Hűtőborda -Heat sink

Ventilátorhűtéses hűtőborda a személyi számítógép processzorán . Jobb oldalon egy kisebb hűtőborda található, amely az alaplap másik integrált áramkörét hűti.

Tipikus hűtőborda-ventilátor kombináció, amely egy fogyasztói laptopon található. A munkafolyadékot tartalmazó hőcsövek közvetlenül érintkeznek a CPU-val és a GPU-val, elvezetik a hőt az alkatrésztől, és átadják azt a hűtőventilátor kipufogónyílására szerelt bordákhoz. A bordás köteg folyadék-folyadék hőcserélőként működik, amely a hőenergiát a hőcsöveken belüli munkaközegből a környezeti levegőbe viszi át holt állapotban.

A hűtőborda (más néven hűtőborda ) egy passzív hőcserélő , amely az elektronikus vagy mechanikus eszköz által termelt hőt folyékony közegbe, gyakran levegőbe vagy folyékony hűtőközegbe továbbítja, ahol az eloszlik a készüléktől, ezáltal lehetővé teszi a szabályozást. a készülék hőmérsékletétől. A számítógépekben hűtőbordákat használnak a CPU -k , GPU -k , valamint egyes lapkakészletek és RAM-modulok hűtésére . A hűtőbordákat nagy teljesítményű félvezető eszközökkel, például teljesítménytranzisztorokkal és optoelektronikával, például lézerekkel és fénykibocsátó diódákkal (LED) használják, ahol magának az alkatrésznek a hőelvezető képessége nem elegendő a hőmérséklet mérsékléséhez.

A hűtőbordát úgy tervezték, hogy maximalizálja az őt körülvevő hűtőközeggel, például a levegővel érintkező felületét. A levegő sebessége, az anyagválasztás, a kiemelkedés kialakítása és a felületkezelés olyan tényezők, amelyek befolyásolják a hűtőborda teljesítményét. A hűtőborda rögzítési módjai és a termikus interfész anyagok szintén befolyásolják az integrált áramkör szerszám hőmérsékletét. A hőragasztó vagy hőpaszta javítja a hűtőborda teljesítményét azáltal, hogy kitölti a hűtőborda és a készüléken lévő hőelosztó közötti légréseket . A hűtőborda általában alumíniumból vagy rézből készül.

Hőátadás elve

A hűtőborda hőenergiát ad át egy magasabb hőmérsékletű készülékről egy alacsonyabb hőmérsékletű folyékony közegbe. A folyékony közeg gyakran levegő, de lehet víz, hűtőközeg vagy olaj is. Ha a folyékony közeg víz, a hűtőbordát gyakran hideg lemeznek nevezik. A termodinamikában a hűtőborda olyan hőtároló , amely tetszőleges mennyiségű hőt képes elnyelni anélkül, hogy jelentősen változtatna a hőmérsékleten. Az elektronikus eszközök praktikus hűtőbordáinak a környezeténél magasabb hőmérsékletűnek kell lenniük ahhoz, hogy a hőt konvekció, sugárzás és vezetés útján továbbítsák. Az elektronika tápegységei nem abszolút hatékonyak, így többlethő keletkezik, ami káros lehet a készülék működésére. Mint ilyen, egy hűtőbordát is tartalmaz a kialakítás a hő eloszlatására.

A Fourier-féle hővezetési törvény azt mutatja, hogy ha egy testben hőmérsékleti gradiens van, a hő a magasabb hőmérsékletű tartományból az alacsonyabb hőmérsékletű tartományba kerül. A hővezetéssel történő hőátadás sebessége arányos a hőmérsékleti gradiens és a hőátadás keresztmetszeti területének szorzatával. Ha x irányban egydimenziós formára egyszerűsítjük , akkor a következőképpen fejezhető ki: ${\displaystyle q_{k}}$

${\displaystyle q_{k}=-kA{\frac {dT}{dx}}.}$

Vázlat egy légcsatornában lévő hűtőbordáról, amelyet az energiamegmaradás és a Newton-féle hűtési törvény alapján szabályozó egyenletek kiszámításához használnak

Egy légcsatornában lévő hűtőbordánál, ahol a levegő áramlik át a csatornán, a hűtőborda alapja általában melegebb, mint a csatornán átáramló levegő. Ha az energiamegmaradást állandósult állapotokra és a Newton-féle hűtés törvényét alkalmazzuk a diagramon látható hőmérsékleti csomópontokra, az alábbi egyenleteket kapjuk:

${\displaystyle {\dot {Q}}={\pont {m}}c_{p,{\text{in}}}(T_{\text{air,out}}-T_{\text{air,be }}),}$

${\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {T_{\text{hs}}-T_{\text{air,av}}}{R_{\text{hs}}}},}$

ahol

${\displaystyle T_{\text{air,av}}={\frac {T_{\text{air,in}}+T_{\text{air,out}}}{2}}.}$

${\displaystyle {\pont {m}}}$a levegő tömegáramlási sebessége kg/s-ban

${\displaystyle c_{p,{\text{in}}}}$a beáramló levegő fajlagos hőkapacitása J/(kg °C-ban)

${\displaystyle {R_{\text{hs}}}}$a hűtőborda hőellenállása

Az átlagos levegőhőmérséklet használata egy olyan feltevés, amely viszonylag rövid ideig tartó hűtőbordák esetén érvényes. A kompakt hőcserélők kiszámításakor a logaritmikus átlagos levegő hőmérsékletet kell használni.

A fenti egyenletek azt mutatják, hogy:

• Ha a hűtőbordán átáramlik a levegő, ez az átlagos levegőhőmérséklet növekedését eredményezi. Ez viszont növeli a hűtőborda alaphőmérsékletét. Ezenkívül a hűtőborda hőellenállása is megnő. A nettó eredmény a hűtőborda magasabb alaphőmérséklete.
  • A hűtőborda hőellenállásának növekedése az áramlási sebesség csökkenésével a cikk későbbi részében látható.
• A belépő levegő hőmérséklete erősen összefügg a hűtőborda alaphőmérsékletével. Például, ha egy termékben levegő keringtet, a belépő levegő hőmérséklete nem a környezeti levegő hőmérséklete. A hűtőborda bemenő levegő hőmérséklete ezért magasabb, ami magasabb hűtőborda alaphőmérsékletet is eredményez.
• Ha nincs légáramlás a hűtőborda körül, az energia nem tud átadni.
• A hűtőborda nem olyan eszköz, amely "varázslatos képességgel rendelkezik, hogy szivacsként elnyeli a hőt, és egy párhuzamos univerzumba küldje".

A természetes konvekcióhoz a levegő szabad áramlása szükséges a hűtőbordán. Ha a bordák nincsenek függőlegesen igazítva, vagy ha a bordák túl közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy elegendő légáramlást biztosítsanak közöttük, a hűtőborda hatékonysága csökken.

Tervezési tényezők

Hőálló

A különféle fogyasztói és ipari elektronikában használt félvezető eszközök esetében a hőellenállás ötlete leegyszerűsíti a hűtőbordák kiválasztását. A félvezető szerszám és a környezeti levegő közötti hőáramot a hőáramlással szembeni ellenállások sorozataként modellezzük; ellenállás van a szerszámtól a készülékházig, a háztól a hűtőbordáig, és a hűtőbordától a környezeti levegőig. Ezen ellenállások összege a szerszám és a környezeti levegő közötti teljes hőellenállás. A hőellenállást az elektromos ellenállással analóg módon egységnyi teljesítményre jutó hőmérséklet-emelkedésként határozzák meg, és Celsius fok per watt egységben (°C/W) fejezik ki. Ha ismert a készülék disszipációja wattban, és kiszámítjuk a teljes hőellenállást, akkor kiszámítható a szerszám hőmérséklet-emelkedése a környezeti levegőhöz képest.

A félvezető hűtőbordák hőellenállásának elképzelése egy közelítés. Nem veszi figyelembe a hő egyenetlen eloszlását az eszközön vagy a hűtőbordán. Csak termikus egyensúlyban lévő rendszert modellez, és nem veszi figyelembe a hőmérséklet időbeli változását. Nem tükrözi a sugárzás és a konvekció nemlinearitását sem a hőmérséklet-emelkedés tekintetében. A gyártók azonban táblázatba foglalják a hűtőbordák és a félvezető eszközök hőellenállásának jellemző értékeit, ami lehetővé teszi a kereskedelemben gyártott hűtőbordák kiválasztásának egyszerűsítését.

