ที่อยู่อาศัยชุดระบายความร้อน: อธิบายวัสดุ การผลิต และการออกแบบการระบายความร้อน

ที่อยู่อาศัยอ่างความร้อน : เมื่อตู้กลายเป็นส่วนหนึ่งของระบบการจัดการความร้อน

โครงสร้างแผงระบายความร้อนรวมสองฟังก์ชันที่โดยทั่วไปได้รับการจัดการโดยส่วนประกอบที่แยกจากกัน: โดยทำหน้าที่เป็นโครงสร้างล้อมรอบของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ไปพร้อมๆ กัน และเป็นช่องทางการกระจายความร้อนหลักสำหรับส่วนประกอบภายใน แทนที่จะติดตั้งตัวระบายความร้อนแบบแยกส่วนเข้ากับส่วนประกอบแล้ววางส่วนประกอบนั้นภายในแชสซีที่แยกจากกัน ตัวระบายความร้อนจะรวมครีบ ช่อง หรือรูปทรงการกระจายอื่นๆ เข้ากับผนังหรือฐานของตัวเครื่องโดยตรง โดยเปลี่ยนตัวเคสให้เป็นโซลูชันการจัดการระบายความร้อน

วิธีการนี้พบได้ทั่วไปโดยเฉพาะอย่างยิ่งในไดรเวอร์ LED, ตัวแปลงไฟ, ตัวควบคุมมอเตอร์, อุปกรณ์ติดตั้งระบบไฟส่องสว่างในอุตสาหกรรม และตู้อิเล็กทรอนิกส์ที่ได้รับการจัดอันดับภายนอกอาคาร ซึ่งพื้นที่ระดับบอร์ดถูกจำกัด โดยที่ตู้ต้องปิดผนึกไม่ให้เข้าไป และในกรณีที่แผงระบายความร้อนภายในแยกต่างหากจะสร้างโซนการไหลเวียนของอากาศหรือต้องใช้พัดลมที่แอปพลิเคชันไม่สามารถรองรับได้ การออกแบบด้านความร้อนและกลไกของโครงสร้างแผงระบายความร้อนแยกจากกันไม่ได้ — การปรับด้านหนึ่งให้เหมาะสมโดยไม่สนใจอีกด้านหนึ่งจะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ไม่ตรงตามข้อกำหนดทั้งสองอย่างได้อย่างน่าเชื่อถือ

วัสดุที่ใช้ในการออกแบบที่อยู่อาศัยชุดระบายความร้อน

การเลือกวัสดุสำหรับตัวเรือนแผงระบายความร้อนเป็นการตัดสินใจในการออกแบบที่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดเพียงครั้งเดียว เนื่องจากจะกำหนดเพดานการนำความร้อน กำหนดกระบวนการผลิตที่มีอยู่ และสร้างน้ำหนักพื้นฐานและโครงสร้างต้นทุนของชิ้นส่วนสำเร็จรูป

อลูมิเนียมอัลลอยด์

อลูมิเนียมเป็นวัสดุที่โดดเด่นสำหรับการใช้งานแผงระบายความร้อนในแทบทุกกลุ่มตลาด ค่าการนำความร้อนของโลหะผสมอะลูมิเนียมทั่วไปอยู่ระหว่างนั้น 130 และ 210 วัตต์/เมตร·เค ขึ้นอยู่กับโลหะผสมและอุณหภูมิ — ต่ำกว่าอะลูมิเนียมบริสุทธิ์อย่างมาก (237 W/m·K) แต่เหนือกว่าเหล็กกล้า สังกะสี หรือพลาสติกวิศวกรรมมาก โลหะผสมที่ระบุบ่อยที่สุดสองชนิดคือ:

• 6063-T5 — โลหะผสมอัดขึ้นรูปมาตรฐานสำหรับโปรไฟล์แผงระบายความร้อน ที่มีค่าการนำความร้อนประมาณ 200 W/m·K และความสามารถในการตกแต่งพื้นผิวที่ดีเยี่ยม ปริมาณซิลิคอนที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ 6061 ทำให้เหมาะสำหรับการอัดขึ้นรูปหน้าตัดที่ซับซ้อนด้วยครีบบางมากกว่า โครงสร้างแผงระบายความร้อนแบบอัดขึ้นรูปส่วนใหญ่สำหรับ LED และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังใช้โลหะผสม 6063 หรือเทียบเท่า (เช่น EN AW-6063 ในยุโรป)
• ADC12/A380 — โลหะผสมหล่อด้วยซิลิคอนสูงที่มีค่าการนำความร้อนประมาณ 90–100 W/m·K ค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ 6063 คือการแลกกับรูปทรงเรขาคณิตสามมิติที่ซับซ้อนซึ่งการหล่อขึ้นรูปทำได้ - บอสยึดแบบรวม คุณสมบัติการป้อนสายเคเบิล และครีบส่วนล่างที่การอัดขึ้นรูปไม่สามารถผลิตได้ โครงสร้างแผงระบายความร้อนอะลูมิเนียมหล่อขึ้นรูปเป็นอุปกรณ์มาตรฐานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของยานยนต์ ระบบควบคุมมอเตอร์ทางอุตสาหกรรม และตัวเครื่องที่ได้รับการจัดอันดับ IP สูง

ทองแดง

ทองแดง offers thermal conductivity of approximately 385–400 วัตต์/เมตร·เค — ประมาณสองเท่าของอะลูมิเนียม — แต่มีความหนาแน่นมากกว่าสามเท่าและราคาวัสดุที่สูงขึ้นอย่างมาก ตัวเรือนแผงระบายความร้อนที่ทำจากทองแดงแบบเต็มนั้นหาได้ยากเนื่องจากน้ำหนักและราคา แต่ส่วนแทรกที่เป็นทองแดง ช่องระบายไอน้ำ หรือท่อความร้อนที่ฝังอยู่ภายในตัวเครื่องอะลูมิเนียมเป็นวิธีการแบบไฮบริดที่ได้รับการยอมรับอย่างดีสำหรับการใช้งานที่ภาระความร้อนของส่วนประกอบเฉพาะเกินกว่าที่การออกแบบอะลูมิเนียมทั้งหมดสามารถจัดการได้ โดยไม่เกินขีดจำกัดอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ

โพลีเมอร์นำความร้อน

สารประกอบโพลีเมอร์นำความร้อน — โดยทั่วไปคือไนลอน, PPS หรือ LCP ที่เติมด้วยโบรอนไนไตรด์, อะลูมิเนียมไนไตรด์ หรือคาร์บอนไฟเบอร์ — มีการนำความร้อนในช่วง 1–20 วัตต์/เมตร·เค ซึ่งเป็นขนาดที่ต่ำกว่าอะลูมิเนียมแต่สูงกว่าพลาสติกวิศวกรรมมาตรฐานอย่างมาก (0.1–0.3 W/m·K) ความได้เปรียบในการแข่งขันอยู่ที่การใช้งานที่ต้องการการแยกไฟฟ้าของพื้นผิวตัวเรือน การลดน้ำหนักเกินกว่าที่อะลูมิเนียมจะสามารถทำได้ และความอิสระในการออกแบบของการฉีดขึ้นรูป ไฟดาวน์ไลท์ LED และอุปกรณ์จ่ายไฟอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเป็นตัวแทนของพื้นที่การใช้งานที่พบบ่อยที่สุดสำหรับตัวเรือนโพลีเมอร์นำความร้อน

วิธีการผลิตและผลกระทบทางความร้อน

กระบวนการผลิตที่ใช้ในการผลิตตัวเรือนแผงระบายความร้อนไม่เพียงแต่กำหนดราคาและตัวเลือกรูปทรงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความหนาแน่นของครีบที่สามารถทำได้ ความหนาของผนังขั้นต่ำ และ — วิกฤต — แอนไอโซโทรปีของการนำความร้อนผ่านชิ้นส่วน

การอัดขึ้นรูป

การอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมเป็นเส้นทางการผลิตที่มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนมากที่สุดสำหรับตัวระบายความร้อน เนื่องจากใช้โลหะผสมซีรีส์ 6063 ที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง และสร้างหน้าตัดต่อเนื่องที่มีครีบหนาแน่นและสม่ำเสมอ โปรไฟล์ที่อัดขึ้นรูปจะถูกตัดให้มีความยาวและตัดเฉือนเพื่อติดตั้งและจุดเข้าสายเคเบิล ข้อจำกัดคือหน้าตัดจะต้องสม่ำเสมอตลอดแกนการอัดขึ้นรูป — คุณสมบัติที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงในทิศทาง Z จะต้องเพิ่มด้วยการตัดเฉือนรอง สำหรับตัวเรือนที่มีลักษณะเป็นแท่งปริซึมเป็นหลัก — กล่องสี่เหลี่ยมหรือทรงกระบอกที่มีครีบอยู่ด้านนอก — การอัดขึ้นรูปถือเป็นกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดทั้งในด้านความร้อนและต้นทุน

