De juiste koelplaat kiezen: een uitgebreide gids voor de beste materialen

Geschikt thermisch beheer is essentieel voor het maximaliseren van de efficiëntie en levensduur van elektronische apparaten. Met componenten die constant werken, is warmtegeneratie een aspect dat moet worden aangepakt om storingen tijdens de werking van het apparaat te voorkomen. Koellichamen zijn cruciaal en hun functionaliteit in gematigde oververhitting zal de reden zijn dat operationele stabiliteit wordt gehandhaafd. Hun keuze mag echter niet willekeurig zijn, aangezien niet alle koellichamen dienen hetzelfde doel. Verschillende materialen bieden verschillende niveaus van thermische geleidbaarheid en het vermogen om specifieke omstandigheden te weerstaan. Deze gids richt zich op het meest gebruikte koellichaammateriaal en helpt gebruikers bij het maken van de meest geschikte beslissing op basis van hun vereisten. We zullen de voor- en nadelen en doeltoepassingen van deze materialen bespreken, te beginnen met koper en aluminium naast andere materialen. Concluderend zal de lezer begrijpen hoe hij een materiaal voor koellichaam die voldoet aan de gewenste prestatie- en ontwerpdoelen.

Wat zijn de belangrijkste materialen voor koellichamen?

Aluminium

• Vanwege de kosteneffectiviteit en bewonderenswaardige lichtheid van aluminium, gecombineerd met de opmerkelijke thermische geleidbaarheid, is het een van de meest gebruikte materialen voor koellichamen. Het werkt perfect in toepassingen waar effectieve warmteafvoer nodig is met weinig toegevoegd gewicht.

Koper

• Koper is veel thermisch geleidender dan aluminium, wat de reden is waarom het de voorkeur heeft in high-performance warmteoverdrachtstoepassingen. Omdat koper veel thermisch geleidender is dan aluminium, gaat het gebruik ervan gepaard met een hoger gewicht en hogere prijzen.

Aluminium-kopercombinatie

• Sommige heatsinks gebruiken een combinatie van aluminium en koper om thermische prestaties, gewicht en kosten in evenwicht te brengen. Voor maximale warmteoverdracht wordt koper vaak aan de basis geplaatst, terwijl aluminium vinnen ervoor zorgen dat de constructie lichtgewicht blijft.

De selectie uit deze materialen wordt gemaakt op basis van de gewenste toepassingsprestaties, kosten en gewichtsdoelen.

Koper en de voordelen ervan begrijpen

Vanwege zijn uitstekende prestaties als geleider van zowel warmte als elektriciteit, wordt koper beschouwd als een van de meest fundamentele materialen die worden gebruikt in engineering en technologie. Een overzicht van de belangrijkste voordelen van koper:

Hoge thermische geleidbaarheid

• Bij normale temperaturen heeft koper een thermische geleidbaarheid van ongeveer 400 W/m·K. Dankzij deze hoge thermische geleidbaarheid is koper zeer geschikt voor gebruik in de elektronica-industrie, bijvoorbeeld in koellichamen en koelsystemen, waar efficiënte warmteafvoer van groot belang is.

Superieure elektrische geleidbaarheid

• Koper, met een verbazingwekkende geleidbaarheidswaarde van 59.6 × 10⁶ S/m, is een van de best geleidende materialen die bekend zijn. Deze eigenschap van koper is van het grootste belang in elektrische bedrading, stroomtransmissie en elektromagnetische afscherming.

Corrosiebestendigheid

• Corrosie heeft weinig tot geen effect op de duurzaamheid van componenten die van koper zijn gemaakt. Deze natuurlijke neiging van koper maakt het het meest geschikt voor elektrische apparatuur en loodgieterssystemen buitenshuis, omdat het de duurzaamheid en levensduur van apparaten verbetert, met name in zeer zware omstandigheden.

Kneedbaarheid en ductiliteit

• Koper heeft zowel kneedbaarheid als ductiliteit, waardoor het gevormd kan worden tot dunne draden of complexe geometrieën zonder te breken. Deze eigenschappen zijn belangrijk voor geavanceerde productieprocessen in sectoren zoals elektronica en telecommunicatie.

Antimicrobiële werking

• Zoals eerder vermeld, hebben koperen oppervlakken sterke antimicrobiële eigenschappen omdat ze schadelijke microben sterk verminderen. Deze eigenschap wordt steeds vaker toegepast in zorginstellingen voor infectiecontrole door hygiënische oppervlakken te bieden.

recycleerbaarheid

• Koper is milieuvriendelijk omdat het 100% gerecycled kan worden zonder dat glas zijn eigenschappen aantast. De rol ervan in duurzame productie kan worden waargenomen, aangezien ongeveer 65% van al het koper dat vandaag de dag wordt gebruikt, wordt gerecycled.

Hoge Smeltpunt

• Koper is geschikt voor toepassingen met een hoog smeltpunt, met een smeltpunt van ongeveer 1,085 °C of 1,984 °F. Andere materialen kunnen falen, bijvoorbeeld in industriële systemen en motoren met hoge prestaties.

Deze kenmerken illustreren de veelzijdigheid en efficiëntie van koper in elektronica, bouw, energie, transport, gezondheidszorg en vele andere sectoren. De combinatie van prestaties, betrouwbaarheid en duurzaamheid maakt het een materiaal bij uitstek voor kritische toepassingen.

Onderzoek naar aluminium als koellichaammateriaal

Aluminium heeft een verbazingwekkend potentieel voor warmteafvoer, wat het een goede kandidaat maakt voor koellichaamtoepassingen. De thermische geleidbaarheid varieert van 150 - 235 W/(m·K), afhankelijk van de legering, wat het vermogen om warmte over te dragen verbetert, waardoor systemen en componenten operationeel en koel blijven. Bovendien maakt de lage dichtheid van ongeveer 2.7 g/cm³ aluminium koellichamen licht, wat belangrijk is in de Luchtvaartindustrie en voor draagbare elektronica waarbij gewichtsvermindering cruciaal is.