A kereskedelmi forgalomban kapható extrudált alumínium hűtőbordák hőellenállása (hűtőborda a környezeti levegőhöz) 0,4 °C/W a TO-3 készülékekhez való nagy nyelőknél , egészen 85 °C/W -ig a csíptetős hő esetén. mosogató TO-92 kisméretű műanyag házhoz. A népszerű 2N3055 teljesítménytranzisztor TO-3 házában 1,52 °C/W belső hőellenállással rendelkezik a csatlakozástól a házig . A készülékház és a hűtőborda közötti érintkezés hőellenállása 0,5 és 1,7 °C/W között lehet, a ház méretétől és a zsír vagy szigetelő csillámalátét használatától függően.

Anyag

A hűtőbordákhoz használt anyagoknak nagy hőkapacitással és hővezető képességgel kell rendelkezniük, hogy több hőenergiát nyeljenek el anélkül, hogy nagyon magas hőmérséklet felé mozdulnának el, és azt a környezetbe továbbítják a hatékony hűtés érdekében. A leggyakoribb hűtőbordák az alumíniumötvözetek . Az 1050 -es alumíniumötvözet 229 W/(m·K) mellett az egyik magasabb hővezető képességgel és 922 J/(kg·K) hőkapacitással rendelkezik, de mechanikailag puha. A 6060 (alacsony feszültségű), 6061 és 6063 alumíniumötvözetek általában 166, illetve 201 W/(m·K) hővezető képességgel rendelkeznek. Az értékek az ötvözet temperamentumától függenek . Az egyrészes alumínium hűtőbordák extrudálással , öntéssel , símeléssel vagy marással készülhetnek .

A réz kiváló hőelnyelő tulajdonságokkal rendelkezik a hővezető képesség, a korrózióállóság, a biológiai szennyeződésekkel szembeni ellenállás és az antimikrobiális ellenállás tekintetében (lásd még: Réz a hőcserélőkben ). A réz hővezető képessége körülbelül kétszerese az alumíniuménak, a tiszta réz esetében körülbelül 400 W/(m·K). Főbb alkalmazásai ipari létesítményekben, erőművekben, szoláris termálvíz -rendszerekben, HVAC-rendszerekben, gázvízmelegítőkben, kényszerlevegős fűtési és hűtési rendszerekben, geotermikus fűtés-hűtés és elektronikai rendszerekben találhatók.

A réz háromszor sűrűbb és drágább, mint az alumínium, a réz pedig kevésbé képlékeny, mint az alumínium. Az egyrészes réz hűtőbordák lécezéssel vagy marással készíthetők . A fémlemez bordák egy négyszögletes réztestre forraszthatók.

Uszony hatékonysága

A borda hatékonysága az egyik olyan paraméter, amely fontossá teszi a nagyobb hővezető képességű anyagokat. A hűtőborda bordája lapos lemeznek tekinthető, amelynek egyik végén a hő áramlik, és a környező folyadékba oszlik el, ahogy a másik felé halad. Ahogy a hő átáramlik a bordán, az áramlást akadályozó hűtőborda hőellenállásának és a konvekció miatt kieső hőnek a kombinációja, a borda hőmérséklete, és ezáltal a hőátadás a folyadék felé az alapról csökkenni fog. az uszony vége. A borda hatékonyságát úgy definiáljuk, mint a borda által átadott tényleges hőt, osztva a hőátadással, ha a borda izoterm (hipotetikusan végtelen hővezető képességű borda). Ezek az egyenletek egyenes uszonyokra vonatkoznak:

${\displaystyle \eta _{\text{f}}={\frac {\tanh(mL_{c})}{mL_{c}}},}$

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{\text{f}}}{kt_{\text{f}}}}}L_{\text{f}},}$

ahol

h _f a borda konvekciós együtthatója :

10-100 W/(m ² ·K) levegőben,

500-10 000 W/(m ² ·K) vízben,

k a borda anyagának hővezető képessége :

120–240 W /( m · K ) alumíniumhoz,

L _f a borda magassága (m),

t _f a borda vastagsága (m).

A borda hatékonyságát növeli a borda méretarányának csökkentése (vastagabbá vagy rövidebbé), vagy vezetőbb anyag használatával (például alumínium helyett réz).

