Chladič: Typy, materiály a výrobní metody

Chladič odvádí teplo od elektronických součástek do vzduchu, čímž je udržuje v bezpečných teplotních mezích. Jeho výkon závisí na stylu chlazení, materiálu, tvaru ploutve, výrobním způsobu a montáži. Tento článek vysvětluje typy chladičů, pokročilé rozpěrače, možnosti PCB a způsoby montáže a poskytuje jasné informace o každém tématu.

Přehled chladiče

Chladiče lze seskupit několika způsoby podle jejich konstrukce, způsobu chlazení, materiálu a místa instalace. Pochopení těchto skupin usnadňuje výběr chladiče, který splňuje potřeby chlazení obvodu nebo systému.

Standardní klasifikační metody zahrnují:

• Metoda chlazení – pasivní nebo aktivní

• Výrobní proces – extrudování, lisování, vyřazování atd.

• Geometrie ploutve – rovná, kolíková, rozšířená

• Zlepšení přenosu tepla – tepelná trubka, parní komora

• Úroveň integrace – na PCB nebo na úrovni šasi

Pasivní a aktivní chlazení chladičů 

• Pasivní chladiče spoléhají na přirozený proud vzduchu, takže jsou tiché a jednoduché, ale vyžadují větší velikost nebo více žeber, aby odváděly stejné množství tepla.

• Aktivní chladiče používají ventilátor, který tlačí vzduch přes žebra, takže zvládnou vyšší teplo v menším prostoru, ale vytvářejí hluk a závisí na čistotě a správném fungování ventilátoru.

Běžné materiály chladiče

• Hliník má střední tepelnou vodivost a nízkou hmotnost, proto se používá pro standardní chladiče v mnoha elektronických produktech.

• Měď má vyšší tepelnou vodivost a rychleji rozptyluje teplo, ale je těžší a stojí více než hliník.

• Hybridní chladiče využívají měď i hliník v jedné konstrukci ke zlepšení rozptylu tepla na kritických místech a zároveň k udržení celkové hmotnosti a nákladů pod kontrolou.

Tvary a shoda ploutí chladiče a proudění vzduchu 

Tvar a směr ploutve silně ovlivňují, jak vzduch prochází chladičem a jak dobře odvádí teplo. Různé geometrie ploutví lépe fungují s konkrétními vzory proudění vzduchu, například s prouděním vzduchu z ventilátoru nebo přirozeným prouděním vzduchu. Výběr vhodného typu ploutve pomáhá udržet plynulý průtok vzduchu a zlepšit celkový chladicí výkon.

Výrobní metody chladičů a konstrukční typy

Chladiče z extrudovaného hliníku 

Extrudované chladiče se vyrábějí tak, že se zahřátý hliník protlačí tvarovanou matricí a vytvoří tak dlouhý, žebrovaný kus. Profily lze poté nařezat na požadovanou délku. Tato metoda, klasifikace chladiče: typy, materiály a výrobní metody, se používá, protože podporuje mnoho standardních tvarů a udržuje výrobní náklady zvládnutelné pro malé až střední výkony.

• Jednokusová konstrukce s žebrami a základnou spojenou dohromady

• Dobrá mechanická pevnost pro montáž a manipulaci

• Dobře vhodný pro aplikace s nízkým až středním výkonem

• Omezená schopnost vytvářet křehké ploutve nebo vysoce složité tvary

Lisované kovové chladiče

Lisované chladiče jsou vyrobeny z tenkých kovových plechů, které se řežou a tvarují pomocí lisovacích nástrojů. Ploutve a základna jsou tvořeny jedním listem, což udržuje konstrukci lehkou a kompaktní. Tento typ chladiče se často používá tam, kde je málo místa a je potřeba odstranit jen malé množství tepla.