Een van de voordelen van aluminium is de uitstekende bewerkbaarheid en ductiliteit. Het kan eenvoudig worden geëxtrudeerd, gegoten of gestempeld in complexe geometrieën die het oppervlak vergroten en de warmteafvoer verbeteren. Bijvoorbeeld, geëxtrudeerde vinstructuren op aluminium koellichamen maximaliseren de convectiesnelheid en helpen het apparaat te koelen. Bovendien verbetert de verbeterde anodisatieoppervlaktebehandeling de corrosiebestendigheid van het materiaal, wat helpt de duurzaamheid in ruwere omgevingen te verbeteren.

De kosteneffectiviteit van het materiaal is een andere reden voor de toenemende populariteit van aluminium. Het sourcen van aluminium is veel goedkoper dan alternatieven zoals koper, waardoor het gemakkelijker te verkrijgen is voor massaproductieDe thermische geleidbaarheid van aluminium is iets lager dan die van koper, maar het feit dat het licht van gewicht is en gemakkelijk aan te passen, helpt dit nadeel in veel situaties te verzachten.

Aluminium is nu een veelgebruikt materiaal in LED-verlichtingsapparaten, processors en high-power modules vanwege de goede thermische en structurele eigenschappen en lage kosten. De unieke combinatie van lage kosten, hoge prestaties en multifunctionele mogelijkheden maakt het het meest geprefereerde materiaal voor thermische managementoplossingen in veel verschillende industrieën.

Vergelijking van thermische geleidbaarheid tussen materialen

Materiaalgeleiding is een belangrijke eigenschap voor materialen die worden gebruikt in thermisch beheerde toepassingen. Het meet het vermogen van een materiaal om warmte over te dragen, gemeten in watt per meter-kelvin (W/m·K). Weten hoe verschillende materialen warmte geleiden, is cruciaal bij de selectie van het meest geschikte materiaal in verschillende vakgebieden, waaronder elektronica, bouw en productie.

Metalen behoren tot de materialen met de hoogste thermische geleidbaarheid, waarbij zilver de beste is met ongeveer 429 W/m·K en koper op de tweede plaats komt met ongeveer 401 W/m·K. Hoewel aluminium nog minder geleidend is met ongeveer 237 W/m·K, wordt het vaak bevoordeeld omdat het goedkoper, lichter en corrosiebestendig is. Deze eigenschappen verhogen de vraag naar aluminium bij de productie van koellichamen en elektronische behuizingen, waar zowel thermische als structurele prestaties essentieel zijn.

Keramische en polymere niet-metalen materialen hebben een dramatisch verlaagde thermische geleidbaarheid. De meeste polymeren zoals polystyreen of polyethyleen hebben thermische geleidbaarheden tussen 0.1 en 0.4 W/m·K. Aan de andere kant bezitten sommige geavanceerde keramieken zoals aluminium nitride en boornitride betere thermische eigenschappen, met waarden variërend van 70 tot 230 W/m·K, afhankelijk van hoe geavanceerd de formulering is. Elektrische isolatie en matige thermische geleidbaarheid zijn nodig in bepaalde toepassingen, en deze materialen zijn nuttig bij het bieden van dergelijke gecombineerde functionaliteit.

Een andere categorie die net zo belangrijk is, zijn composieten waarbij materialen worden gemengd om een ​​geschikt niveau van geleidbaarheid te bereiken naast andere eigenschappen. Ter illustratie: composieten op basis van grafeen met hun opmerkelijke thermische geleidbaarheid die 1500 W/m*K overschrijdt, zijn opmerkelijke onderzoeksgebieden geworden voor elektronica en moderne techniek.

Met zorgvuldige overweging van thermische geleidbaarheid en andere materiaaleigenschappen kunnen ingenieurs materialen formuleren die specifieke thermische beheersproblemen aanpakken. maximale efficiëntie en kosteneffectiviteit.

Hoe beïnvloedt thermische weerstand de efficiëntie van het koellichaam?

Het belang van warmteafvoer

Het vermogen om warmte effectief af te voeren is een van de noodzakelijke voorwaarden voor moderne elektronische systemen om betrouwbaar en efficiënt te functioneren. Onvoldoende warmtebeheer kan leiden tot verslechtering van componenten, onstabiele prestaties en uiteindelijk tot systeemuitval. Om dit belang te benadrukken, worden de volgende informatie en gegevenshighlights verstrekt:

Vermijden van thermische runaway

• Thermische runaway is een enorm risico in toepassingen met een hoog vermogen, waarbij de warmteproductie groter is dan wat het materiaal veilig kan afvoeren. Studies suggereren dat halfgeleiders op basis van silicium, zodra ze temperaturen van meer dan 125°C tegenkomen, onherstelbare schade oplopen, wat resulteert in een storing van het systeem.

Verlenging in systeemlevensduur

• Warmteafvoer heeft direct invloed op de levensduur van de elektronische componenten. Bijvoorbeeld, in technische betrouwbaarheid suggereert de Arrhenius-vergelijking dat voor elke 10°C toename boven de aanbevolen bedrijfstemperaturen, de gemiddelde levensduur van het component met ongeveer 50% afneemt.

Verbeterde prestatiestabiliteit 

• Door warmte binnen operationele grenzen te houden, wordt ook voorkomen dat kritische apparaten zoals CPU's en GPU's hun klokken vertragen of fouten maken tijdens gegevensoverdracht. Studies tonen aan dat apparaten die onder de beste thermische omstandigheden werken tot 30% beter kunnen presteren dan hun tegenhangers die in de buurt van thermische grenzen werken.

Om kosten te besparen en de energie-efficiëntie te verhogen  

• Effectief beheer van warmte vermindert het overmatige gebruik van koelunits, die meer stroom nodig hebben. Onderzoek uitgevoerd op datacenters heeft aangetoond dat de effectieve implementatie van warmteafvoertechnologieën kan resulteren in een energiereductie van 40%, waardoor de kosten worden verlaagd.