หล่อตาย

การหล่อด้วยแรงดันด้วยโลหะผสม ADC12 หรือ A380 ทำให้เกิดรูปทรงตัวเรือนสามมิติที่ไม่สามารถทำได้โดยการอัดขึ้นรูป โดยมีความสามารถในการทำซ้ำของมิติสูงและการตัดเฉือนขั้นที่สองน้อยที่สุดสำหรับการผลิตเป็นชุด ค่าการนำความร้อนของโลหะผสมหล่อซิลิกอนสูง (~96 วัตต์/เมตร·เค เทียบกับ ~200 วัตต์/เมตร·เค สำหรับ 6063) จะต้องได้รับการชดเชยด้วยพื้นที่ผิวครีบที่เพิ่มขึ้น หรือโดยการยอมรับอุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้นในสภาวะคงตัว สำหรับการใช้งานที่รูปทรงของตัวเรือนถูกขับเคลื่อนโดยข้อกำหนดทางกลหรือระดับ IP แทนที่จะปรับให้เหมาะสมกับความร้อน โดยทั่วไปแล้ว การหล่อด้วยแม่พิมพ์จะเป็นกระบวนการที่เหมาะสม ความหนาของผนังขั้นต่ำในการหล่อขึ้นรูปคือประมาณ 1.5–2.0 มม. สำหรับอะลูมิเนียม อัตราส่วนครีบถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 5:1 โดยไม่มีภาวะแทรกซ้อนจากมุมร่าง

เครื่องจักรกลซีเอ็นซี

โครงสร้างแผงระบายความร้อนที่ทำจากเหล็กแท่ง 6061-T6 หรือ 6063-T5 ให้อิสระทางเรขาคณิตสูงสุด และใช้โลหะผสมที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงเช่นเดียวกับการอัดขึ้นรูป เป็นแนวทางมาตรฐานสำหรับต้นแบบ การผลิตในปริมาณน้อย และการใช้งานที่ต้องการพิกัดความเผื่อมิติที่แคบมากบนพื้นผิวผสมพันธุ์ ต้นทุนต่อหน่วยในปริมาณจะสูงกว่าการอัดขึ้นรูปหรือการหล่อแบบตายตัวอย่างมาก แต่การตัดเฉือนช่วยให้มีรูปทรงของครีบ รวมถึงครีบที่ร่อนและอาร์เรย์พินที่กัด ซึ่งมีความหนาแน่นของครีบและอัตราส่วนกว้างยาวเกินกว่าที่การอัดขึ้นรูปหรือการหล่อจะเกิดขึ้นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการตัดครีบแบบ Skived สามารถสร้างครีบบางเพียง 0.2 มม. โดยมีอัตราส่วนกว้างยาวกว่า 40:1 ทำให้ได้ความหนาแน่นของพื้นที่ผิวที่เข้าใกล้ขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนตามธรรมชาติ

การเปรียบเทียบกระบวนการผลิต

หลักการออกแบบการระบายความร้อนสำหรับตัวเรือนชุดระบายความร้อน

การออกแบบตัวระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพจำเป็นต้องจัดการโซ่ต้านทานความร้อนทั้งหมดจากจุดเชื่อมต่อไปยังสภาพแวดล้อม — ไม่ใช่แค่เพิ่มพื้นที่ผิวครีบให้สูงสุด แต่ละขั้นตอนในห่วงโซ่มีส่วนทำให้เกิดความต้านทาน และจุดเชื่อมต่อที่อ่อนแอที่สุดจะกำหนดขีดจำกัดของอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อที่ทำได้ โดยไม่คำนึงว่าขั้นตอนอื่นๆ จะได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมเพียงใด

โซ่ต้านทานความร้อน

สำหรับส่วนประกอบที่ติดตั้งภายในโครงตัวระบายความร้อน ทางเดินระบายความร้อนจะทำงาน: ทางแยก → แพ็คเกจส่วนประกอบ → วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) → ฐานโครง → ครีบของโครง → อากาศโดยรอบ ความต้านทานความร้อนจากจุดเชื่อมต่อถึงสิ่งแวดล้อมรวม (θ _{ใช่แล้ว} ) คือผลรวมของความต้านทานทั้งหมดในสายโซ่นี้ ในโครงสร้างตัวระบายความร้อนที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี ความต้านทานที่โดดเด่นมักจะเป็นความต้านทานการพาความร้อนที่พื้นผิวครีบ ซึ่งเป็นส่วนเชื่อมต่อระหว่างอลูมิเนียมกับอากาศ การลดความต้านทานโดยการเพิ่มพื้นที่ผิวของครีบ ระยะห่างของครีบที่เหมาะสม หรือการพาความร้อนแบบบังคับ จะทำให้อุณหภูมิของหัวต่อมีการปรับปรุงที่ใหญ่ที่สุด

วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนระหว่างส่วนประกอบและฐานตัวเครื่องเป็นแหล่งความต้านทานที่ถูกประเมินต่ำเกินไป แผ่น TIM แบบเปลี่ยนเฟสมาตรฐานมีค่าการนำความร้อนประมาณ 3–6 W/m·K; แผ่นกราไฟท์ระดับพรีเมียมมีกำลังสูงถึง 10–15 W/m·K; จาระบีระบายความร้อนที่ใช้อย่างดีสามารถบรรลุ 8–12 W/m·K ภายใต้แรงดันแคลมป์ที่เพียงพอ การระบุวัสดุตัวเรือนที่มีความนำไฟฟ้าสูงในขณะที่ใช้ TIM ที่ไม่ดีนั้นเป็นข้อผิดพลาดในการออกแบบทั่วไปที่จำกัดประสิทธิภาพที่ระยะรอยต่อต่อเคสก่อนที่รูปทรงของตัวเรือนจะเกี่ยวข้องกันด้วยซ้ำ

การพาความร้อนตามธรรมชาติกับเรขาคณิตครีบการพาความร้อนแบบบังคับ

รูปทรงครีบของแผงระบายความร้อนจะต้องสอดคล้องกับรูปแบบการไหลเวียนของอากาศของสภาพแวดล้อมการติดตั้ง การพาความร้อนตามธรรมชาติ — การไหลเวียนของอากาศที่ขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัวโดยไม่มีพัดลม — เป็นสมมติฐานเริ่มต้นสำหรับตู้ที่ปิดผนึกหรือระดับ IP ภายใต้การพาความร้อนตามธรรมชาติ โดยทั่วไประยะห่างระหว่างครีบจะเหมาะสมที่สุด 6–12 มม สำหรับครีบแนวตั้ง ระยะห่างที่แคบลงจะสร้างเอฟเฟกต์ปล่องไฟที่ช่วยลดการไหลเวียนของอากาศผ่านช่องครีบแทนที่จะเพิ่มการไหลเวียนของอากาศเนื่องจากชั้นขอบเขตจากครีบที่อยู่ติดกันผสานกัน ความสูงของครีบภายใต้การพาความร้อนตามธรรมชาติจะถูกจำกัดด้วยผลเช่นเดียวกัน ครีบที่สูงกว่าประมาณ 50–75 มม. จะเริ่มแสดงผลตอบแทนที่ลดลงเมื่ออุณหภูมิของอากาศสูงขึ้นผ่านช่องดังกล่าว

สำหรับตัวเรือนที่มีการพาความร้อนแบบบังคับ (เปลือกหุ้มที่ระบายความร้อนด้วยพัดลม) สามารถลดระยะห่างของครีบลงเหลือ 2–4 มม. และความสูงของครีบเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากการไหลแบบบังคับจะรักษาความเร็วผ่านช่องทางที่เป็นอิสระจากการลอยตัว อาร์เรย์ครีบแบบพิน — แทนที่จะเป็นครีบแบบเพลท — มักจะระบุไว้ในตัวเรือนแผงระบายความร้อนแบบบังคับพาความร้อน เนื่องจากมีความไวต่อทิศทางการไหลของอากาศน้อยกว่า และทำงานได้ดีเมื่อมุมอากาศทางเข้าไม่อยู่ในแนวเดียวกับการวางแนวครีบอย่างสมบูรณ์

