Радиатор охлаждения — один из важнейших компонентов, используемых для охлаждения электронных устройств. Всякий раз, когда источник тепла не может эффективно рассеивать тепло за счет собственной проводимости и требуется более эффективное охлаждение, используется радиатор для отвода тепла от источника и его рассеивания посредством оптимизированной проводимости и конвекции.

Радиаторы широко используются в силовой электронике, телекоммуникационном оборудовании, серверах, светодиодном освещении, автомобильной электронике и промышленных устройствах.

базовая структура радиатора

Типичный радиатор состоит в основном из двух частей:

• база

• до

Основание обычно представляет собой плоскую поверхность, непосредственно контактирующую с источником тепла. Его функция заключается в передаче тепла от горячей точки и равномерном распределении его по ребрам.

Ребра радиатора предназначены для увеличения общей площади его поверхности. Они могут быть изготовлены в широком диапазоне геометрических форм и, как правило, располагаются вертикально относительно основания для максимального рассеивания тепла.

Основная цель проектирования радиатора — максимизировать площадь поверхности, что позволяет передавать больше тепла в окружающий воздух.

материалы радиатора

За редкими исключениями, радиаторы изготавливаются из теплопроводящих металлов, чаще всего из алюминия или меди.

алюминий

Алюминий — наиболее широко используемый материал для радиаторов.

• Теплопроводность: 235 Вт/мК

• легкий

• экономически эффективный

• легко производить

Эти характеристики делают алюминий идеальным материалом для легких и экономичных решений в области теплоотвода.

медь

Медь — ещё один популярный материал для радиаторов.

• Теплопроводность: ~400 Вт/мК

• более высокая способность к теплопередаче

Несмотря на то, что медь тяжелее и дороже, она часто необходима в высокоэффективных тепловых системах.

естественная конвекция против принудительной конвекции

Радиаторы охлаждения обычно подразделяются на две категории в зависимости от условий циркуляции воздуха.

естественная конвекция (пассивное охлаждение)

Пассивные радиаторы отводят тепло исключительно за счет естественной циркуляции воздуха.

Они предназначены для:

• максимизировать площадь поверхности

• обеспечить естественную циркуляцию воздуха

• работать без дополнительных активных компонентов

Пассивные радиаторы широко используются в маломощных электронных устройствах.

Принудительная конвекция (активное охлаждение)

В активных радиаторах используются вентиляторы или воздуходувки для продувки воздуха через ребра.

Этот принудительный воздушный поток создает турбулентность, значительно повышая эффективность теплопередачи и производительность охлаждения.

Решения для активного охлаждения широко используются в:

• серверы

• силовая электроника

• высокопроизводительные вычислительные системы

распространенные типы радиаторов

Для производства радиаторов используются различные технологии, каждая из которых подходит для разных тепловых требований и областей применения.

1. Штампованные радиаторы (на уровне платы)

Штампованные радиаторы изготавливаются из листового металла с использованием последовательных процессов штамповки. Каждый этап штамповки добавляет элементы и детали по мере прохождения металла через матрицу.

Эти радиаторы, как правило, разработаны для конкретных типов электронных корпусов, чтобы обеспечить оптимальную посадку на печатные платы.

Они могут работать в пассивном режиме или включать вентилятор для увеличения воздушного потока по всей системе.

преимущества

• Идеально подходит для маломощных приложений (0–5 Вт).

• быстрая и простая сборка

• низкая себестоимость производства

• масштабируемость для крупномасштабного производства

• доступно для многих типов упаковки

недостатки

• Не подходит для применений с мощностью более 5 Вт.

• Ограничение по размеру (обычно менее 50 мм)

• предназначен для охлаждения только одного устройства.

2. Экструдированные алюминиевые радиаторы

Экструзия — один из самых популярных и экономически эффективных методов производства радиаторов.

Размеры экструдированных радиаторов зависят от области применения. Меньшие по размеру версии используются для охлаждения материнских плат, а более крупные предназначены для управления тепловым режимом устройств средней мощности.

В зависимости от геометрии и расстояния между ребрами, их можно оптимизировать как для пассивного, так и для активного охлаждения.

Экструдированные радиаторы для печатных плат обычно используются для таких компонентов, как:

• бга

• FPGA

Процесс экструзии начинается с профильной матрицы, которая определяет структуру ребер, расстояние между ними и размеры основания. Затем нагретый алюминий проталкивается через матрицу для создания длинного профиля, который впоследствии разрезается на необходимую длину и подвергается дальнейшей обработке.

преимущества

• идеально подходит для применений средней мощности

• экономически эффективное производство

• обладает высокой масштабируемостью для массового производства.