Dergelijke factoren benadrukken de noodzaak om geavanceerde warmteafvoerapparaten te ontwikkelen voor zeer specifieke toepassingen. Het gebruik van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid kan worden gecombineerd met een adequaat vormontwerp en een nieuwe koelsysteemtoepassing, zodat ingenieurs deze systemen efficiënt, betrouwbaar en economisch kunnen maken.

Factoren die de thermische prestaties beïnvloeden

De prestatie van een systeem, in dit geval een systeem dat omgaat met thermische componenten, is een functie van de eigenschappen van de gekozen materialen, het ontwerp en de relevante externe omstandigheden. Belangrijke aspecten zijn:

Materiaal Thermische geleidbaarheid

• Het vermogen om warmte te geleiden van de materialen die een assemblage vormen, heeft invloed op de efficiëntie van warmteoverdracht binnen die assemblage. Koper en aluminium, die metalen zijn, hebben bijvoorbeeld een zeer hoge thermische geleidbaarheid van respectievelijk ongeveer 400 W/m·K en 205 W/m·K. Hierdoor worden ze veel gebruikt als warmtewisselaars en thermische verspreiders. Daarentegen hebben niet-metalen zoals polymeren doorgaans een zeer lage thermische geleidbaarheid, vaak minder dan 1 W/m·K, hoewel het mogelijk is om dergelijke eigenschappen te verbeteren door composietverwerking.

Oppervlakte en geometrie 

• De interactie tussen het medium, zoals lucht of vloeistof, als werkvloeistof en het gebied van de warmtebron, wordt aanzienlijk vergroot met het gemaximaliseerde oppervlak, wat leidt tot een betere thermische afvoer. Opstellingen van vinnen, koellichamen en bepaalde best passende vormen zorgen voor verhoogde interacties. Sommige onderzoeken en praktische implementaties tonen aan dat de verbetering van het oppervlak door enkele nieuwe ontwerpbenaderingen in compacte elektronische systemen de warmteoverdrachtssnelheden met wel 30-50% kan verhogen.

Temperatuurregeling en omgevingsomstandigheden

• De prestaties van systeemkoeling worden direct beïnvloed door externe factoren zoals temperatuur, luchtstroom en zelfs omgevingsomstandigheden. Hogere omgevingstemperaturen beïnvloeden bepaalde regio's door het temperatuurverschil, dat cruciaal is voor warmte-uitwisseling, kleiner te maken. Het gebruik van geforceerde koelsystemen zoals ventilatoren of vloeistofgekoelde systemen kan helpen deze effecten te verzachten en de prestaties te behouden, ongeacht de klimaatomstandigheden.

Resistieve contacten en grensvlakmaterialen

• Warmteoverdracht wordt mogelijk gemaakt door de vermindering van contactweerstand door interfacematerialen zoals pads of thermische pasta's, bekend als TIM's. Bijvoorbeeld, thermische pasta's op basis van silicium hebben thermische geleidbaarheid van 3 tot 8 W/m·K die, wanneer gebruikt, de systeemtemperaturen met wel 10 graden Celsius kunnen verlagen tijdens belastingsomstandigheden.

Technologieën voor koeling in actieve modus 

• Omdat de warmtestroom in moderne elektronica toeneemt, worden systemen die gebruikmaken van vloeistofkoeling en thermo-elektrische apparaten steeds populairder, omdat ze een hoge warmtestroom aankunnen. Vloeistofkoelsystemen zijn bijvoorbeeld 20%-30% efficiënter dan traditionele luchtgekoelde systemen, waardoor vloeistofsystemen ideaal zijn voor high-performance computing en intensieve GPU-activiteiten.

Dit helpt ingenieurs om systemen te bouwen met beter thermisch beheer, lagere operationele risico's en verbeterde energie-efficiëntie. De verschuiving naar de steeds compactere en complexere systemen wordt beantwoord met opkomende technologieën en geavanceerde materialen die de thermische prestaties van systemen verbeteren.

Berekening van thermische weerstand voor optimale prestaties

Thermische weerstand is een kenmerk van een materiaal of configuratie dat het vermogen ervan om warmteoverdracht te belemmeren kwantificeert. Het is een van de belangrijkste entiteiten in thermisch beheer. Het kan als volgt worden uitgedrukt:

Rθ = ΔT / Q

• Rθ is de thermische weerstand (°C/W);
• AT is het temperatuurverschil over het materiaal of de interface (°C);
• Q is de warmteoverdrachtssnelheid (W).

Streef naar de beste prestaties door de thermische weerstand voor alle componenten in het systeem te schatten en te controleren of deze binnen de opgelegde thermische limieten valt. Houd rekening met de geleidbaarheid van het materiaal, de dikte en de kwaliteit van het contact bij de interface. Een toename van de waarde van de thermische weerstand vermindert de capaciteit van het systeem om warmte af te voeren en verhoogt daarom de temperatuur van de systeemcomponenten, wat de stabiliteit en efficiëntie van het systeem verbetert.

Welke verschillende soorten koellichamen zijn er?

Een overzicht van actieve koeloplossingen

Actieve koelsystemen gebruiken mechanische middelen zoals pompen of ventilatoren om warmte uit het systeem te verwijderen. Deze systemen zijn nuttig voor het bereiken van de beste prestaties van een toepassing waarbij de geproduceerde warmte veel groter is dan wat passieve koeltechnieken aanpakken. Hier volgen enkele voorbeelden van deze systemen, samen met enkele beschrijvingen:

1. Geforceerde luchtkoeling: 

In deze systemen is het gebruik van ventilatoren wat de beweging van lucht over verzonken koeloppervlakken mogelijk maakt, terwijl tegelijkertijd de thermische afvoer wordt verbeterd. Recente implementaties van deze techniek omvatten ook het gebruik van ultrastille ventilatoren met variabele snelheid. Deze ventilatoren verhogen de koelefficiëntie verder en verminderen tegelijkertijd het geluid en het stroomverbruik. Sommige moderne ventilatorbladen hebben bijvoorbeeld de efficiëntie van bepaalde modellen met 30% verbeterd dankzij de introductie van vloeistofdynamische lagers.