การตกแต่งพื้นผิวและการแผ่รังสี

การแผ่รังสีมีส่วนช่วยอย่างมากในการกระจายความร้อนจากตัวระบายความร้อนในสภาพแวดล้อมที่มีการพาความร้อนตามธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง พื้นผิวอะลูมิเนียมกลึงเปลือยมีค่าการปล่อยรังสีประมาณ 0.05–0.10 ซึ่งถือเป็นหม้อน้ำที่ไม่ดี การอโนไดซ์พื้นผิวตัวเรือนจะช่วยเพิ่มการปล่อยก๊าซเรือนกระจก 0.80–0.90 ซึ่งสามารถลดอุณหภูมิการทำงานในสภาวะคงตัวลงได้ 5–15°C ที่ระดับพลังงานของไดรเวอร์ LED ทั่วไป เมื่อเทียบกับพื้นผิวอะลูมิเนียมเปลือย อโนไดซ์สีดำให้การแผ่รังสีสูงสุดในกลุ่มผลิตภัณฑ์อโนไดซ์ อโนไดซ์ที่ชัดเจนให้การปรับปรุงปานกลางเมื่อเทียบกับอลูมิเนียมเปลือยโดยมีผลกระทบต่อการมองเห็นน้อยกว่า การเคลือบสีฝุ่นยังให้การแผ่รังสีสูง (0.85–0.95) และยังปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนสำหรับตัวเรือนที่พิกัดภายนอกอีกด้วย

การจัดอันดับ IP การปิดผนึก และการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพการระบายความร้อน

โครงสร้างแผงระบายความร้อนแบบปิดผนึก - ระดับ IP54, IP65, IP67 หรือสูงกว่า - นำเสนอความตึงเครียดในการออกแบบการระบายความร้อนขั้นพื้นฐาน: ข้อกำหนดการปิดผนึกที่ปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากฝุ่นและความชื้นยังช่วยป้องกันไม่ให้อากาศเข้าไปในตัวเครื่องเพื่อการระบายความร้อนแบบพาความร้อนของส่วนประกอบภายใน ความร้อนทุกวัตต์ที่เกิดขึ้นภายในตัวเครื่องที่ปิดสนิทจะต้องดำเนินการผ่านผนังตัวเครื่องและกระจายออกจากพื้นผิวด้านนอก สิ่งนี้จะเปลี่ยนปัญหาการออกแบบการระบายความร้อนจากการจัดการการไหลเวียนของอากาศภายในไปจนถึงการลดความต้านทานการนำไฟฟ้าของผนังตัวเรือนให้เหลือน้อยที่สุด และเพิ่มพื้นผิวการพาความร้อนและการแผ่รังสีภายนอกให้สูงสุด

สำหรับตัวระบายความร้อนแบบปิดผนึก การเชื่อมด้วยความร้อนโดยตรงของส่วนประกอบเข้ากับฐานตัวเครื่อง — แทนที่จะติดตั้งส่วนประกอบเข้ากับ PCB ซึ่งจากนั้นจะวางอยู่บนพื้นที่แยกภายในตัวเครื่อง — จะช่วยลดจำนวนอินเทอร์เฟซการระบายความร้อนในเส้นทางการนำไฟฟ้าได้อย่างมาก โมดูล LED, MOSFET และส่วนประกอบที่มีการกระจายความร้อนสูงอื่นๆ มักจะติดตั้งโดยตรงกับแผ่นกลึงที่ด้านในของฐานตัวเครื่องโดยใช้ TIM และสกรูยึด เพื่อสร้างเส้นทางการนำไฟฟ้าสั้นๆ จากจุดเชื่อมต่อผ่านบรรจุภัณฑ์ผ่าน TIM ไปยังผนังตัวเรือน จากนั้นจึงไปที่ครีบด้านนอก

การเลือกวัสดุปะเก็นส่งผลต่อความน่าเชื่อถือในการซีลและประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่อินเทอร์เฟซ ปะเก็นซิลิโคนรักษาคุณลักษณะชุดการบีบอัดตลอดช่วงอุณหภูมิตามแบบฉบับของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กลางแจ้ง (-40°C ถึง 85°C) และจะไม่ปล่อยแก๊สออกมาที่อุณหภูมิสูง ปะเก็นไฟเบอร์หรือโฟมอัดมีต้นทุนที่ต่ำกว่า แต่แสดงการคลายตัวของการบีบอัดที่มากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งสามารถลดความสมบูรณ์ของการจัดอันดับ IP ในการติดตั้งที่ขึ้นกับวงจรความร้อน สำหรับตัวระบายความร้อนในสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง ปะเก็นซิลิโคนที่มีความแข็ง Shore A 40–60 แสดงถึงข้อกำหนดมาตรฐาน