Jäähdytyselementti

Jäähdytyslevy on elin, joka lisää lämpöä emittoivan pinnan lämpöä tuottavan komponentin. Tämä voi estää ylikuumenemisen mahdolliset vahingot.

Erilaiset alumiiniset jäähdytyselementit

toiminto

Lämmönsiirto lämmönlähteestä ympäröivän jäähdytysväliaineen (enimmäkseen ilmaa , mutta myös vettä tai muita nesteitä) on ensisijaisesti riippuvainen lämpötilaero, tehokas pinta ja virtausnopeus jäähdytysväliaineen. Lämpönielu tehtävänä on lämpöhäviö mukaan johtuminen soitonsiirron lämpöä kehittävästä komponentista ja nämä sitten lämpösäteilyn ja konvektion antaa ympäristöön. Pidä lämpövastus mahdollisimman pienenä,

1. jäähdytyselementti on valmistettu materiaalista, joka johtaa hyvin lämpöä
2. on tumma ja mahdollisimman suuri pinta
3. voidaan asentaa pystysuoraan tukemaan ilmankiertoa savupiipun vaikutuksen kautta .

Teloitukset

Erilaiset alumiiniprofiilit jäähdytyselementtejä varten

Jäähdytyslevyt koostuvat yleensä metallista, jolla on hyvä lämmönjohtavuus , yleensä alumiinista tai kuparista . Teollisessa massatuotannossa alumiini- tai teräslevykotelon osia käytetään usein jäähdytyselementteinä.

Viimeisempää kehitystä ovat keraamisista materiaaleista ( alumiinioksidi ja alumiininitridi ) valmistetut jäähdytyselementit , jotka on tarkoitettu käytettäväksi erityisesti lämmön johtamiseen tehoelektroniikassa ja LED-sovelluksissa.

Vaatimuksista riippuen jäähdytyselementtejä valmistetaan monenlaisissa malleissa:

• uritettu metallilohko, joka on yleensä valmistettu alumiinista puristamalla
• Jäähdyttimille, jotka on valmistettu kuparista kiinteänä metallilevynä, jossa on puristetut tai (harvoin) juotetut kuparista tai alumiinista valmistetut lamellit, mutta myös jauhetut kiinteästä materiaalista .
• lävistetyt ja taivutetut levyt
• Kiinnitettävät jäähdytystähdet ja jäähdytysliput alumiinista, jousipronssista tai teräslevystä

Jäähdytettävä komponentti liitetään toisiinsa ruuveilla , kiinnikkeillä, liimoilla tai kiinnikkeillä mahdollisimman pienellä etäisyydellä. Sivuvaikutus on mekaaninen kiinnitys, joka tapahtuu usein, erityisesti ruuveilla.

Lämmönsiirron edistämiseksi kontaktipinnat tehdään tasaisiksi tai kaksiulotteisiksi tasaisiksi mekaanisella käsittelyllä (jyrsintä, sorvaus , jauhaminen ).

Muita materiaaleja käytetään mikroelektroniikassa, mutta tässä ne ovat ensisijaisesti lämmön jakamista komponenttien sisällä. Hyvän lämmönjohtavuuden ja sähköeristyksen lisäksi tarvitaan timantti, jolla on noin viisi kertaa parempi lämmönjohtokerroin, jota käytetään hopeaan. Tuoreempi kehitys on hiilinanoputkia , joiden lämmönjohtavuuskerroin on lähes neljätoista kertaa parempi kuin hopean .

Sovellukset

Jäähdytyslevyjen käytetään tehoelektroniikan ja tietokoneet , erityisesti jäähdytyksen teho puolijohteita , esim. B. in Sähköveturien , on lähtö vaiheissa ja HiFi vahvistimet, on virtalähteet , varten Peltier-elementit viileässä pusseihin, tai prosessorit . Jäähdytyselementtejä vaaditaan myös radioisotooppigeneraattoreille , joita käytetään satelliittien tai etämajakoiden toimittamiseen sähköenergialla. LED-ohjattavat valaisimet vaativat myös jäähdytyselementtejä lämmön johtamiseksi, mikä on erityisen yleistä voimakkaampien LEDien kohdalla, ja lämpötilan laskemiseksi.

Mitoitus ja laskenta

Transistori on JEDEC TO-5 koteloon liu'utetaan-alumiinin jäähdytys tähden

Ulkoinen jäähdytyselementti vesijäähdytteiselle prosessorille

Jäähdytyselementin muoto ja koko riippuvat pääasiassa fyysisistä olosuhteista.

