Grondbeginselen van het ontwerp van koellichamen: Principes en beste praktijken

Koellichamen hebben de kritieke taak van thermische controle, elektronische apparaten op een aanvaardbare temperatuur houden om hoge temperaturen en daaropvolgende storingen te voorkomen. Dit brengt het belang naar voren van het afwegen van principes in het koellichaam, zoals de thermische geleidbaarheid, het oppervlak en het type materiaal dat wordt gebruikt. Als ontwerpers deze concepten beheersen, kunnen ze efficiënte koellichamen ontwikkelen om warmte af te voeren en de levensduur van componenten en systemen te verlengen.

De basis van koellichamen begrijpen

Wat is een koellichaam?

Een koellichaam is een koelapparaat dat warmte overdraagt aan het omringende systeem en voorkomt dat het hete object veel heter wordt dan de omgeving. Eenvoudig gezegd is de centrale rol van een koellichaam het reguleren van de temperatuur van het onderdeel binnen toegestane maximale grenzen.

Dit wordt bereikt door een groter oppervlak en een betere warmteafvoer door geleiding, convectie en straling. Koellichamen in elektronica worden gebruikt in toepassingen zoals CPU's, GPU's, vermogenstransistors of LED-lampjes om ervoor te zorgen dat deze componenten niet oververhit raken en defect raken.

Essentiële onderdelen van koellichamen

Een koellichaam bestaat uit verschillende onderdelen die de warmteafvoer van elektronische componenten vergemakkelijken.

De basis Zit direct op de warmteproducerende componenten, de CPU of de vermogenstransistor. Het is meestal van metaal, bij voorkeur aluminium of koper.

Sommige vinnen hechten zich aan de basis en vergroten het uitgangsgebied voor warmteconvectie naar de omringende lucht of vloeistof.

Enkele ontwerpen zijn warmtebuizen om de warmte van de basis naar het koelribbengedeelte over te brengen.

De montagemechanisme helpt de koellichamen goed vast te zetten en een thermische verbinding comprimeert de kleine ruimtes tussen het koellichaam en de component. Dit is nodig om de thermische weerstand te minimaliseren.

Ventilatoren in actieve koellichamen verbeteren de luchtcirculatie over de vinnen om de warmteafvoer te verbeteren. Sommige koellichamen kunnen ook een wacht of behuizing om de luchtstroom over de vinnen beter te regelen, omdat ze nuttig zijn in high-end of krappe toepassingen.

Inzicht in warmtegeleidbaarheid in koellichaammaterialen

Warmtegeleiding (k) is een van de meest essentiële eigenschappen om te bepalen hoe efficiënt een materiaal warmte geleidt. Warmtegeleiding is de hoeveelheid warmte (Q) die door een materiaal gaat binnen een bepaalde tijd (t) met een temperatuurgradiënt (ΔT) over een bepaalde afstand (L). Wiskundig wordt dit uitgedrukt door de wet van Fourier over warmtegeleiding:

Q=-k×A×ΔT/L

Waarbij: Q= warmteoverdrachtsnelheid (W, watt), k= warmtegeleidingsvermogen van het materiaal (W/m-K), A= de oppervlakte van de dwarsdoorsnede waardoor warmte stroomt (m²).ΔT= verandering in temperatuur over het materiaal (K) en L = dikte van het materiaal (m).

Thermische geleidbaarheid is belangrijk bij de toepassing van een koellichaam. Het verbetert de warmteoverdracht van de warmtebron, zoals de elektronische componenten, naar het koellichaam om de warmte naar de omgeving te verdelen. Een hogere warmtegeleiding in materialen versnelt de warmtestroom en vermindert temperatuurgradiënten, waardoor de koelefficiëntie toeneemt.

Oppervlakte en de rol ervan bij warmteafvoer

Het oppervlak is een van de belangrijkste parameters die rechtstreeks verband houden met de warmteafvoer in koellichamen. Hoe groter het oppervlak dat in contact staat met het koelmedium, bij voorkeur lucht, hoe beter de koeling omdat er meer warmte wordt uitgewisseld. De afkoelingswet van Newton kan de warmteafvoersnelheid beschrijven:

Q=h×A×ΔT

waarbij h staat voor de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (W/m²-K).

Deze vergelijking laat zien dat wanneer de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt en het temperatuurverschil constant zijn, de snelheid van de warmteafvoer recht evenredig is met het oppervlak. Dit komt omdat een groot oppervlak veel contactpunten betekent. Er wordt dus meer warmte overgedragen van het koellichaam naar de omringende lucht, waardoor het koelingseffect toeneemt.