• простая настройка

• Цельная конструкция с низким термическим сопротивлением

недостатки

• не подходит для применения в системах с очень высокой мощностью

• Ограничения по размерам (приблизительно 23 дюйма в ширину и 47 дюймов в длину)

• Для профилей больших размеров могут существовать ограничения по отделке.

3. Радиаторы с рифлеными ребрами

Нарезка кромок — это процесс механической обработки, при котором ребра формируются непосредственно из цельного металлического блока. Тонкие слои срезаются с основания и загибаются вверх, образуя ребра.

Поскольку ребра и основание изготовлены из одного и того же материала, отсутствуют стыки и границы раздела, что снижает тепловое сопротивление.

Этот процесс также позволяет создавать очень тонкие ребра и обеспечивать высокую плотность ребер, что значительно увеличивает общую площадь поверхности.

В отличие от экструзии, технология снятия фаски не требует специальной оснастки, что снижает затраты на оборудование и позволяет быстрее создавать прототипы.

преимущества

• высокая эффективность охлаждения

• тонкие ребра и высокая плотность ребер

• снижение затрат на оснастку

• экономичный вариант для медных радиаторов

недостатки

• не идеально подходит для применений с чрезвычайно высокой мощностью

• ограничения по размеру

• Тонкие плавники могут быть более хрупкими.

• менее подходит для очень больших объемов производства.

4. Радиаторы с припаянными и припаянными ребрами

Радиаторы с приклеенными ребрами состоят из двух основных компонентов:

• основание (экструдированное или обработанное механическим способом)

• Отдельные ребра крепятся с помощью термопроводящего клея, эпоксидной смолы или пайки.

Ребра обычно штампуются из тонкого листового металла, а основание может быть изготовлено методом экструзии, литья под давлением или механической обработки.

Для повышения производительности в основание также могут быть интегрированы дополнительные тепловые технологии, такие как тепловые трубки или паровые камеры.

Радиаторы с приклеенными ребрами обеспечивают большую гибкость в проектировании и позволяют увеличить плотность ребер при меньших габаритах.

преимущества

• Компактная конструкция для применения в условиях ограниченного пространства.

• высокие тепловые характеристики

• подходит для принудительной конвекции

• плотное расстояние между ребрами

• высокое соотношение длины и ширины ребер

• гибкая интеграция дизайна

• снижение затрат на оснастку

недостатки

• не подходит для условий с высокой вибрацией

• Не подходит, если требуемое тепловое сопротивление ниже 0,01°C/Вт.

5. Радиаторы с ребрами типа "молния"

Плавники типа «молния» изготавливаются из ряда штампованных металлических пластин, которые сгибаются и соединяются между собой.

Эти плавники могут быть расположены в одном из следующих положений:

• закрытые каналы для направленного потока воздуха

• открытые конфигурации для многонаправленного воздушного потока

Обычно радиатор крепится к основанию или тепловым трубкам с помощью пайки, сварки или эпоксидной смолы.

Данная конструкция обеспечивает превосходную механическую стабильность и высокую гибкость для интегрированных тепловых решений.

преимущества

• высокие тепловые характеристики

• идеально подходит для систем принудительной подачи воздуха.

• гибкая интеграция дизайна

• снижение стоимости оснастки

• легкий

• может повысить эффективность тепловых трубок

• повышенная механическая стабильность

недостатки

• некоторые ограничения для требований к чрезвычайно низкому тепловому сопротивлению

6. Радиаторы с ребристыми ребрами

Складчатые ребра создаются путем сгибания тонких металлических листов в сложные формы для увеличения площади поверхности.

Эти ребра обычно приклеиваются или припаиваются к основанию, образуя окончательную конструкцию радиатора. Технология складчатых ребер также может использоваться в решениях с жидкостными охлаждающими пластинами.

преимущества

• увеличенная площадь поверхности

• высокая эффективность ребер

• совместим с различными материалами

• легкая конструкция

недостатки

• Наилучшие результаты достигаются при направлении воздушного потока непосредственно через ребра радиатора.

• в некоторых случаях более высокие производственные затраты

7. Литые радиаторы

Радиаторы, изготовленные методом литья под давлением, представляют собой цельные конструкции, созданные путем впрыскивания расплавленного металла в специальные формы.

Этот метод производства идеально подходит для крупносерийного производства и позволяет создавать сложные геометрические формы, которые трудно получить с помощью других процессов.

После отливки для получения конечного продукта требуется минимальная механическая обработка и финишная обработка.

преимущества

• идеально подходит для крупносерийного производства

• подходит для сложных форм

• низкое или близкое к нулю тепловое сопротивление

недостатки

• высокие первоначальные затраты на оснастку и пресс-формы