Terjedési ellenállás

Egy másik paraméter, amely a hűtőborda anyagának hővezető képességére vonatkozik, a terjedési ellenállás. A terjedési ellenállás akkor következik be, amikor egy véges hővezető képességű anyagban kis területről nagyobb területre hőenergiát adnak át. Hűtőbordában ez azt jelenti, hogy a hő nem egyenletesen oszlik el a hűtőborda alján. A terjedési ellenállás jelenségét az mutatja, hogy a hő hogyan távozik a hőforrás helyéről, és nagy hőmérsékleti gradienst okoz a hőforrás és a hűtőborda szélei között. Ez azt jelenti, hogy egyes bordák alacsonyabb hőmérsékletűek, mintha a hőforrás egyenletes lenne a hűtőborda alján. Ez az egyenetlenség növeli a hűtőborda effektív hőellenállását.

A szórási ellenállás csökkentése a hűtőborda aljában:

• növelje az alap vastagságát,
• válasszon más, nagyobb hővezető képességű anyagot,
• használjon gőzkamrát vagy hőcsövet a hűtőborda alapjában.

Uszony megállapodások

Hűtőborda típusok: tűs, egyenes és kiszélesedő borda

A tűbordás hűtőborda olyan hűtőborda, amelynek csapjai az alapjából nyúlnak ki. A csapok lehetnek hengeresek, elliptikusak vagy négyzet alakúak. A tű az egyik legelterjedtebb hűtőborda típus a piacon. A hűtőborda-elrendezés másik típusa az egyenes borda. Ezek a hűtőborda teljes hosszában futnak. Az egyenes bordás hűtőborda egyik változata a keresztbe vágott hűtőborda. Az egyenes bordás hűtőbordát rendszeres időközönként levágják.

Szabad konvekciós áramlás a tűbordás hűtőborda körül

Általánosságban elmondható, hogy minél nagyobb a hűtőborda felülete, annál jobban működik. Ez azonban nem mindig igaz. A tűbordás hűtőborda koncepciója az, hogy egy adott térfogatba a lehető legtöbb felületet próbáljuk meg pakolni. Ráadásul bármilyen orientációban jól működik. A Kordyban egy hasonló méretű tűbordás és egy egyenes bordás hűtőborda teljesítményét hasonlította össze. Bár a tűborda 194 cm ² felületű, míg az egyenes borda 58 cm ² , a hűtőborda alapja és a környező levegő hőmérséklete közötti hőmérsékletkülönbség a tű bordájánál 50 °C , de az egyenes bordánál. 44 °C volt, vagyis 6 °C-kal jobb, mint a csapszeg. A csapszegélyes hűtőborda teljesítménye lényegesen jobb, mint az egyenes bordák, ha a rendeltetésszerű alkalmazásukat, ahol a folyadék axiálisan áramlik a csapok mentén, nem pedig csak érintőlegesen a csapokon.

Egy másik konfiguráció a kiszélesedő bordás hűtőborda; bordái nem párhuzamosak egymással, ahogy az 5. ábrán látható . A bordák kiszélesedése csökkenti az áramlási ellenállást, és több levegő áramlik át a hűtőborda csatornáján; különben több levegő kerülné meg az uszonyokat. A ferdítésük megtartja a teljes méretet, de hosszabb bordákat kínál. Forghan és mtsai. közzétett adatokat a tűbordás, egyenes bordás és kiszélesedő bordás hűtőbordákon végzett vizsgálatokról. Azt találták, hogy alacsony, jellemzően 1 m/s körüli levegős megközelítési sebesség esetén a hőteljesítmény legalább 20%-kal jobb, mint az egyenes bordás hűtőbordáké. Lasance és Eggink azt is megállapították, hogy az általuk tesztelt bypass konfigurációk esetében a kiszélesedő hűtőborda jobban teljesített, mint a többi tesztelt hűtőborda.

Üregek (fordított uszonyok)

A hőforrásba ágyazott üregek (fordított bordák) a szomszédos bordák között kialakuló régiók, amelyek a magforrások forrásának vagy kondenzációjának lényeges előmozdítói. Ezeket az üregeket általában arra használják, hogy hőt vonjanak ki különféle hőtermelő testekből a hűtőbordába.

Vezetőképes vastag lemez a hőforrás és a hűtőborda között

Ha egy vezetőképes vastag lemezt helyezünk el hőátadó interfészként a hőforrás és a hidegen áramló folyadék (vagy bármely más hűtőborda) között, ez javíthatja a hűtési teljesítményt. Ilyen elrendezésben a hőforrást a vastag lemez alatt hűtik, ahelyett, hogy a hűtőfolyadékkal közvetlenül érintkezve hűtnék. Kimutatták, hogy a vastag lemez jelentősen javíthatja a hőátadást a hőforrás és a hűtőfolyadék között a hőáram optimális vezetésével. Ennek a módszernek a két legvonzóbb előnye, hogy nincs több szivattyúzási teljesítmény és nincs extra hőátadó felület, ami merőben különbözik a bordáktól (kiterjesztett felületek).