• Tvarováno z tenkého kovového plechu pomocí lisovacích nástrojů

• Lehká konstrukce s relativně nízkými náklady na materiál

• Vhodné pro velkosériovou výrobu kompaktních chladičů

• Poskytuje menší plochu a nižší chladicí výkon než silnější typy s ploutvemi

Chladiče z kovu z kovu z tlaku 

Tlakově lité chladiče se vyrábějí vtlačením roztaveného kovu do formy, kde chladne a ztvrdne do finálního tvaru. Tento proces může vytvořit detailní vzory ploutví a vestavěné montážní nebo zarovnávací prvky v jednom díle. Často se používá, když je potřeba určitý tvar a když musí chladič těsně sedět s ostatními mechanickými součástmi.

• Používá roztavený kov vstřikovaný do formy k vytvoření chladiče

• Podporuje složité uspořádání ploutví a vestavěné mechanické prvky

• Dobře vhodné pro konstrukce, kde je chladič součástí ohrady nebo krytu

• Vyžaduje vyšší náklady na nástroje, což jej činí nejpraktičtější pro střední až vysoké výrobní objemy

Konstrukce chladiče s lepenými ploutvemi

Chladiče s lepenými žebry se vyrábějí připevněním samostatných žeber k pevné základně pomocí pájení, pájení nebo jiné metody spojování. Tento přístup umožňuje umístit více žeber do stejné plochy, což zvyšuje celkovou plochu pro přenos tepla ve srovnání s mnoha standardními extrudovanými profily. Designy s lepenými žebry se často volí, když je potřeba vyšší chladicí výkon v omezeném prostoru.

• Podporuje vyšší hustotu žebrů než typické extrudované chladiče

• Rozstup ploutví, výšku a tloušťku lze upravit podle proudění vzduchu a úrovně výkonu

• Spojovací spoje přidávají malý tepelný odpor ve srovnání s jednodílnými žebrovými žebry

Konstrukce chladiče s vykřesenými ploutvemi 

Chladiče s vyřazenými ploutvemi se vyrábějí z pevného kovového bloku tříštěním tenkých vrstev materiálu a jejich ohýbáním do tvaru žeber. Protože jsou žebrové vyrobeny ze stejného kusu kovu jako základna, nejsou mezi nimi žádné samostatné spoje. Tato metoda umožňuje vejít mnoho tenkých žeber do malé plochy, čímž se zvyšuje celková plocha přenosu tepla a umožňuje silné chlazení v těsných prostorách.

• Žebrové jsou řezány a ohýbány z jednoho pevného kovového bloku

• Poskytuje velkou plochu ploutve v kompaktním prostoru

• Funguje dobře tam, kde je málo místa, ale je potřeba odvádění tepla vyšší

Konstrukce chladiče tepla kované za studena

Studeně kované chladiče tepla se vyrábějí vtlačením kovu do tvarované matrice pod vysokým tlakem při pokojové teplotě nebo mírně nad ní. Tento proces tvoří základ a spojuje se do jednoho pevného kusu, což pomáhá udržet strukturu pevnou a zlepšuje přenos tepla mezi základnou a žebrami. Studené kování dobře funguje pro kompaktní tvary, včetně hustých kolíkových nebo radiálních uspořádání, která vyžadují dobré chlazení v malém prostoru.

• Vytváří chladič lisováním kovu do tvaru při vysokém tlaku

• Jednodílná konstrukce zajišťuje vysokou pevnost a dobrý tepelný kontakt

• Dobře vhodné pro kompaktní, výkonné uspořádání, jako jsou pin-fin nebo radiální konstrukce

• Vyžaduje složité nástroje a je nejekonomičtější pro velké výrobní objemy

Tepelné chladiče tepelných trubek a parních komor

Konstrukce chladičů tepelných trubek

Chladiče tepelných trubek kombinují kovovou základnu a žebra s jednou nebo více uzavřenými trubicemi, které obsahují malé množství pracovní kapaliny. Když se základna zahřeje, kapalina na horkém konci absorbuje teplo a vypaří se. Pára se pohybuje trubicí do chladnější oblasti ploutví, kde se kondenzuje zpět do kapaliny a uvolňuje teplo do žeberen. Knot nebo podobná konstrukce uvnitř trubice vrací kapalinu zpět na horký konec, takže cyklus se opakuje a rychle odvádí teplo pryč od horkého místa.