2. Vloeistofkoeling

Voor het koelen van high-performance processors, krachtige grafische kaarten, elektrische apparatuur en computers zijn efficiënte vloeistofkoeltechnieken nodig. Water, of een water-glycoloplossing, is een koelmiddel dat door buizen stroomt die andere semi-Infintec-vloeistoffen bevatten. De vloeistof circuleert over de warmteproducerende onderdelen, zoals de CPU en GPU. De circulerende vloeistof absorbeert warmte en wordt gekoeld met behulp van een radiator. Vloeistofgekoelde systemen zijn thermisch efficiënter dan luchtgekoelde systemen omdat hun vloeibare koelmiddel een betere thermische geleidbaarheid heeft, die twee tot vijf keer groter is. Geavanceerde AIO-oplossingen hebben bijvoorbeeld vloeistofkoelsystemen die warmteniveaus van meer dan 200 W kunnen afvoeren, wat ideaal is voor overgeklokte componenten.

3. Thermo-elektrische koeling (Peltier-modules)

Thermo-elektrische Peltier-koeling gebruikt een Peltier-module om warmte van de ene kant van een apparaat naar de andere te transporteren. Peltier-modules zijn kleine apparaten die in het midden van een gerichte koelzone kunnen worden geplaatst, waardoor ze zeer nuttig zijn in gespecialiseerde toepassingen zoals medische apparaten en lasers. Maar tegelijkertijd is hun energie-efficiëntie niet zo goed als andere methoden, met COP-waarden (Coefficient of Performance) die gemiddeld tussen 0.4 en 1 liggen.

4. Hybride koeloplossingen

De meest efficiënte systemen zijn die welke verschillende koeltechnieken integreren. Een van de meest voorkomende configuraties is vloeistofkoeling samen met ventilatoren om de luchtcirculatie rond de radiatoren te vergemakkelijken. Ze kunnen een balans bereiken tussen temperatuurregeling en systeembetrouwbaarheid door thermische belastingen van meer dan 300 W te beheren voor high-performance computing-omgevingen.

Actieve koeloplossingen zijn essentieel voor moderne elektronica en industriële systemen vanwege hun flexibiliteit en betrouwbaarheid, vooral voor apparaten die intensief thermisch beheer nodig hebben.

Voordelen van passieve koelsystemen

Passieve koelsystemen bieden talloze belangrijke voordelen, met name op het gebied van energieverbruik en onderhoud. Hun voordelen worden hieronder uiteengezet:

Energie-efficiëntie

• Passieve koeling verbruikt geen energie tijdens gebruik vanwege de afhankelijkheid van natuurlijke methoden van warmteafvoer door middel van geleiding, convectie en straling; daarom laat het systeem het gebruik van onderdelen zoals ventilatoren of compressoren volledig achterwege. De algehele besparingen kunnen meer dan 100% bedragen in vergelijking met actieve oplossingen voor koeling en de operationele kosten enorm verlagen.

Geluidsarme werking

• Door het ontbreken van bewegende onderdelen in passieve koelsystemen is er helemaal geen operationeel geluid. Dit maakt het gebruik van dergelijke systemen mogelijk in gebieden waar uiterste stilte vereist is, waaronder maar niet beperkt tot medische apparaten, thuiselektronica of gevoelige industriële machines.

Hoge betrouwbaarheid

• Systemen zonder mechanische onderdelen slijten veel minder snel of falen na verloop van tijd. Omdat systemen passief zijn, is er geen vereiste voor regelmatige onderhoudscontroles, wat in sommige gevallen leidt tot een MTBF van meer dan 100,000 uur.

Kosteneffectiviteit

• Passieve systemen vereisen geen mechanische componenten, wat kan leiden tot lagere initiële installatiekosten voor een paar toepassingen. Bovendien zorgt de noodzaak van onderhoud aan deze systemen voor aanzienlijke kostenbesparingen tijdens de levenscyclus.

Milieuvriendelijkheid

• De passieve koelmethode is milieuvriendelijk, aangezien er geen operationele kosten of koelmiddelen aan te pas komen die bijdragen aan de uitstoot van broeikasgassen.

Compact ontwerp

• Passieve koelsystemen, waaronder koellichamen en thermische spreiders, kunnen zo worden gebouwd dat ze een klein ruimtevolume innemen dat geschikt is voor draagbare apparaten zoals smartphones, tablets en IoT-apparaten.

Schaalbaarheid voor apparaten met een laag stroomverbruik

• In de regel werken deze systemen het beste met elektronische apparaten met een laag vermogen, omdat hun actieve koeling complexer en minder effectief is voor de warmtebelasting. Scenario's met warmtebelastingen onder de 100 W kunnen in de meeste situaties effectief worden opgelost met passieve oplossingen.

Verlengde levensduur van componenten

• Door de mechanische belasting op de componenten te verminderen door passieve koeling, kunnen de bedrijfstemperaturen van de componenten stabiel worden gehouden. Hierdoor neemt de algehele betrouwbaarheid van het systeem toe en wordt de kans op storingen verkleind.

Al deze factoren samen zorgen voor uitstekende passieve koeloplossingen, vooral als energie-efficiëntie en betrouwbaarheid prioriteit hebben.

Wanneer moet je heatpipes en vinnen gebruiken?

In omstandigheden waarin effectieve warmteoverdracht en -afvoer essentieel zijn in ruimtes met beperkte ruimte, worden heatpipes en vinnen aanbevolen. Dergelijke oplossingen zijn het meest geschikt voor toepassingen die methoden van passieve koeling vereisen, zoals compacte elektronica, servers met hoge dichtheid of elk apparaat dat in omgevingen met weinig luchtstroom werkt. Heatpipes bevatten zeer efficiënte koelcapaciteiten om gerichte warmte-energie van hotspots te verwijderen, en de vinnen optimaliseren de warmte-uitwisseling verder. De combinatie van deze twee zorgt voor de vereiste prestaties en levensduur zonder dat u afhankelijk bent van actieve koelmethoden.

