мм и шероховатость поверхности (Ra) 1,6 мкм. Это оставляет микроскопические воздушные зазоры, которые действуют как изоляторы. При указании притирки или шлифовки поверхности с плоскостностью 0,02 мм и Ra 0,4 мкм эффективная площадь контакта увеличивается с 30% до 70% номинальной площади.

На нашем заводе мы используем двухдисковый шлифовальный станок для достижения этой спецификации. Этот процесс добавляет от 8 до 12 минут времени цикла на деталь, увеличивая стоимость механической обработки с 2,10 до 2,90 доллара США для типичного основания из алюминия 6061-T6. Однако улучшение теплового сопротивления измеримо: с 0,08°C/Вт до 0,03°C/Вт для интерфейса размером 40 мм x 40 мм. Для мощных IGBT-модулей это часто является разницей между прохождением и провалом теста на термическое циклирование.

## Заправка тепловых трубок и паровых камер Если конструкция радиатора представляет собой сборку с тепловыми трубками, производительность можно улучшить, увеличив заряд рабочей жидкости или изменив структуру фитиля. Стандартная медно-водяная тепловая трубка диаметром 3,0 мм с сетчатым фитилем имеет максимальную мощность теплопередачи 25 Вт. При замене на спеченный фитиль тех же размеров мощность возрастает до 45 Вт. Тепловое сопротивление также снижается с 0,40°C/Вт до 0,15°C/Вт.

Для существующей конструкции радиатора это изменение на уровне производства, а не геометрии. Надбавка к стоимости спеченного фитиля по сравнению с сетчатым составляет 0,20 доллара США за трубку. В радиаторе с 6 тепловыми трубками это дополнительные 1,20 доллара США. Коэффициент заполнения (отношение объема жидкости к внутреннему объему) должен быть оптимизирован с 10% до 15%, чтобы предотвратить пересыхание при высоком тепловом потоке. Мы проверяем это с помощью теста теплового импеданса при подводимой мощности 70 Вт, измеряя разницу температур на концах трубки.

## Сводка сравнительной производительности В таблице ниже показано ожидаемое снижение теплового сопротивления для базового алюминиевого экструзионного радиатора (200 мм x 100 мм x 40 мм, 10 ребер, шаг 2,0 мм) при вынужденной конвекции со скоростью 3,0 м/с и общей мощностью 150 Вт.

## Практические рекомендации для производства Для объема от 5 000 единиц в месяц и выше мы рекомендуем начать с модернизации TIM и притирки опорной плиты, поскольку эти операции контролируются в ячейке механической обработки с ЧПУ. Проверяйте плоскостность с помощью интерферометра Zygo на выборочной основе (1 из 50 деталей). Для воздуховода используйте моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) для подтверждения соответствия статического давления характеристикам вентилятора. Если перепад давления превышает максимальный для вентилятора, воздуховод не поможет.

Для алюминиевых сплавов используйте 6061-T6 для основания и 6063-T5 для экструдированных ребер. Не используйте 5052 для опорной плиты, так как его теплопроводность составляет 138 Вт/м·К против 167 Вт/м·К у 6061, что увеличивает тепловое сопротивление на 17%. Также убедитесь, что маска для анодирования защищает контактную поверхность основания, если вам необходимо избежать изолирующего оксидного слоя. Если вам требуется диэлектрический TIM, используйте силиконовую прокладку с наполнителем из нитрида бора, но ожидайте на 20% более высокое сопротивление, чем у металлической термопасты.

## Часто задаваемые вопросы В: Всегда ли более тонкий радиатор работает хуже? О: Нет, если вы улучшите эффективность ребер, увеличив шаг ребер с 2,0 мм до 2,5 мм, у вас может быть меньше ребер, но лучше воздушный поток, что может снизить сопротивление на 7% при низких скоростях вращения вентилятора.

В: Можно ли использовать термопасту с более высокой вязкостью? О: Высоковязкая смазка (2000 Па·с) снижает вытеснение, но может увеличить толщину клеевого шва, если не отверждена должным образом. Мы рекомендуем вязкость от 500 до 800 Па·с для вертикальных применений.

В: Эффективно ли меднение алюминия? О: Нанесение 8 мкм меди на поверхность ребер увеличивает поверхностную проводимость, но добавляет стоимость (0,40 доллара США за единицу) и не улучшает значительно объемный тепловой путь. Это полезно только для коррозионной стойкости.

## Заключение Улучшение производительности радиатора без изменения конструкции — это вопрос снижения паразитных сопротивлений в тепловом пути. Наибольший выигрыш дают TIM и управление воздушным потоком, в то время как обработка поверхности дает меньший, но стабильный эффект. Для типичного применения мощностью 150 Вт применение всех четырех методов снижает температуру радиатора на 15°C, что может продлить срок службы компонентов на 40% согласно уравнению Аррениуса (каждое снижение на 10°C удваивает срок службы). Эти изменения реализуемы на ваших существующих чертежах и требуют только обновления процессов и спецификаций поставщиков.

Наша инженерная команда в BQUQ может рассмотреть ваш текущий чертеж радиатора и предоставить отчет по тепловому моделированию в течение 12 часов после получения ваших файлов. Мы предоставим точную стоимость притирки, анодирования и нанесения TIM на основе вашего объема. Отправьте ваш файл STEP или IGES на sc@bquq.com или свяжитесь с нами в WhatsApp по номеру +86 13713157787. Посетите наш сайт www.bquq.com для получения дополнительных примеров по управлению температурой для IGBT, светодиодов и кулеров для процессоров.

Похожие Статьи

• Радиаторы для аккумуляторных блоков: предотвращение теплового разгона
• Штампованные металлические радиаторы против литых под давлением: сравнение стоимости и качества
• Реконструкция аппаратного теплоотвода при проникновении ИИ-сервера с жидкостным охлаждением: холодная пластина, микроканал и двухфазный поток