• Použití uzavřených trubek s pracovním médiem k přesunu tepla ze základny do oblasti ploutve

• Pomáhá řídit horká místa rozptýlením tepla na větší plochu

• Umožnit umístění žeber v určité vzdálenosti od zdroje tepla, přičemž stále účinně chladí

• Spoléhat na kontinuální odpařování a kondenzaci uvnitř potrubí pro efektivní přenos tepla

Konstrukce chladičů s parními komorami

Chladiče v parní komoře používají plochou, uzavřenou desku s malým množstvím kapaliny uvnitř. Teplo způsobuje, že kapalina se odpařuje, šíří se jako pára a kondenzuje na chladnějších místech. To rychle rozvádí teplo po základně, než dosáhne ploutví.

• Plochá komora rozvádí teplo přes širokou základnu

• Pomáhá udržet základní teplotu rovnoměrnější

• Snižuje horká místa a zlepšuje účinnost ploutví

Chladicí desky a vlastnosti desek 

• Připínací chladiče se připevňují k TO-220 a podobným pouzdrům, aby odváděly teplo od zařízení.

• Malé SMD chladiče se montují na povrchově montované díly pro zlepšení místního chlazení na přeplněných deskách.

• Tepelné průchody a široké měděné plochy na PCB pomáhají rozvádět teplo z dílu do vrstev desky.

• Tyto metody jsou užitečné, když není poblíž žádný chladič v šasi a součást musí být chlazena při umístění na desce.

Běžné metody montáže chladiče

Závěr 

Chladiče mohou vypadat jednoduše, ale jejich chladicí schopnost vychází z mnoha propojených možností. Metoda chlazení, materiál, geometrie ploutí a způsob výroby určují základní výkon, velikost a cenu. Další prvky jako tepelné trubky, parní komory, měděné plochy na PCB a pevné upevnění zlepšují tok tepla, když je prostor nebo napájení omezené. Tyto faktory společně pomáhají udržovat obvody v bezpečných teplotních limitech a podporují spolehlivý, stabilní tepelný výkon v průběhu času.

Často kladené otázky [FAQ]

Q1. Co je tepelný odpor chladiče?

Tepelný odpor chladiče je nárůst teploty v °C pro každý watt výkonu (°C/W). Nižší hodnota znamená lepší chlazení.

Q2. Jak ovlivňuje teplota okolí chladič?

Vyšší okolní teplota způsobuje, že chladič a zařízení běží tepleji. Aby bylo zařízení udržováno stejnou teplotu, je potřeba více proudění vzduchu nebo lepší chladič.

Q3. Ovlivňuje barva chladiče chlazení?

Barva má na chlazení jen malý vliv. Plocha ploutve, proudění vzduchu a výběr materiálu jsou mnohem důležitější.

Q4. Co je to tepelný rozhraní materiál (TIM)?

TIM je tenká, tepelně vodivá vrstva mezi zařízením a chladičem, která vyplňuje malé mezery a zlepšuje tok tepla.

Q5. Proč je orientace chladiče důležitá při pasivním chlazení?

Při pasivním ochlazování stoupá teplý vzduch. Vertikální žebra s jasnou cestou nahoru umožňují snadnější proudění vzduchu a zlepšují chlazení.

Q6. Jak udržet chladič v dobré funkčnosti v průběhu času?

Odstraň prach z žeber a ventilátorů a ujisti se, že klipy, kolíky nebo šrouby zůstanou pevně utažené, aby kontakt a proudění vzduchu zůstaly dobré.