Een koellichaam kiezen voor uw toepassing

Criteria voor het kiezen van de juiste koelplaat

Bij het proberen om het meest efficiënte thermische beheer voor grade werk te identificeren, is een grondige evaluatie van de prestaties van een heatsink noodzakelijk. Om dit te doen, moeten de volgende elementen in acht worden genomen:

Thermische geleidbaarheid en materialen

• Het thermische zinkcomponent heeft een directe impact op welke materialen gebruikt moeten worden voor thermische prestaties. Meestal worden aluminium en koper gebruikt. Voor de meeste algemene doeleinden wordt aluminium gebruikt vanwege de lichtgewicht constructie en kosten; koper is echter beter geschikt voor gespecialiseerde thermische toepassingen vanwege het hoge gewicht en de kosten. Hoewel koper duur is, overtreft de geleidbaarheid van 400 W/mK de 205 W/mK van aluminium ruimschoots.

Vormfactor en ontwerp

• De gemonteerde thermische componenten moeten aansluiten op de fysieke limieten van uw systeem. Bepaalde toepassingen met beperkte ruimte kunnen gebruikmaken van compacte, hoogwaardige skived of gevouwen fin heat sinks. Het creëren van een verhoogde luchtstroom en thermische uitwisseling is afhankelijk van geoptimaliseerde fin density en opstelling.

Thermische weerstand

• De efficiëntie van de thermische uitwisseling tussen componenten wordt bepaald door hoeveel weerstand de thermische gootsteen heeft: hoe minder weerstand, hoe efficiënter deze is. De thermische weerstand wordt uitgedrukt in °C/W. Om de prestaties van elektronica met hoog vermogen te maximaliseren, wordt een gootsteen met lage weerstand beter benut.

Bedrijfsomgevingsomstandigheden

• Luchtstroom, omgevingstemperatuur en vochtigheidsniveau moeten in het systeem worden bewaakt op statische of dynamische veranderingen. In extreme omgevingen kan extra coatingbescherming tegen corrosie, evenals anodisatie voor het verlengen van de duurzaamheid van de koellichamen noodzakelijk zijn.

Bevestigingsmechanismen

• Heat sinks kunnen worden vastgemaakt met schroeven of clips en kunnen ook worden bevestigd met een thermische lijm. Bevestigingsmechanismen zijn afhankelijk van het gewenste niveau van mechanische stabiliteit en het thermische interfacemateriaal (TIM) dat wordt gebruikt. Als een warmtebron goed is bevestigd aan een heat sink, wordt de thermische weerstand geminimaliseerd.

Vermogensdichtheid en warmtebelasting

• Beoordeling van de totale warmtebelasting van de gegenereerde elektronische componenten, samen met andere parameters zoals vermogensdichtheid, is vereist. Wanneer apparaten een hoge warmteproductiecapaciteit hebben, moeten er mogelijk extra koeltechnologieën, zoals ventilatoren, worden geïmplementeerd samen met de koellichamen om de temperatuur van het apparaat te regelen.

Kosteneffectiviteit

• Het is cruciaal om kosten en prestaties strategisch in evenwicht te brengen in functies, met name in producten die in bulk worden geproduceerd. Vaak zijn gestandaardiseerde prestatieoplossingen voldoende om te voldoen aan de benodigde vereisten van toepassingen met een lage vraag. Op maat ontworpen koellichamen bieden, in tegenstelling tot de standaardopties met lage prestaties, betere prestaties, maar tegen extra kosten.

Dankzij deze overwegingen kunnen ingenieurs en ontwerpers de koelplaat kiezen die past bij de gedefinieerde operationele en thermische omstandigheden, zonder dat dit ten koste gaat van de betrouwbaarheid en efficiëntie in veel toepassingen.

Belang van oppervlakte in ontwerp

Het oppervlak speelt een belangrijke rol in de thermische prestaties van de heatsink. Het vermogen van een heatsink om warmte af te voeren, is afhankelijk van het vermogen om thermische energie van de bron naar de omgeving over te brengen. Een groter oppervlak zorgt voor een grotere instroom van lucht, wat convectie- en koelprocessen verbetert. Dit paradigma wordt met name nuttig in kritieke situaties waarin thermisch beheer van het grootste belang is binnen het systeem.

Onderzoek toont aan dat het toevoegen van groeven, vinnen en andere uitgebreide structuren om het oppervlak van een koellichaam te vergroten, de warmteafvoer met ongeveer 30 - 50% kan verbeteren. Dit is sterk afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden en de materiaaleigenschappen. Bijvoorbeeld, het toevoegen van dicht opeengepakte vinnen vergroot het oppervlak en vergroot het contact tussen het primaire oppervlak en het koellichaam, allemaal zonder de afmetingen van het koellichaam aanzienlijk te vergroten. Ontwerpkeuzes die zich richten op gemaximaliseerde contactoppervlakken houden echter geen rekening met luchtstroomdynamiek en mogelijke drukval. Als dit niet wordt beheerd, kan te veel vindichtheid leiden tot een slechte koeleffectiviteit.

Bovendien is de ontwikkeling van productieprocessen zoals 3D afdrukken en extrusie maakt het mogelijk om complexe geometrieën te fabriceren voor koellichamen die zijn geoptimaliseerd voor oppervlakte, sterkte en duurzaamheid. Andere ingenieurs kijken naar andere materialen zoals grafiet en andere moderne keramiek, die een hoge thermische geleidbaarheid hebben en ontworpen kunnen worden met een laag gewicht en een hoge veelzijdigheid. De koellichamen van vandaag hebben een groter oppervlak, waardoor ze kunnen voldoen aan de thermische vereisten van meer geavanceerde elektronische apparaten.

Impact van luchtstroom op de prestaties van het koellichaam

In relatie tot het ontwerp van computerapparaten is luchtstroom een ​​ander aspect dat grondig moet worden onderzocht, omdat het de functionaliteit van een koellichaam sterk beïnvloedt. Het verwijderen van warmte die door een elektronisch onderdeel wordt geproduceerd, wordt bereikt door een goede luchtstroom, die op zijn beurt het thermische evenwicht van een apparaat handhaaft. Aan de andere kant resulteert een slechte luchtstroom in een toename van de bedrijfstemperatuur, wat op zijn beurt de efficiëntie van het koelsysteem beïnvloedt, waardoor het onvoldoende wordt, wat uiteindelijk leidt tot apparaatstoringen.