Felület színe

Szerver minőségű flash memóriakártya fekete hűtőbordával

A hűtőbordából a hőátadás a környező levegő konvekciója, a levegőn való átvezetés és a sugárzás révén történik .

A sugárzás általi hőátadás a hűtőborda hőmérsékletétől és a környezet hőmérsékletétől is függ, amelyhez a hűtőborda optikailag kapcsolódik. Ha mindkét hőmérséklet 0 °C és 100 °C között van, a sugárzás hozzájárulása a konvekcióhoz általában csekély, és ezt a tényezőt gyakran figyelmen kívül hagyják. Ebben az esetben a természetes konvekciós vagy kényszerített áramlásban működő bordás hűtőbordákat nem befolyásolja jelentősen a felületi emisszió .

Olyan helyzetekben, ahol alacsony a konvekció, például egy lapos, bordázatlan panel alacsony légáramlással, a sugárzó hűtés jelentős tényező lehet. Itt a felület tulajdonságai fontos tervezési tényező lehet. A mattfekete felületek sokkal hatékonyabban sugároznak, mint a fényes csupasz fém. A fényes fémfelület alacsony emissziós tényezővel rendelkezik. Egy anyag emissziós tényezője nagymértékben frekvenciafüggő, és az abszorptivitással függ össze (amiből a fényes fémfelületeken nagyon kevés van). A legtöbb anyag emissziós tényezője a látható spektrumban hasonló az infravörös spektrum emissziós képességéhez; azonban vannak kivételek – nevezetesen bizonyos fém-oxidok, amelyeket „ szelektív felületként ” használnak.

A vákuumban vagy a világűrben nincs konvektív hőátadás, így ezekben a környezetekben a sugárzás az egyetlen tényező, amely szabályozza a hőáramlást a hűtőborda és a környezet között. Az űrben lévő műhold esetében a Nap felé néző 100 °C-os (373 K) felület sok sugárzó hőt nyel el, mert a Nap felszíni hőmérséklete közel 6000 K, míg a mélyűr felé néző ugyanazon felület sok sugárzó hőt sugároz. hő, mivel a mélyűrnek csak néhány Kelvin effektív hőmérséklete van.

Mérnöki alkalmazások

Mikroprocesszoros hűtés

Asus GTX-650 grafikus kártya hűtőrendszere ; három hőcső látható

A hőleadás az elektronikus eszközök és áramkörök elkerülhetetlen mellékterméke. Általánosságban elmondható, hogy az eszköz vagy alkatrész hőmérséklete az alkatrésztől a környezet felé fennálló hőellenállástól és az alkatrész által leadott hőtől függ. Annak érdekében, hogy az alkatrész ne melegedjen túl , a hőtechnikus hatékony hőátadási utat keres a készülékből a környezetbe. A hőátadás útja lehet az alkatrésztől a nyomtatott áramköri kártyához (PCB), a hűtőbordához, a ventilátor által biztosított levegőáramhoz, de minden esetben a környezetbe.

Két további tervezési tényező is befolyásolja a termikus tervezés termikus/mechanikai teljesítményét:

1. Az a módszer, amellyel a hűtőbordát egy alkatrészre vagy processzorra szerelik. Erről a csatolási módok szakaszban lesz szó .
2. Két egymással érintkező objektum közötti minden egyes interfész esetén hőmérséklet-csökkenés lesz az interfészen keresztül. Az ilyen kompozit rendszerek esetében a hőmérséklet-esés az interfészen érezhető lehet. Ez a hőmérsékletváltozás az úgynevezett termikus érintkezési ellenállásnak tulajdonítható. A termikus interfész anyagok (TIM) csökkentik a termikus érintkezési ellenállást.