Technieken om het oppervlak te maximaliseren zonder de totale grootte te vergroten

In de meeste toepassingen, vooral in compacte of draagbare systemen, is de grootte van het koellichaam beperkt. Methoden om een groot oppervlak te bereiken en toch de structuur binnen de perken te houden zijn nuttig.

Eén techniek is het gebruik van lamellen en pin arrays. Hierdoor wordt het thermisch gebied van het koellichaam vergroot, hoewel dit niet veel invloed heeft op de grootte van het koellichaam.

Microkanaal-warmteputten hebben kleine interne doorgangen en vergroten het oppervlak voor thermische dissipatie aanzienlijk zonder de buitenafmetingen te vergroten. Een groef of kuiltjes kunnen het microoppervlak vergroten om de warmteoverdracht te vergemakkelijken zonder de afmetingen van het koellichaam te veranderen.

Gevouwen vinstructuren bestaan uit het buigen van dunne metalen platen tot vinvormen. Ze vergroten het oppervlak terwijl het totale oppervlak klein blijft.

Er bestaan ook poreuze materialen, bijvoorbeeld metaalschuim met een enorm inwendig oppervlak voor een gegeven volume. Deze hebben echter problemen met de luchtstroom en met de drukval.

Criteria voor materiaalselectie bij het ontwerp van koellichamen

Thermische geleidbaarheid is een van de belangrijkste parameters bij het selecteren van het materiaal voor koellichamen. Het bepaalt de snelheid van warmteoverdracht. Een van de meest gebruikte materialen is koper. Koper heeft een betere warmtegeleiding van ongeveer 390 - 400 W/m-K. Dit is ideaal voor high-end toepassingen en is zeer geleidend. De kosten en dichtheid van koper kunnen echter een uitdaging vormen. Aluminium heeft een relatief lager warmtegeleidingsvermogen van ~200-250 W/m-K. Het is echter relatief kosteneffectief en lichter. Dit maakt aluminium ideaal voor allround gebruik.

Nieuwe materialen zoals grafeen hebben een warmtegeleidingsvermogen tot 5000 W/m-K. Ze hebben een betere toekomst in HSF-ontwerpen met waarschijnlijk de beste conventionele koelmethode. Andere composietmaterialen met hoge thermische prestaties, zoals metaalmatrixcomposieten en materialen met faseverandering, suggereren mogelijke toekomstige toepassingen met betere thermische efficiëntie en duurzaamheid. De afwegingen zijn echter kritisch en vereisen de nodige zorgvuldigheid. Daarom moet bij het kiezen van geschikte materialen rekening worden gehouden met bepaalde voor- en nadelen van specifieke toepassingsvereisten en efficiëntie, kosten, massa en stevigheid.

Mechanismen van warmteoverdracht in het ontwerp van koellichamen

Een effectief ontwerp is gebaseerd op drie primaire mechanismen voor warmteoverdracht: Dit zijn geleiding, convectie en straling.

Geleiding

In koellichamen is geleiding een proces waarbij warmte van een onderdeel door het materiaal wordt overgedragen aan de externe omgeving. De wet van Fourier geeft de snelheid van warmteoverdracht door geleiding:

Q_geleiding=-k×A×ΔT/L

Het mechanisme is cruciaal omdat het warmteoverdracht mogelijk maakt van de bron naar het oppervlak van het koellichaam, waar verdere afvoer plaatsvindt.

Geleiding is een belangrijke factor. Daarom is het ideaal om een geschikt materiaal te kiezen. Warmtegeleiders zoals koper of aluminium zijn nuttig omdat ze de warmteoverdracht van de hete bron naar het koude oppervlak van de Peltier module mogelijk maken.

Koper met zijn goede thermische geleidbaarheid is zeer geschikt voor toepassingen bij hoge temperaturen. Aluminium biedt voordelige opties met redelijke thermische prestaties.

Daarnaast moet het ontwerp ook de thermische weerstand optimaliseren door een goed contact tussen de warmtebron en het koellichaam te behouden. Dit is mogelijk door thermische interfacematerialen te gebruiken die de warmte-uitwisseling tussen de twee oppervlakken verbeteren en de thermische impedantie overwinnen.

Er moet speciale aandacht worden besteed aan de juiste verdeling van de thermische paden en het vermijden van gaten of niet-uniforme contactoppervlakken, omdat deze een negatieve invloed hebben op de warmtegeleiding en het thermisch beheer.

Convectie

Convectie is de warmte-uitwisseling tussen een vast oppervlak en een vloeistof die over het oppervlak stroomt, hetzij lucht of vloeistof. Het gaat om de beweging van warmte door de vloeistof en wordt beschreven door de afkoelingswet van Newton:

Q_convectie=h×A×ΔT

Convectie is een van de kritieke factoren bij koeling en bepaalt de mate van warmteafvoer vanaf de oppervlakken van het koellichaam. Er is dus een maximaal oppervlak nodig om de convectie te verbeteren.