Zoals eerder vermeld, vereisen koellichamen voldoende luchtstroom in een systeem, wat natuurlijke ventilatie of geforceerde luchtstroom kan zijn, meestal met behulp van een ventilator of als onderdeel van een complexer koelsysteem. Voor een goede koeling moet de luchtstroom over het koellichaam uniform zijn, omdat alles anders, zoals turbulentie of obstakels, inefficiënties creëert. Door de interferentie te minimaliseren, kunnen ingenieurs de warmteafvoercapaciteiten van koellichamen verbeteren, wat uiteindelijk het thermische beheerontwerp van het systeem verbetert.

Hoe verbeteren koellichaamontwerpen de koeling?

Innovaties in koellichaamontwerpen

Geometrie-optimalisatie van vinnen

• Nieuwe computermodelleringstechnologieën hebben het mogelijk gemaakt om nieuwe vinontwerpen te creëren die het oppervlak vergroten en tegelijkertijd de luchtstroomweerstand verminderen. Staggered of Wavy Fin Configurations zijn voorbeelden die de warmteafvoer, turbulentie en warmteoverdrachtssnelheden verhogen. Onderzoek stelt dat nauwkeurig afgestemde vingeometrieën traditionele rechte vinontwerpen tot 20% overtreffen als het gaat om de algehele efficiëntie van de koelplaat.

Hoogwaardige materialen

• De toevoeging van materialen zoals koper, grafietcomposieten en aluminiumlegeringen heeft de thermische geleidbaarheid van koellichamen sterk verbeterd. Die materialen verschillen in geleidbaarheid, waarbij koper indrukwekkend op 400 W/m·K staat, waardoor het ideaal is voor toepassingen met hoge prestaties waarbij warmteoverdracht belangrijk is. Hoewel de waarde van 205 W/m·K van aluminium een ​​stuk lager is dan die van koper, heeft het nog steeds de voorkeur vanwege het lichte gewicht en de lage prijs.

3D-geprinte koellichamen

• Additive manufacturing heeft een nieuw hoofdstuk geopend voor het ontwerp van koellichamen vanwege de mogelijkheid om ingewikkelde geometrieën te creëren, wat niet mogelijk is met traditionele productiemethoden. Aangepaste structuren, zoals interne kanalen of roosterpatronen, kunnen worden opgenomen in 3D-geprinte koellichamen voor betere thermische prestaties. Een onderzoek in thermische engineering ontdekte dat 3D-geprinte ontwerpen beter presteren dan conventioneel vervaardigde alternatieven door de thermische weerstand met bijna 30 procent te verminderen.

Integratie van dampkamer

• Heat sinks bevatten steeds vaker dampkamers als middel om warmte gelijkmatig te verspreiden door het koelgebied. Een dampkamer is een afgesloten, platte doos die een capsule vloeistof bevat die warmte efficiënt kan overdragen door verdamping en condensatie. Gegevens suggereren dat, voor uitdagende elektronicatoepassingen, heat sinks met dampkamerintegratie in staat zijn om de thermische geleidbaarheid met meer dan 25% te verbeteren.

Pin Fin Arrays en Microchannel

• Pin fin array microchannel heat sinks zijn ideaal voor het bereiken van een hoge warmtestroomafvoer in krappe ruimtes. Deze typen ontwerpen zijn effectief voor vermogenselektronica en datacentertoepassingen met beperkte ruimte. Sommige tests hebben aangetoond dat op microchannel gebaseerde heat sinks thermisch gezien meer dan 40% beter presteren dan traditionele fin-ontwerpen.

Integratie van actieve koeling

• Het algehele thermische beheer van een apparaat kan aanzienlijk worden verbeterd door traditionele koellichaam ontwerpen met actieve koelbenaderingen zoals vloeistofkoeling of thermo-elektrische koelers (TEC's). Er is bijvoorbeeld waargenomen dat TEC-enabled hybride oplossingen de bedrijfstemperaturen van apparaten in elektronische systemen met een hoog vermogen met 15-20 graden Celsius verlagen.

Naarmate de technologie vordert, worden moderne ontwerpen voor koellichamen steeds geavanceerder in het overwinnen van de thermische uitdagingen die voortvloeien uit de toenemende vermogensdichtheid en miniaturisatie van apparaten binnen een elektronisch systeem. Elke stap in innovatie is gericht op het formuleren van betrouwbaardere koeloplossingen voor uiteenlopende toepassingen.

Efficiëntie verbeteren door ontwerp

De rol van relevante materialen en de geometrie van een geoptimaliseerde heatsink is prominenter geworden met de toename in verfijning met betrekking tot het thermische beheer waaraan gewerkt is. Eén benadering in ontwerp is om fractals in de geometrie van de heatsink vinnen te plaatsen, wat het oppervlak en de luchtstroom vergroot. Op berekeningen gebaseerde experimenten hebben aangetoond dat, afhankelijk van bepaalde bedrijfsomstandigheden, fractale ontwerpen van heatsinks koelrendementen kunnen bieden die tot 25% hoger zijn dan wat standaardontwerpen bieden.

In een andere verbetering is warmteafvoer met behulp van faseveranderingsmaterialen (PCM's) een andere fractale modificatie. PCM's kunnen energie op een gereguleerde manier absorberen en afvoeren tijdens faseovergangen, bijvoorbeeld wanneer een vloeistof opwarmt en overgaat in een gas. Recent werk heeft aangetoond dat bij hoge thermische belastingen het inbedden van PCM's in aluminium koellichamen tot wel dertig minuten vertraging in thermische verzadiging kan opleveren, wat een aantrekkelijk voorstel is voor apparaten met sporadisch piekstroomverbruik.

