новости

В чем разница между радиатором охлаждения и теплоотводом в электронике?

Радиатор — это пассивный компонент, который передает тепло от горячего устройства к более холодной жидкости, как правило, воздуху, посредством теплопроводности и конвекции, в то время как радиатор охлаждения — это компонент, который передает тепло между двумя жидкостями, такими как хладагент и воздух, и часто является частью контура жидкостного охлаждения. Основное различие заключается в среде теплопередачи: радиатор работает непосредственно с воздухом или одной жидкостью, тогда как радиатор охлаждения требует принудительной циркуляции жидкости в контуре для эффективной работы. В электронике радиатор используется для локального охлаждения отдельного чипа, в то время как радиатор охлаждения используется для рассеивания тепла, собранного со всей системы, такой как сервер с жидкостным охлаждением или высокопроизводительный графический процессор.

Что определяет радиатор в электронике?

Радиатор — это пассивный теплообменник, который охлаждает электронный компонент, рассеивая тепло в окружающий воздух. Обычно он изготавливается из алюминия или меди и имеет ребра, которые увеличивают площадь поверхности для конвективной теплопередачи. Радиатор механически крепится к компоненту с помощью термоинтерфейса (TIM), такого как термопаста или фазопереходные прокладки, с типичной теплопроводностью от 1 до 8 Вт/(м·К) для стандартных силиконовых паст и до 80 Вт/(м·К) для соединений на основе жидкого металла.

Производительность радиатора количественно оценивается его тепловым сопротивлением, измеряемым в °C/Вт. Например, типичный экструдированный алюминиевый радиатор для процессора имеет тепловое сопротивление от 0,5 до 1,0 °C/Вт при естественной конвекции воздуха со скоростью 0,5 м/с. В условиях принудительной конвекции с вентилятором, обеспечивающим поток воздуха 2,0 м/с, тот же радиатор может достичь теплового сопротивления от 0,2 до 0,4 °C/Вт. Это означает, что процессор мощностью 100 Вт будет поддерживать повышение температуры корпуса на 20–40 °C относительно температуры окружающей среды при принудительном обдуве, что приемлемо для большинства кремниевых переходов с пределом 85–105 °C.

Что определяет радиатор охлаждения в электронике?

Радиатор охлаждения в электронике — это теплообменник типа «жидкость-воздух», который рассеивает тепло от хладагента в окружающий воздух. Это важный компонент системы жидкостного охлаждения, где насос циркулирует хладагент через холодную пластину, прикрепленную к источнику тепла, а затем через радиатор охлаждения, где тепло отводится. Радиатор охлаждения состоит из сердечника с несколькими каналами для потока жидкости и плотного ряда ребер для теплоотдачи со стороны воздуха, обычно изготавливается из меди или алюминия.

Радиаторы охлаждения оцениваются по их способности рассеивать тепло, часто выражаемой в ваттах на 120-мм слот вентилятора. Стандартный радиатор охлаждения 240 мм (два вентилятора 120 мм) может рассеивать от 200 до 300 Вт тепла при разнице температур 10 °C между хладагентом и окружающим воздухом и потоке воздуха 60 кубических футов в минуту (CFM) на вентилятор. Более толстый радиатор охлаждения 45 мм может выдерживать от 300 до 400 Вт, но требует вентиляторов с более высоким статическим давлением для преодоления увеличенного сопротивления воздушному потоку. Скорость потока хладагента обычно составляет от 1,0 до 1,5 литров в минуту, а перепад давления на радиаторе охлаждения обычно составляет от 0,5 до 1,5 фунта на квадратный дюйм (psi) при такой скорости потока.

Чем различаются процессы теплопередачи у радиатора и радиатора охлаждения?

Фундаментальное различие заключается в механизме теплопередачи и количестве задействованных жидких сред. Радиатор использует твердотельную теплопроводность от компонента к ребрам, а затем естественную или принудительную конвекцию непосредственно к воздуху. Коэффициент теплопередачи для воздуха при естественной конвекции составляет от 5 до 25 Вт/(м²·К), в то время как принудительная конвекция с вентилятором повышает его до 25–250 Вт/(м²·К). Поскольку воздух имеет низкую теплопроводность 0,026 Вт/(м·К), радиаторы должны иметь большие площади поверхности и плотное расположение ребер, обычно от 1,5 до 3,0 мм, чтобы быть эффективными.

