Подберите радиатор по одному уравнению: требуемое сопротивление от мощности, температуры окружающей среды и температуры корпуса. Пример расчета. BQUQ (ISO9001, Dongguan) предоставляет котировку за 12 часов.
Расчет радиатора: теплотехнический расчет для вашего бюджета мощности
Подберите радиатор, отталкиваясь от одного числа: максимально допустимого теплового сопротивления между корпусом устройства и окружающим воздухом. Требуемое сопротивление «радиатор-воздух» равно (максимальная температура корпуса минус наихудшая температура окружающей среды), деленное на рассеиваемую мощность, минус сопротивление интерфейса между корпусом и радиатором. Если ваш бюджет составляет 2,5 К/Вт, вам нужен радиатор с сопротивлением 2,5 К/Вт или лучше при вашем воздушном потоке — все остальное это гадание, замаскированное под инженерный расчет.
Расчет намеренно прост, потому что он должен выдерживать контакт с реальностью: реальные температуры окружающей среды, реальный воздушный поток, реальные материалы интерфейса. Это руководство проведет вас через один пример расчета от мощности до готового номера детали, с типовыми значениями, которые вы можете подставить в свой собственный бюджет, прежде чем отправлять что-либо на завод.
Единственное уравнение, лежащее в основе каждого радиатора
Любая проблема с радиатором — это последовательность тепловых сопротивлений, расположенных между источником тепла и воздухом. Сопротивление «переход-корпус» определяется типом корпуса компонента. Сопротивление «корпус-радиатор» определяется материалом интерфейса и способом монтажа. Сопротивление «радиатор-воздух» — единственный параметр, который вы можете выбрать — это и есть радиатор.
Требуемое сопротивление «радиатор-воздух»: Rth(sa) = (Tкорпуса,макс − Tокр,макс) / P − Rth(интерфейс)
Другими словами: возьмите максимальную температуру, которую может достичь корпус компонента, вычтите максимальную температуру воздуха, которую продукт когда-либо увидит, разделите на наихудшую мощность, и то, что останется после вычитания сопротивления интерфейса, будет максимальным сопротивлением радиатора, которое вы можете допустить.
| Тепловая связь | Типовое значение | Примечания |
|---|---|---|
| TO-220 переход→корпус | 2,5–4 К/Вт | Старый надежный корпус, требует хорошего радиатора |
| TO-247 переход→корпус | 0,3–0,6 К/Вт | Большой фланец, распространен для MOSFET и диодов |
| Мощный светодиод переход→точка пайки | 1–3 К/Вт | Зависит от размера кристалла и подложки |
| IGBT модуль переход→основание | 0,1–0,3 К/Вт | Широкая DBC подложка хорошо распределяет тепло |
| Термопаста, интерфейс 25 × 25 мм | 0,1–0,3 К/Вт | Тонкий слой, лучшее соотношение цена/качество |
| Силиконовая прокладка, 25 × 25 мм | 0,4–1,0 К/Вт | Простой монтаж, более высокое сопротивление |
| Без TIM (сухой металлический контакт) | 0,5–1,5 К/Вт | Преобладает воздушный зазор; избегайте при производстве |
Вывод: интерфейс редко бывает бесплатным. На TO-247, рассеивающем 25 Вт, каждые 0,1 К/Вт сопротивления интерфейса стоят вам 2,5 °C температуры корпуса — вот почему самая дешевая часть системы охлаждения часто является самой выгодной для улучшения. Подробнее о тепловом сопротивлении в нашем руководстве по тепловому сопротивлению радиаторов.
Пример расчета: подбор радиатора для MOSFET 25 Вт на естественном воздухе
Возьмем MOSFET в корпусе TO-247, который рассеивает 25 Вт в худшем случае. Продукт находится внутри помещения, поэтому наихудшая температура окружающей среды составляет 50 °C. В техническом описании допускается температура перехода 150 °C, а сопротивление «переход-корпус» составляет 0,4 К/Вт. Вы планируете использовать термопасту с сопротивлением 0,3 К/Вт. Добавьте 20% запаса по мощности, чтобы радиатор не был рассчитан точно на пределе.