De incorporatie van anisotrope materialen levert ook enkele van deze voordelen op. Deze materialen, zoals sommige vormen van grafiet of koolstofcomposieten, hebben hoge waarden van thermische geleidbaarheid in sommige geselecteerde richtingen, waardoor de overdracht van energie van de gevoeligere componenten veel efficiënter wordt. Bijvoorbeeld, het gebruik van pyrolytische grafietplaten in koellichamen resulteert in thermische geleidbaarheidswaarden van meer dan 1500 W/m·K, wat veel meer is dan de traditionele aluminium of koperen koellichamen.

Bovendien illustreren deze state-of-the-art ontwikkelingen de voortdurende innovatie die nodig is om te voldoen aan de thermische reguleringsvereisten van de technologie van volgende generaties. Verbeterde ontwerpen van koellichamen hebben ook betere thermische prestaties behaald en hebben bijgedragen aan milieu- en duurzaamheidsdoelen omdat ze energiezuinige operaties en minimale koelvereisten in bredere systemen mogelijk maken.

Mechanismen voor warmteoverdracht begrijpen

De middelen voor warmteoverdracht kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën: geleiding, convectie en straling.

• Geleiding is het proces waarbij twee materialen direct met elkaar in contact komen en een van de twee wordt verhit. De energie stroomt van het gebied met de hogere temperatuur naar de lagere temperaturen. Vaste stoffen (meestal metalen) zijn de beste geleiders van warmte vanwege hun sterk gepakte deeltjes, die trillen wanneer ze worden verhit.
• Bij convectie, er is een beweging van moleculen binnen vloeistoffen (vloeistoffen of gassen). Minder dichte en warmere vloeistoffen nemen de ruimte bovenaan in, terwijl dichtere en koelere vloeistoffen zinken/naar beneden verschuiven. De rotatie van de cyclus zorgt voor het verwarmen van de vloeistoffen.
• Bestraling verwijst naar de overdracht van warmte-energie door middel van elektromagnetische golven zonder het fysieke medium. Dit is de reden waarom de zon in staat is om energie over te dragen aan de aarde.

Geïntegreerde wetenschap verklaart dit met natuurkunde. Koeling beheren met verwarming heeft toepassingen in de basisschool, het echte leven en geavanceerde natuurkundetoepassingen. Elk heeft zijn eigen regels om te volgen met betrekking tot het formuleren van problemen met betrekking tot de omgeving en het type gebruikte materialen.

Veelgestelde vragen (FAQ's)

V: Wat is een koellichaam en waarom is het belangrijk?

A: Een heatsink is een passief elektronisch onderdeel waarvan het doel is om warmte van het apparaat te absorberen en af ​​te voeren. Het is belangrijk omdat het de machine en de componenten ervan optimaal laat functioneren zonder oververhitting, en het verhoogt de effectiviteit van de verschillende elektronische systemen die in een breed scala aan apparaten en machines worden gebruikt.

V: Van welke materialen worden koellichamen meestal gemaakt?

A: Materialen die thermisch geleidend zijn, worden doorgaans gebruikt om heatsinks te maken. De meest gebruikte materialen zijn in eigen land aluminium (meestal 6063 grade) en koper. Koper is ongeveer twee keer zo geleidend als aluminium, waardoor deze materialen warmte efficiënt van componenten kunnen afvoeren.

V: Zijn koperen koellichamen de beste keuze voor alle toepassingen?

A: Hoewel koper een grote thermische geleidbaarheid heeft, is het niet het beste materiaal voor elke toepassing. De algehele geschiktheid hangt af van factoren zoals gewicht, kosten en specifieke toepassing. Hoewel aluminium de voorkeur heeft omdat het lichter en goedkoper is, is de thermische geleidbaarheid ervan minder dan die van koper.

V: Wat zijn de verschillen tussen passieve en actieve koellichamen?

A: Een passieve heatsink heeft geen bevestigde onderdelen, terwijl een actieve heatsink een ventilator heeft. Passief voert warmte af via convectie, terwijl actief een ventilator gebruikt voor convectieve koeling. Actief kan grotere hoeveelheden warmte afvoeren, maar vereist stroom en kan lawaai maken. Het komt neer op de specifieke koelbehoeften van het systeem.

V: Welke invloed heeft de materiaalkeuze op de prestaties van het koellichaam?

A: Materiaal heeft een grote invloed op de prestaties van een heatsink. Een materiaal met een goede thermische geleidbaarheid, zoals koper, voert warmte beter af, maar andere overwegingen, zoals gewicht, prijs en gemak van productie, zijn ook van belang. Het beste heatsinkmateriaal is er een dat rekening houdt met al deze aspecten voor die toepassing.

V: Hoe definieert u thermische weerstand en waarom is het een essentiële parameter voor koellichamen?

A: Het is de maatstaf voor hoe effectief een materiaal is in het weerstaan ​​van warmte die erdoorheen stroomt. Wat betreft koellichamen is een lager getal beter, omdat het betekent dat er meer warmte kan worden overgedragen. Dat getal is erg belangrijk voor de efficiëntie van hoe een koellichaam warmte van een component afvoert, dus de koelprestaties zijn ervan afhankelijk.

V: Op welke manier is thermische simulatie nuttig bij het selecteren van een geschikte koelplaat?

A: Voordat fysieke prototypes worden gemaakt, kan thermische simulatie de verwachte prestaties van verschillende ontwerpen en materialen van koellichamen beoordelen. Het stelt ingenieurs ook in staat om componenten van koellichamen te ontwerpen en optimaliseren voor koelspecifieke toepassingen, rekening houdend met luchtstroom, materiaaleigenschappen en de positie van het koellichaam en de warmtebron. Dit verbetert de efficiëntie van het uiteindelijke ontwerp van de koeloplossing aanzienlijk en levert betere resultaten op.

V: Welke bijdrage leveren thermische interfacematerialen zoals koelpasta en pads?

A: Een gedetailleerde interface bestaande uit thermische pasta en pads kan worden gecategoriseerd onder thermische interfacematerialen. Dergelijke thermische materialen vullen de bestaande luchtholtes in de interface die thermisch verbonden moeten worden. Interfacematerialen van deze aard helpen bij de overdracht van warmte door de weerstand van de interface te verlagen. De toepassing ervan is zeer kritisch om de geschatte efficiëntie van de koellichamen te bereiken.