Радиатор охлаждения, напротив, использует жидкостное охлаждение для первоначальной передачи тепла от компонента к хладагенту через холодную пластину. Хладагент, обычно смесь воды и этиленгликоля, имеет теплопроводность от 0,4 до 0,6 Вт/(м·К), что в 15–20 раз выше, чем у воздуха. Это позволяет эффективно перемещать тепло на расстояния от 0,5 до 1,0 метра от источника тепла к радиатору охлаждения. В радиаторе охлаждения тепло затем передается от жидкости к воздуху через реберный сердечник. Коэффициент теплопередачи со стороны жидкости составляет от 1000 до 5000 Вт/(м²·К), но коэффициент со стороны воздуха остается узким местом, поэтому плотность ребер радиатора охлаждения оптимизируется для воздушной стороны, обычно от 10 до 20 ребер на дюйм.

В каком применении следует использовать радиатор вместо радиатора охлаждения?

Радиатор является правильным выбором для применений с одним источником тепла, низкой общей рассеиваемой мощностью и ограниченным пространством. Примеры включают микропроцессоры в ноутбуках, силовые МОП-транзисторы в регуляторах напряжения и светодиодные матрицы. Для одного процессора мощностью 65 Вт в настольном ПК радиатора с тепловым сопротивлением 0,3 °C/Вт достаточно для поддержания температуры корпуса 50 °C при температуре окружающей среды 35 °C. Стоимость такого радиатора составляет от 2 до 8 долларов США при производственных объемах 10 000 единиц, со сроком поставки от 2 до 3 недель для литых под давлением или экструдированных алюминиевых изделий.

Радиатор охлаждения необходим, когда общее тепловыделение системы превышает 300 Вт, когда требуется охлаждение нескольких компонентов или когда источник тепла расположен далеко от конечной точки рассеивания. Например, в майнинг-ферме с 4 графическими процессорами, рассеивающей 1200 Вт, радиатор охлаждения 360 мм с тремя вентиляторами 120 мм может отводить от 450 до 600 Вт тепла, что означает необходимость двух таких радиаторов. Стоимость радиатора охлаждения 360 мм составляет от 40 до 80 долларов США, а полный контур, включая насос, трубки и холодные пластины, добавляет от 150 до 300 долларов США. Радиатор охлаждения также предпочтителен в герметичных корпусах, где внутренняя циркуляция воздуха плохая, поскольку жидкостный контур может передавать тепло к внешнему радиатору охлаждения, установленному на стенке корпуса.

Почему радиатора недостаточно для мощной электроники?

Ограничением радиатора является низкая теплоемкость и теплопроводность воздуха. При естественной конвекции радиатор может рассеивать только от 0,5 до 1,0 Вт/см² площади основания. Для серверного процессора мощностью 300 Вт с площадью основания 30 см² это означает, что радиатору с естественной конвекцией потребуется площадь основания от 300 до 600 см², что физически невозможно. Даже с принудительной конвекцией при потоке воздуха 3,0 м/с предел теплового потока составляет всего от 2,0 до 4,0 Вт/см², что все еще недостаточно для этого применения.

Тепловое сопротивление радиатора также увеличивается с ростом тепловой нагрузки из-за повышения температуры воздуха по мере его прохождения через ребра. Для радиатора длиной 100 мм повышение температуры воздуха при 100 Вт составляет от 5 до 10 °C, что уменьшает эффективную разницу температур между основанием ребер и воздухом. Напротив, радиатор охлаждения с жидкостным контуром поддерживает почти постоянную температуру хладагента во всем контуре, поскольку жидкость уносит тепло с высокой скоростью потока. Повышение температуры хладагента при нагрузке 300 Вт и скорости потока 1,0 л/мин составляет всего 4,3 °C, что позволяет радиатору охлаждения работать при меньшей разнице температур и, следовательно, с более высокой эффективностью.

Каковы компромиссы по стоимости и производительности между радиаторами и радиаторами охлаждения?

В таблице ниже сравниваются типичные характеристики и стоимость радиатора и радиатора охлаждения для применения в охлаждении электроники мощностью 200 Вт.