Шаг 1 — бюджет по переходу: (150 − 50) °C = 100 К допустимо от перехода до воздуха. Шаг 2 — расчетная мощность с запасом: 25 Вт × 1,2 = 30 Вт. Шаг 3 — общее допустимое сопротивление: 100 К / 30 Вт = 3,33 К/Вт. Шаг 4 — вычитаем сопротивление корпуса и интерфейса: 3,33 − 0,4 − 0,3 = 2,63 К/Вт для радиатора при естественной конвекции.
| Статья бюджета | Значение | Остаток для радиатора |
|---|---|---|
| Макс. переход − окружающая среда | 100 К | — |
| Расчетная мощность (25 Вт × 1,2 запас) | 30 Вт | — |
| Общее Rth переход→воздух | 100/30 = 3,33 К/Вт | 3,33 К/Вт |
| Переход→корпус (TO-247) | 0,40 К/Вт | 2,93 К/Вт |
| Термопаста интерфейс | 0,30 К/Вт | 2,63 К/Вт |
| Требуемое Rth радиатор→воздух | ≤ 2,63 К/Вт | цель |
Вывод: радиатор теперь имеет число — 2,63 К/Вт в неподвижном воздухе. Форма еще не определена, но каждый разговор с поставщиком начинается с этой цифры, а не с фразы «приличного размера».
Превращение бюджета в реальный радиатор
Сопротивление «радиатор-воздух» определяется площадью открытой поверхности, коэффициентом конвекции и эффективностью ребер. Быстрая проверка с использованием Q = h × A × ΔT: для 30 Вт при повышении на 50 К вам потребуется примерно h × A = 0,6 Вт/К. При эффективном коэффициенте около 10 Вт/м²·К (типично для черного анодированного вертикального оребрения на естественном воздухе, с учетом излучения), это означает около 0,06 м² смоченной поверхности ребер — основание 100 × 75 мм с 8–10 ребрами высотой около 35 мм обеспечит это.
| Режим охлаждения | Типичный коэффициент конвекции | Практический размер радиатора для ~30 Вт при повышении на 50 К |
|---|---|---|
| Естественная конвекция, голый алюминий | 5–8 Вт/м²·К | Большой: 150 × 100 × 40 мм и более |
| Естественная конвекция, черное анодирование | 9–14 Вт/м²·К | Средний: класс 100 × 75 × 40 мм |
| Принудительный воздух 1–2 м/с | 15–40 Вт/м²·К | Малый: 75 × 60 × 25 мм с вентилятором 40–60 мм |
| Принудительный воздух 3–5 м/с, в канале | 40–90 Вт/м²·К | Компактный: 60 × 50 × 20 мм, игольчатый |
Вывод: излучение — это не украшение в пассивных конструкциях — черное анодирование дает примерно 30–50% эквивалента дополнительной эффективной площади на естественном воздухе, поэтому почти все пассивные радиаторы темные. Если радиатор с естественной конвекцией не помещается в ваш корпус, честные варианты — это небольшой вентилятор или переработка силового каскада, а не более высокий стек ребер, который больше не помещается.
Понижающие факторы, которые большинство расчетов упускают
Уравнение предполагает чистые вертикальные ребра, уровень моря, беспрепятственный радиатор и источник тепла, покрывающий основание. Реальные продукты нарушают все четыре допущения, поэтому применяйте множители перед окончательным выбором номера детали.
| Условие | Типичное снижение | Решение |
|---|---|---|
| Ребра горизонтальны вместо вертикальных | −20–30% естественная конвекция | Поверните радиатор или продукт |
| Источник тепла меньше ~25% площади основания | −10–30% из-за растекания | Утолщите основание или добавьте тепловую пластину |
| Высота 1500 м | −5–10% влияние плотности воздуха | Увеличьте радиатор |
| Высота 3000 м | −10–20% влияние плотности воздуха | Увеличьте радиатор или добавьте воздушный поток |
| Радиатор в пределах 10 мм от стенки корпуса | −10–25% затрудненный воздушный поток | Обеспечьте зазор ≥ одного шага ребра |
| Канальный воздушный поток, вентилятор без кожуха | −10–25% рециркуляция | Добавьте кожух или канал |
Вывод: добавляйте те штрафы, которые применимы к вашему продукту, а не все сразу к каждому продукту. Герметичный наружный корпус с горизонтально установленным драйвером светодиодов получает три штрафа одновременно; вентилируемый внутренний блок с вертикальной платой не получает ни одного. Если сомневаетесь, рассмотрите наихудшую комбинацию — затем проверьте ее термопарой на первом прототипе.