Het gebruik van vinnen of pin arrays betekent dat er meer oppervlakte beschikbaar is voor warmteafvoer. De convectie-efficiëntie wordt verbeterd door een prominenter kopoppervlak, omdat er meer kans is dat de warmte wordt overgedragen aan de omringende vloeistof.

Verder moet de stroming rond het koellichaam de convectieve thermische coëfficiënt verhogen. Hiervoor worden ventilatoren of blowers gebruikt om de stroomsnelheid te verhogen, waardoor warmte sneller wordt afgevoerd.

Straling

Elk voorwerp dat wordt blootgesteld aan straling ervaart warmteoverdracht met behulp van elektromagnetische golven zonder dat er een medium nodig is. De Wet van Stefan-Boltzmann beschrijft dit:

Q_Straling=ϵ×σ×A×(T_oppervlak⁴ - T_omgeving⁴)

Waarbij ϵ= de emissiviteit van het oppervlak (dimensieloos), σ = stefan-boltzmannconstante (5,67×10-8 W/m²-K⁴), A= oppervlakte van het koellichaam (m²), T_oppervlak= temperatuur van het koellichaamoppervlak (K), T_omgeving = omgevingstemperatuur (K).

Bij het ontwerp van koellichamen is straling een van de belangrijkste mechanismen. Het aanbrengen van coatings en afwerkingen die de emissiviteit verhogen, kan de stralingswarmteoverdracht aanzienlijk verbeteren. Oppervlakken met een hogere emissiviteit kunnen warmtestraling effectiever uitstralen en helpen zo bij de warmteafvoer. Bovendien speelt de geometrische karakteristiek van het koellichaam ook een belangrijke rol in hoe effectief radiatieve warmteafvoer is. Om een efficiënt koellichaam te krijgen, moet een zo groot mogelijk deel van het koellichaam worden blootgesteld aan de omgeving voor warmteafvoer. Bij veel koellichamen wordt de warmteoverdracht geoptimaliseerd door gebruik te maken van coatings met een hoog stralingsvermogen in combinatie met geometrische ontwerpen.

Geometrie- en vormoptimalisatie bij het ontwerp van koellichamen

Oppervlakte en warmteafvoer

De efficiëntie van een koellichaam is sterk afhankelijk van het oppervlak van het apparaat, omdat de warmteoverdracht door convectie afhankelijk is van het oppervlak. Gebruik de volgende vergelijking voor convectieve warmteoverdracht om het benodigde oppervlak voor een bepaalde warmteafvoersnelheid te berekenen:

Q=h×A×ΔT

Stel dat een koellichaam 50 W moet afgeven, met een convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt h=50 W/m².K. Stel ook dat het temperatuurverschil tussen het elektronische apparaat en de omgeving ΔT =55K is:

A=Q/hΔT=50/(50×55)=0.01819m² of 182cm²

Geleiding door een koellichaam

Om de warmte door een koellichaammateriaal te berekenen, gebruik je de geleidingswet van Fourier:

Q_geleiding=-k×A×ΔT/L

Stel dat we aluminium als materiaal kiezen, dan is k=205 W/m.K, ΔT=55 K, en dikte L=0,01 m, en doorsnede A=0,01 m²A = :

Q_geleiding=-205×0.01819×55/(0.01)=20.509kW

Vingeometrie optimaliseren

Om de effectiviteit van lamellen in een koellichaam te bepalen, kunt u de volgende vergelijking gebruiken om de warmteoverdracht van een enkele vin te berekenen:

Q_vin=(k×A_vin×ΔT)/L [1/√((h.L)/k)]

Waar A_vin= Oppervlakte van een enkele vin (m²)

Ontwerpproces koellichaam

Het formuleren van het koellichaam omvat verschillende processen. Elk stadium vereist specifieke technische berekeningen om de thermische efficiëntie te maximaliseren.

1. Eisen definiëren:

Om de prestaties van het koellichaam te definiëren, zijn er drie kritieke factoren, waaronder de vereiste warmtedissipatie (Q) in watt (W). Als een elektronisch onderdeel bijvoorbeeld 20 W warmte afgeeft, dan is Q= 20 W. Bepaal vervolgens de omgevingstemperatuur (T_a), wat de temperatuur van de omgeving is. Gewoonlijk is Ta = 30^∘C. Geef ook de maximale junctietemperatuur (T_j) voor de werking van de component. Bijvoorbeeld Tj=85^∘C=85^∘Bereken ten slotte de gewenste temperatuurstijging (ΔT) door de omgevingstemperatuur af te trekken van de junctietemperatuur.