Данные показывают, что радиатор охлаждения обеспечивает значительно более низкое тепловое сопротивление и более высокую способность рассеивания тепла, но при гораздо более высокой стоимости и сложности системы. Для нагрузки 200 Вт радиатор допустим, если предел температуры перехода выше 85 °C, а температура окружающей среды ниже 40 °C. Если предел температуры перехода составляет 70 °C или температура окружающей среды 50 °C, радиатор охлаждения обязателен.

Как инженеру следует выбирать между радиатором и радиатором охлаждения?

Процесс выбора начинается с расчета общей тепловой нагрузки и максимально допустимой температуры перехода. Для одного компонента с тепловой нагрузкой ниже 150 Вт и бюджетом теплового сопротивления от перехода к окружающей среде 0,5 °C/Вт или выше используйте радиатор. Для системы с несколькими компонентами общей мощностью более 300 Вт или для одного компонента с бюджетом теплового сопротивления ниже 0,2 °C/Вт используйте систему жидкостного охлаждения на основе радиатора охлаждения.

Затем оцените условия окружающей среды. Если температура окружающего воздуха превышает 45 °C, радиатор потребует коэффициента снижения номинальных характеристик на 10–15% на каждые 10 °C повышения, в то время как радиатор охлаждения может работать с аналогичным снижением, но его можно увеличить для компенсации. Если продукт работает в запыленной или коррозионной среде, предпочтителен радиатор с широким шагом ребер 3,0 мм или более, чтобы избежать засорения, тогда как радиатор охлаждения с плотностью от 10 до 16 ребер на дюйм потребует фильтров. Наконец, учтите совокупную стоимость владения. Для объема производства более 5000 единиц в год решение с радиатором в 3–5 раз дешевле, чем с радиатором охлаждения, но для высокопроизводительных вычислений или телекоммуникационного оборудования, работающего круглосуточно, экономия энергии за счет более низких скоростей вентиляторов на радиаторе охлаждения может окупить первоначальные затраты в течение 2–3 лет.

Может ли гибридное решение объединить преимущества радиатора и радиатора охлаждения?

Да, гибридное решение использует радиатор для непосредственного охлаждения компонента и радиатор охлаждения как часть термосифонного контура или контура с испарительной камерой. В термосифоне герметичный радиатор содержит рабочую жидкость, которая испаряется на горячей поверхности и конденсируется в секции ребер, обеспечивая теплопередачу без насоса. Это может достичь теплового сопротивления от 0,1 до 0,2 °C/Вт для нагрузки 200 Вт, что находится между стандартным радиатором и радиатором охлаждения с насосом.

Другое гибридное решение — конфигурация с выносным радиатором, где тепловая трубка соединяет компонент с реберным блоком, расположенным вдали от источника тепла. Тепловые трубки имеют эффективную теплопроводность от 5000 до 10 000 Вт/(м·К) и могут передавать от 50 до 200 Вт на расстояние от 100 до 300 мм. Это позволяет разместить реберный блок в зоне с более высоким потоком воздуха или за пределами корпуса, сочетая низкую стоимость радиатора с гибкостью размещения радиатора охлаждения. Для сервера мощностью 300 Вт выносной радиатор с четырьмя тепловыми трубками и реберным блоком размером 120 мм × 120 мм × 40 мм может поддерживать температуру корпуса 60 °C при температуре окружающей среды 35 °C, при общей стоимости от 25 до 40 долларов США, что делает его практичным промежуточным решением.

Часто задаваемые вопросы

Как измерить тепловое сопротивление моего радиатора или радиатора охлаждения?

Измерьте разницу температур между основанием источника тепла и окружающим воздухом, затем разделите на рассеиваемую мощность. Для радиатора используйте термопару в центре основания и измеряйте температуру окружающей среды на расстоянии 100 мм при заданном потоке воздуха. Для радиатора охлаждения измерьте температуры на входе и выходе хладагента и температуру воздуха на входе, затем разделите среднюю разницу температур на тепловую нагрузку.

Какую максимальную температуру может выдержать радиатор?

Алюминиевые радиаторы могут работать при температуре до 400 °C, но ограничивающим фактором является температура перехода электронного компонента, обычно 85–125 °C для кремния. Медные радиаторы выдерживают те же пределы температуры перехода, но обеспечивают на 40% более низкое тепловое сопротивление при том же объеме. Для высокотемпературных сред выше 150 °C используйте керамические или графитовые радиаторы, хотя они в 2–3 раза дороже.