От расчета к номеру детали
Как только бюджет и понижающие факторы определены, выбор геометрии — это работа с каталогом: выберите профиль, чье заявленное или измеренное сопротивление при естественной конвекции соответствует цели, затем убедитесь, что основание может быть отрезано по длине, отфрезеровано, просверлено и обработано в соответствии с вашим чертежом. Здесь помогает завод-источник, который производит как экструдированные радиаторы, так и радиаторы с ЧПУ-обработкой: экструзия выигрывает при больших объемах на стандартных профилях, механическая обработка выигрывает, когда основанию нужны карманы, монтажные бобышки или жесткие допуски на плоскостность, которые не может обеспечить ни одна матрица. Отправьте мощность, диапазон температур окружающей среды, предельную температуру корпуса, воздушный поток (или «неподвижный воздух») и ограничения по габаритам вместе — с этими пятью входными данными завод сможет подобрать размер и цену радиатора за один проход. Наш 8-этапный процесс выбора радиатора охватывает остальной путь от этого расчета до выпущенного номера детали.
Часто задаваемые вопросы
В: Какую формулу использовать для расчета радиатора?
О: Требуемое сопротивление «радиатор-воздух» равно (Tкорпуса,макс − Tокр,макс), деленное на рассеиваемую мощность, минус сопротивление интерфейса. Затем выберите радиатор, чье номинальное сопротивление при вашем воздушном потоке равно или ниже этого бюджета. Вся дисциплина заключается в сохранении этого неравенства в наихудшем случае.
В: Какое тепловое сопротивление является хорошим для радиатора с естественной конвекцией?
О: Средний экструдированный алюминиевый радиатор размером около 100 × 75 × 40 мм обычно имеет сопротивление 2–3 К/Вт в неподвижном воздухе при черном анодировании, а более крупные или оребренные профили достигают 1–1,5 К/Вт. Ниже примерно 1 К/Вт без вентилятора радиатор становится непрактично большим — это точка перехода к принудительному воздуху.
В: Какой запас по мощности следует добавить при расчете?
О: Используйте 15–30% сверх измеренного наихудшего рассеивания, плюс понижающие коэффициенты для ориентации, высоты или блокировки корпуса. Запас дешев на стадии чертежа и очень дорог после того, как корпус, печатная плата и система охлаждения зафиксированы.
В: Нужно ли действительно включать материал интерфейса в расчет?
О: Да. Сухой металлический контакт может добавить 0,5–1,5 К/Вт, что для устройства на 25 Вт составляет 12–37 °C температуры корпуса. Термопаста или фазопереходная прокладка обычно добавляет 0,1–0,5 К/Вт и является самым недорогим улучшением производительности во всей тепловой цепи.
В: Почему мой прототип нагревается сильнее, чем предсказывал расчет?
О: Обычно одна из четырех причин: источник тепла мал, и основание плохо распределяет тепло, ребра не вертикальны, радиатор расположен слишком близко к стенке корпуса, или реальная температура окружающей среды выше предполагаемой. Измерьте температуру корпуса термопарой при нескольких нагрузках и сравните с бюджетом по пунктам.
Связанные статьи
- heat-sink-thermal-resistance-guide — Подробнее из инженерной серии BQUQ по управлению температурным режимом.
- heat-sink-selection-workflow — Подробнее из инженерной серии BQUQ по управлению температурным режимом.
- heat-sink-fin-design-guidelines — Подробнее из инженерной серии BQUQ по управлению температурным режимом.
Связанные ресурсы
- О BQUQ: сертифицированный по ISO9001 завод-источник в Dongguan, управляющий четырьмя производственными линиями под одной крышей.
- Радиаторы и термодетали: экструдированные, с ЧПУ-обработкой и штампованные варианты из термолинейки — экструдированные радиаторы, радиаторы с ЧПУ-обработкой, штампованные радиаторы.
- Отраслевые тенденции: производство, рынок материалов и анализ закупок для покупателей.
- Технические статьи: инженерные руководства и сравнения процессов — больше материалов по этой теме.
- Центр FAQ: быстрые ответы по ЧПУ, штамповке, пружинам и радиаторам.
- Примеры из практики: реальные детали и реальные цифры из проектов, которые мы разработали и поставили.
- Свяжитесь с нами: отправьте свой чертеж и получите котировку в течение 12 рабочих часов.
Автор: инженерная команда BQUQ. BQUQ — сертифицированный по ISO9001 завод-источник в Dongguan, Китай, управляющий линиями ЧПУ-обработки, штамповки металла, изготовления пружин на заказ, радиаторов и цанг под одной крышей. Отправляйте чертежи на sc@bquq.com или WhatsApp +86 13713157787 для получения котировки в течение 12 рабочих часов. www.bquq.com