V: Op welke manier beïnvloeden fabricageprocessen, zoals afschilferen, de prestaties van de koelplaat?

A: De prestaties van een heatsink worden zeker beïnvloed door bepaalde productieprocessen. Bijvoorbeeld, skiving maakt het gemakkelijk om zeer fijne vinnen te produceren. Dit vergroot het oppervlak dat warmte afvoert. Andere stappen zoals extrusie of spuitgieten veranderen de structuur en thermische eigenschappen van het materiaal. De selectie van de procedure moet rekening houden met de verwachte prestaties en kosten tegelijkertijd.

V: Zijn koellichamen voldoende om de noodzaak van actieve koeling in systemen met hoge prestaties weg te nemen?

A: Hoewel efficiënte koellichamen de koelefficiëntie van de CPU verbeteren en de temperatuur verhogen, kunnen ze nog steeds niet de vereiste voor actieve koeling met één hendel voor alle high-performance systemen wegnemen. Voor gevallen waarin er een hoog potentieel is voor warmtecreatie, zal normaal gesproken een combinatie van passieve koellichamen en actieve koelbenaderingen (d.w.z. koelventilatoren) efficiënter zijn voor thermoregulatie.

Referentiebronnen

1. Computationele studie van geïntegreerde koellichamen en faseveranderingsmaterialen als passief koelsysteem voor fotovoltaïsche zonne-energie-apparaten

• Auteurs:  Nazar Naufal Wahyu Athallah, B. Halimi
• Gepubliceerd: 2024
• Belangrijkste bevindingen:
• In dit onderzoek worden de prestaties van een fotovoltaïsch (PV) zonnepaneel geanalyseerd dat wordt gekoeld met een combinatie van een koellichaam en faseovergangsmaterialen (PCM).
• Hierbij worden de prestaties van een koellichaam met verschillende oriëntaties (recht, cirkelvormig, zigzag) bestudeerd met behulp van de Computational Fluid Dynamics (CFD)-methode.
• De combinatie van koellichaam en PCM resulteerde in een gemiddelde celtemperatuur van 47.94 °C. Dit is lager dan wanneer alleen het koellichaam werd gebruikt (51.25 °C).
• Methodologie:
• Er werden CFD-simulaties uitgevoerd om de thermische prestaties van verschillende ontwerpen van koellichamen met PCM te bepalen.
• Citation: (Athallah & Halimi, 2024, pp. 1–6)

2. Gecombineerde experimentele en numerieke analyse van warmtegeleidingskarakteristieken van conisch gevormde pinvin-koellichaam met PCM

• Auteurs: Sharzil Huda Tahsin en anderen.
• Gepubliceerd: 2024
• Belangrijkste bevindingen:
• In deze studie worden de koelprestaties onderzocht in de combinatie van faseovergangsmaterialen (PCM) met koelende conische pinvinnen.
• Uit de resultaten blijkt dat kuiltjes en gaten in de conische vinnen de warmteoverdrachtsefficiëntie met 4.6% verhogen ten opzichte van standaard ronde pinvinnen.
• Uit het experiment bleek dat de implementatie van PCM resulteerde in een verbetering van de koelprestaties van 5% tot 8% ten opzichte van luchtkoeling.
• Methodologie:  
• De warmteoverdracht op verschillende vinconfiguraties werd beoordeeld met behulp van een combinatie van numerieke 3D-analyse en experimentele analyse.
• Citation: (Tahsin et al., 2024)

3. Titel: Een experimentele studie naar de thermische prestaties van een koellichaam gevuld met poreus aluminium skelet/paraffine composiet faseveranderingsmateriaal

• Auteur: Shufeng Huang et al.
• Gepubliceerd: 2024
• Belangrijkste bevindingen:  
• In dit werk wordt een nieuw samengesteld faseovergangsmateriaal, AS-PCM, voorgesteld, dat een poreus aluminiumskelet en paraffine bevat om de thermische geleidbaarheid te verbeteren.
• Uit de resultaten blijkt dat de thermische geleidbaarheid van AS-PCM die van zuivere paraffine overtreft, waardoor de temperatuurregeling beter presteert.
• Methodologie:  
• De nieuw ontwikkelde samengesteld materiaal werd experimenteel getest op een thermische prestatieanalyse onder verschillende randvoorwaarden.
• Citation: (Huang et al., 2024)

4. Experimenteel onderzoek naar de thermische prestaties van een koellichaam van gevind metaalschuim met faseveranderingsmateriaal

• Auteurs: Yongping Huang et al.
• Gepubliceerd: 2020
• Belangrijkste bevindingen:
• In deze studie werden de thermische prestaties van koellichamen van gevind metaalschuim met geïntegreerde faseovergangsmaterialen geëvalueerd.
• Uit het onderzoek bleek dat de toevoeging van metaalschuim de warmtegeleiding verbeterde, wat resulteerde in een betere warmteoverdracht.
• Methodologie:
• Er werd een dynamische responsanalyse uitgevoerd om de temperatuur en thermodynamische respons van het koellichaam te vergelijken met traditionele koellichamen met vinnen.
• Citation: (Huang et al., 2020, pp. 579-591)

5. Thermische prestaties van op faseveranderingsmateriaal gebaseerde koellichamen voor zonne-energiekoeling

• Auteurs: Niet gespecificeerd
• Gepubliceerd: 2019
• Belangrijkste bevindingen:
• In deze studie werd het gebruik van faseovergangsmaterialen voor het koelen van zonnecellen onderzocht, met de nadruk op passieve koeltechnieken.
• Er werd gekozen voor paraffinewas vanwege de hoge latente smeltwarmte, waardoor het een gewilde PCM is.
• Methodologie:
• Er werden verschillende experimentele opstellingen uitgevoerd om de thermische prestaties van de op paraffine gebaseerde koelplaat onder verschillende omstandigheden te bestuderen.
• Citation: (“Thermische prestaties van op faseveranderingsmateriaal gebaseerde koellichamen voor zonne-energiekoeling,” 2019)

6. Aluminium

7. Koellichaam

8. Metaal