Можно ли использовать радиатор охлаждения без насоса в электронике?

Нет, радиатор охлаждения без насоса неэффективен, поскольку хладагент не будет циркулировать, и теплопередача будет ограничена естественной конвекцией внутри жидкости, которая имеет тепловое сопротивление от 1,0 до 2,0 °C/Вт. Термосифонный радиатор охлаждения может работать без насоса, если источник тепла находится ниже радиатора охлаждения, что обеспечивает конвекцию под действием силы тяжести, но производительность составляет всего 30–50% от системы с насосом.

Каков типичный срок службы радиатора по сравнению с радиатором охлаждения?

Пассивный радиатор имеет неограниченный срок службы без движущихся частей, ограниченный только коррозией алюминия со скоростью от 0,1 до 0,5 мкм в год в сухой среде внутри помещения. Система с радиатором охлаждения имеет срок службы насоса от 3 до 5 лет со средним временем наработки на отказ 50 000 часов, а хладагент следует заменять каждые 1–2 года для предотвращения биологического роста и коррозии.

Сколько стоит изготовление нестандартного радиатора в BQUQ?

В BQUQ нестандартный экструдированный алюминиевый радиатор с простым профилем стоит от 3 до 8 долларов США за единицу при количестве 1000 штук, со стоимостью оснастки от 500 до 1500 долларов США за экструзионную матрицу. Радиатор из меди с ЧПУ стоит от 15 до 40 долларов США за единицу при том же количестве, со сроком поставки от 5 до 7 дней для прототипирования и от 2 до 3 недель для производства. Для нестандартного радиатора охлаждения стоимость составляет от 50 до 150 долларов США за единицу из-за процессов пайки и сборки.

Какой материал лучше для радиатора: алюминий или медь?

Алюминий лучше по стоимости и весу, с теплопроводностью 205 Вт/(м·К) и плотностью 2,7 г/см³, что делает его подходящим для большинства применений. Медь обеспечивает теплопроводность 385 Вт/(м·К), но весит 8,9 г/см³ и стоит в 3–4 раза дороже, поэтому она используется только тогда, когда бюджет теплового сопротивления ниже 0,2 °C/Вт или когда пространство крайне ограничено.

Когда следует добавить вентилятор к моему радиатору?

Добавьте вентилятор, когда тепловая нагрузка превышает 30 Вт для радиатора с естественной конвекцией и площадью основания 100 см². Вентилятор, обеспечивающий поток воздуха 2,0 м/с, снижает тепловое сопротивление на 40–60%, позволяя радиатору выдерживать до 100 Вт. Всегда используйте вентилятор с шарикоподшипниками для ожидаемого срока службы 50 000 часов и рассмотрите возможность использования вентилятора с ШИМ-управлением для снижения шума при низких нагрузках.

Заключение

Выбор между радиатором и радиатором охлаждения в электронике определяется тепловой нагрузкой, бюджетом теплового сопротивления и ограничениями по стоимости системы. Радиатор — это простое недорогое пассивное решение для нагрузок до 200 Вт, в то время как радиатор охлаждения с жидкостным контуром требуется для нагрузок выше 300 Вт или когда температура перехода должна оставаться ниже 70 °C. В BQUQ мы имеем 20-летний опыт производства как прецизионных радиаторов, так и нестандартных узлов радиаторов охлаждения для электронной промышленности. Для инженерной экспертизы вашей тепловой конструкции пришлите нам ваши CAD-файлы и тепловые требования, и мы предоставим комплексное решение для охлаждения в течение 12 часов. Свяжитесь с нашей инженерной командой по адресу sc@bquq.com или WhatsApp: +86 13713157787, или посетите www.bquq.com для немедленной помощи.

Похожие Статьи

• Терморегулирование для ярких светодиодов с радиаторами
• Лучшие медные радиаторы для разгона процессора в 2025 году
• Новый автомобиль энергии IGBT тепловыделение, радиатор надежность машиностроения, тепловые трубы и температурные пластины интегрированный радиатор, обработка поверхности и повышение теплового излучения: анодное окисление, черное покрытие и микро-нано структуры, графен / 3D-печать / интеллектуальное управление теплом: 2030 радиатор технологии дорожная карта