ΔT=T_j-T_a=85-30=55^oC

2. Bereken de vereiste warmteweerstand (R_th):

Bepaal de thermische weerstand waaraan het koellichaam moet voldoen voor de gewenste temperatuurstijging.

R_th=ΔT/Q=55/20=2,75 °C/W

3. Selecteer het type koellichaam en het materiaal:

Het type en materiaal van het koellichaam hangt af van factoren zoals thermiek, gewicht en kosten. Enkele van de meest voorkomende types zijn aluminium en koper. Aluminium heeft bijvoorbeeld een (k) warmtegeleidingscoëfficiënt van ongeveer 205 W/m-K, waardoor het geschikt is voor gebruik vanwege de effectiviteit en de kosten.

4. Bepaal de koellichaamgeometrie:

Pas de grootte en vorm van het koellichaam aan om aan de vereiste thermische weerstand te voldoen. Door te kiezen uit de opties op de geometrie kan het type vinnen, type pennen of beide worden ingesteld. Bereken voor het type vinnen de afstand tussen de vinnen als volgt:

Afstand vinnen= Hoogte koellichaam/aantal vinnen

5. Thermische berekeningen uitvoeren:

Zorg er bij het kiezen van het ontwerp van het koellichaam voor dat aan de berekeningen van de warmteweerstand is voldaan. De luchtconvectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (h) is gewoonlijk 10 - 50 W/m²-K. Bereken de effectieve warmteweerstand als volgt:

R_d,totaal=R_{th, koellichaam}+R_{th, interface}+R_th,kruising

Waar R_{th, koellichaam}= warmteweerstand van het koellichaam, R_{th, interface}= weerstand van de thermische interface, R_{th, kruising}= warmteweerstand van de junctie naar de interface.

Voor het koellichaam:

R_{th, koellichaam}=1/h.A_totaal

Waar A_totaal=oppervlak beschikbaar voor warmteafvoer.

6. Prototype en test

Maak een fysiek koellichaam volgens de ontwerpinformatie en evalueer de resultaten. Soldeer het koellichaam aan de elektronische component en gebruik een thermometer om het temperatuurverschil te meten om de prestaties van het koellichaam te beoordelen. Afhankelijk van de resultaten kunnen tenslotte enkele wijzigingen in het ontwerp worden aangebracht om de benodigde warmteweerstand te bereiken.

Veelvoorkomende ontwerpfouten en hoe ze te vermijden

Thermisch beheer is van vitaal belang, vooral bij het ontwerpen ervan voor elektronische apparaten. Er zijn echter verschillende fouten die een negatieve impact kunnen hebben. Een veelgemaakte fout die de meeste mensen maken is dat ze meer ruimte op het oppervlak van het koellichaam nodig hebben om de warmte goed af te voeren. Een probleem in de praktijk is dat de ontwerpers basisberekeningen en simulaties moeten uitvoeren om te bepalen welk oppervlak essentieel is voor de warmtelast. Dit kan leiden tot verhoogde temperatuurregimes en zelfs thermische schokken van de componenten.

Bijgevolg kunnen de interfaces tussen de warmtebron en het koellichaam de thermische weerstand direct verhogen en dus leiden tot een lage thermische dissipatie. Verder kan elke onvolkomenheid in de lamellen, inclusief de dikte of afstand van de lamellen, de luchtstroom onderbreken en afbreuk doen aan de convectieve warmteoverdracht, waardoor de bedrijfstemperatuur stijgt. Daarom zijn de juiste berekeningen en het gebruik van hulpmiddelen zoals Computational Fluid Dynamics (CFD) nuttig voor ontwerpers om het oppervlak en de geometrie van de vinnen correcter te voorspellen. Voor de juiste warmteoverdracht moet men gebruik maken van TIM's van goede kwaliteit en gladde, vlakke oppervlakken voor contact.

Conclusie

Het ontwerp van een koellichaam is cruciaal voor het bereiken van de gewenste thermische werkingslimieten van elektronische componenten. Een goed koellichaam moet de juiste thermische geleiding, luchtruimte en materialen als integrale parameters hebben. De juiste implementatie ervan verhoogt de duurzaamheid van de component en de systeemprestaties.

Geleiding, convectie en straling spelen een cruciale rol in het warmteverliesproces. Daarom moeten de principes achter deze mechanismen volledig worden begrepen.

Betere materialen en methoden voor materialen met een hoge thermische geleidbaarheid en geometrieën bij de constructie van koellichamen kunnen een hoge mate van verbetering bieden. Het iteratief zoeken naar nieuwe mogelijkheden van materialen en ontwerpen helpt de thermische productontwikkeling te verbeteren.