Jäähdytyslevyn spesifikaation ominaisarvo, absoluuttinen lämpövastus , vastaa sähkövastusta ja lasketaan seuraavalla kaavalla:

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {thK}} = a \ cdot {\ frac {T _ {\ mathrm {i}} -T _ {\ mathrm {U}}} {P _ {\ mathrm {Q}}}} - b \ cdot (R _ {\ mathrm {thG}} + R _ {\ mathrm {thM}})}$

käytetyt parametrit:

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {th}}}$ = Yleinen lämpövastus

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {thK}}}$ = Jäähdytyselementin lämmönkestävyys

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {thG}}}$ = Jäähdytettävän komponenttikotelon lämpövastus

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {thM}}}$= Komponentin ja jäähdytyselementin välisen liitospinnan (lämpöpasta tai lämpöliima ) lämpövastus

${\ displaystyle T _ {\ mathrm {i}}}$= Lämmönlähteen lämpötila on esimerkiksi puolijohdekomponenttien estokerroksen maksimilämpötila

${\ displaystyle T _ {\ mathrm {U}}}$ = Jäähdytysväliaineen lämpötila

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {Q}}}$ = jäähdytettävästä komponentista poistettava lämpöteho

Lämpöresistanssi muodostaa perustan lisälaskelmille jäähdytyselementin suunnittelua varten. Tältä pohjalta voi nyt lisätä tekijöitä ja olla mukana, esimerkiksi: ${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$

• Jäähdytysväliaineen tyyppi ja ominaisuudet (kaasu tai neste)
• vapaa tai pakotettu konvektio
• vaaka- tai pystysuora asennusasento
• (tumma) jäähdytyselementin pinnan väri
• takautuva lämmitys mahdollisesti
  • väistämätön ympäristön lämpötilan nousu
  • heijastunut lämpösäteily

Kun sulkeutuneissa tiloissa on vapaa konvektio, on otettava huomioon myös huoneen asennuspaikka, asennusasento ja jäähdytyselementin muotoilu. Pystysuora asennusasento ja pystysuoraan kohdistetut jäähdytysrivat vastaavat optimaalista. Jos taas jäähdytyselementti asennetaan vaakasuoraan, jäähdytysripojen järjestelyllä on tärkeä rooli. Tässä tapauksessa jäähdytystehoa suositaan, jos jäähdytysripat on järjestetty kohtisuoraan eikä yhdensuuntaisesti jäähdytyselementin pituusakselin kanssa.

Jäähdytyselementin muoto ja koko riippuvat myös taloudellisista tekijöistä. Jäähdytettävissä olevissa komponenteissa voi olla erityispiirteitä, jotka on otettava huomioon.

Passiiviset lämpönielut

Jäähdytetty voimansiirtoputki

Passiivinen jäähdytyselementti toimii pääasiassa konvektion : Ympäristön ilma kuumennetaan, tulee erityisesti kevyempi ja siten nousee, mikä aiheuttaa viileämpää ilmaa virtaamaan. Korkeammissa lämpötiloissa myös lämpösäteilyllä on merkitystä, minkä vuoksi elektroniikan jäähdytyselementtien pinnat ovat usein anodisoituja (katso mustat kappaleet ). Tämä lisää emissiivisyyden lähelle yhtä asiaankuuluvalla aallonpituusalueella (10 pm: llä) . Anodisaation värillä - toisin kuin yleisesti oletetaan, että jäähdytyselementtien on oltava mustia - ei ole merkitystä; väri vaikuttaa vain näkyvään aallonpituusalueeseen, jolla ei ole merkitystä elektroniikassa yleisesti käytetyllä lämpötila-alueella (<150 ° C).

Yleisimmin passiivisiin jäähdytyselementteihin käytetty materiaali on alumiinia. Syyt ovat:

• suhteellisen alhainen materiaalihinta
• helppo käsittely ( suulakepuristetut profiilit )
• alhainen tiheys
• korkea lämpökapasiteetti
• tyydyttävä lämmönjohtavuus

Vaikka kuparilla on korkeampi lämmönjohtavuus, se on painavampaa, kalliimpaa ja sitä on vaikeampaa käsitellä. Siksi sitä käytetään pääasiassa aktiivijäähdyttimiin.

Aktiiviset jäähdytyselementit

Aktiivisessa jäähdytyselementissä on yleensä sähkökäyttöinen tuuletinpyörä ohjaamaan riittävää ilmamassaa runkoon. Tehovaatimuksia ja melua voidaan vähentää, jos puhaltimen nopeutta säädetään lämpötilasta riippuen. Aktiivijäähdyttimiin kuuluu myös nestejäähdytys.

Pakotetulla jäähdytyksellä tai pakotetulla ilmajäähdytyksellä varustetut jäähdytyselementit saavuttavat jopa kuusinkertaisen passiivisen jäähdyttimen jäähdytystehon, joka perustuu vain konvektioon samoilla materiaalikustannuksilla, ja ne voidaan siksi rakentaa erittäin kompakti. Haittoja ovat syntyvä melu sekä ylikuumenemisriski pölystä, liasta tai tuulettimen vikaantumisesta. Anturit valvovat siksi usein puhaltimen nopeutta, ilmavirtaa tai lämpötilaa. Aksiaalipuhallin voidaan asentaa jäähdytyslevyihin jäähdytysripojen yläpuolelle siten, että se puhaltaa jäähdytysripojen suuntaan (päinvastoin, tämä on epäedullista) tai upotetaan (integroitu) jäähdytyselementtiin. Järjestelmät, joissa tasainen radiaalipuhallin puhaltaa sivulta jäähdytysripojen läpi, vaativat vähän korkeutta.

Aktiivijäähdyttimissä on usein paljon hienommat kylkiluut kuin passiivijäähdyttimissä, eivätkä ne siksi sovellu puhtaaseen konvektiojäähdytykseen suuren virtausvastuksen takia.

Suuritehoisten diodilaserien kohdalla ”aktiivijäähdytyksellä” tarkoitetaan ns. Mikrokanavajäähdytintä ( nestejäähdytin, jossa on erittäin hienot jäähdytyskanavat, lähellä lämmönlähdettä, voimakas virtaus). Sitä vastoin tällä teollisuudenalalla "passiivinen jäähdytys" on lämmönvaihdin, jossa lämpö leviää aluksi lämmönjohtamisen kautta.

Lämpöputket

Prosessorin jäähdytin kuparilämpöputkilla

Lämpöputki ei korvaa jäähdytyselementti, mutta toimii ainoastaan kuljettaa lämmön tai parantaa lämmön jakelua ja dynaaminen käyttäytyminen. Sitä käytetään usein ahtaissa tiloissa lämmön johtamiseksi komponentista todelliseen jäähdytyselementtiin. Lämpöputkiperiaatetta käytetään kannettavissa tietokoneissa ja erittäin pienikokoisissa tehoelektroniikkayksiköissä ja yhä useammin myös jäähdytyskokoonpanoissa, kuten näytönohjaimissa, piirisarjoissa ja tietysti prosessoreissa suuritehoisissa tietokoneissa.

Toinen käyttöalue on satelliitit ja avaruusmatka, koska suoraa lämmöntuottoa varten ei ole ilmaa. Lämpöputki johtaa lämpöenergian ulkoseinään, jossa suuret, tummat patterit tuottavat säteilyä.

Kokoaminen

Jotkut eristävät aluslevyt, kolme kiilalevyä vasemmalla, silikonikumityyny oikealla

Asennuksen aikana jäljellä olevien pintojen epätasaisuudet johtavat ilmataskuihin, jotka johtavat ilman suhteellisen alhaisen lämmönjohtavuuden vuoksi ns. Kuumiin pisteisiin . Näiden epätasaisuuksien kompensoimiseksi paremman lämmönsiirron aikaansaamiseksi komponentista jäähdytyslevyyn levitetään yleensä ohut kerros lämpöpastaa ennen kokoonpanoa . Lämpöpehmusteita käytetään, kun tarvitaan erillinen asennus ( galvaaninen erotus ) tai etäisyys. Levyjä on valmistettu kiille , keraaminen (Al ₂ O ₃ , BeO), silikonikumi tai erityinen muovinen polyimidi ( "Kapton" ®) käytetään. Jälkimmäinen voidaan puolestaan ​​päällystää siten, että intiimi yhteys syntyy, kun niitä lämmitetään ensimmäistä kertaa. Erinomainen mekaaninen kiinnitys ja erittäin hyvä lämmönjohtavuus voidaan saavuttaa lämpöä johtavilla liimoilla. Nämä pääosin kaksikomponenttiset liimat kovettuvat lämmön vaikutuksesta muutamassa tunnissa ja ovat jo käsin tiiviit muutaman minuutin kuluttua.

Katso myös

• Jäähdytyksen fin , jäähdytys

nettilinkit

• Aksiaalipuhaltimien online-suunnittelu: laskentasovellus aksiaalipuhaltimien mitoitukseen jäähdytystä varten
• Erikoisominaisuudet laskettaessa jäähdytyselementtejä suuritehoisille LED-valoille ( Memento 9. joulukuuta 2011 Internet-arkistossa )

Yksittäiset todisteet

1. ↑ Teknisen keramiikan materiaalit, luvun nitridit . Keramiikkateollisuuden yhdistys, käyty 25. lokakuuta 2009 . 
2. ↑ K.-D. Linsenmeier: Tekninen keramiikka - materiaali korkeimpiin vaatimuksiin . Julkaisussa: Teknologian kirjasto . nauha 208 , 2010, ISBN 978-3-937889-97-9 , s. 62 . 
3. ↑ Jäähdytyselementti piirin kantajana. (Ei enää saatavilla verkossa.) Weka Fachmedien, arkistoitu alkuperäisestä 11. lokakuuta 2009 ; Haettu 22. huhtikuuta 2009 .