Csatolási módok

Ahogy az alkatrészek teljesítményvesztesége növekszik, és az alkatrészcsomag mérete csökken, a hőmérnököknek újításokat kell végezniük annak biztosítása érdekében, hogy az alkatrészek ne melegedjenek túl . A hűvösebben működő eszközök hosszabb ideig tartanak. A hűtőborda kialakításának meg kell felelnie mind a hő-, mind a mechanikai követelményeinek. Ez utóbbit illetően az alkatrésznek termikus érintkezésben kell maradnia a hűtőbordájával ésszerű ütésekkel és rezgésekkel. A hűtőborda lehet egy áramköri lap rézfóliája, vagy egy különálló hűtőborda, amely az alkatrészre vagy az áramköri lapra van felszerelve. A rögzítési módszerek közé tartozik a hővezető szalag vagy epoxi, huzal alakú z-kapcsok , lapos rugós kapcsok, távtartók és a beszerelés után kitáguló végű nyomócsapok.

Hővezető szalag

Hővezető szalag tekercs.

A hővezető szalag az egyik legköltséghatékonyabb hűtőborda rögzítési anyag. Alkalmas kis tömegű hűtőbordákhoz és kis teljesítményleadású alkatrészekhez. Hővezető hordozóanyagból áll, mindkét oldalán nyomásérzékeny ragasztóval.

Ezt a szalagot a hűtőborda aljára kell felhelyezni, amelyet azután az alkatrészhez rögzítenek. A hőszalag teljesítményét a következő tényezők befolyásolják:

1. Mind az alkatrész, mind a hűtőborda felületének tisztának kell lennie, és nem lehet rajta maradvány, például szilikonzsírréteg .
2. Az előfeszítő nyomás elengedhetetlen a jó érintkezés biztosításához. Az elégtelen nyomás olyan területeket eredményez, amelyek nem érintkeznek a rekedt levegővel, és a vártnál nagyobb interfész hőellenállást eredményez.
3. A vastagabb szalagok általában jobb "nedvesíthetőséget" biztosítanak egyenetlen alkatrészfelületek esetén. A „nedvesíthetőség” a szalag érintkezési felületének százalékos aránya az alkatrészen. A vastagabb szalagok hőállósága azonban nagyobb, mint a vékonyabb szalagoknak. Tervezési szempontból a legjobb az egyensúly megtalálásához olyan szalagvastagságot, amely maximális "nedvesíthetőséget" biztosít minimális hőállósággal.

Epoxi

Az epoxi drágább, mint a szalag, de nagyobb mechanikai kötést biztosít a hűtőborda és az alkatrész között, valamint javítja a hővezető képességet. A kiválasztott epoxidot erre a célra kell elkészíteni. A legtöbb epoxi kétkomponensű folyékony készítmény, amelyet alaposan össze kell keverni, mielőtt a hűtőbordára helyezik, és mielőtt a hűtőbordát az alkatrészre helyezik. Ezután az epoxit meghatározott ideig kikeményítik, amely 2 órától 48 óráig terjedhet. Magasabb hőmérsékleten gyorsabb kötési idő érhető el. Az epoxigyantát felhordott felületeknek tisztának és minden maradéktól mentesnek kell lenniük.

Az epoxi kötés a hűtőborda és az alkatrész között félig állandó/tartós. Ez nagyon megnehezíti és időnként lehetetlenné teszi az újramunkát. Az utómunkálatok legjellemzőbb károsodása az alkatrészszerszám-hőterítő kiválása a csomagolásból.

Csapbordás hűtőborda Z-kapcsos rögzítővel.

Drót alakú Z-kapcsok

Drágább, mint a szalag és az epoxi, a huzal alakú z-kapcsok mechanikusan rögzítik a hűtőbordákat. A z-kapcsok használatához a nyomtatott áramköri lapon horgonyokat kell felszerelni. A horgonyok felforraszthatók a táblára, vagy átnyomhatók. Mindkét típusnál lyukakat kell kialakítani a táblán. Az RoHS forraszanyag használatát engedélyezni kell, mert az ilyen forraszanyag mechanikailag gyengébb, mint a hagyományos Pb/Sn forrasztóanyag.

Z-kapcsos összeszereléshez rögzítse annak egyik oldalát az egyik horgonyhoz. Addig terelje el a rugót, amíg a kapocs másik oldala be nem helyezhető a másik horgonyba. Az elhajlás rugóterhelést hoz létre az alkatrészen, ami nagyon jó érintkezést tart fenn. A z-clip által biztosított mechanikus rögzítés mellett nagyobb teljesítményű termikus interfész anyagok, például fázisváltó típusok használatát is lehetővé teszi.

Két hűtőborda rögzítési mód, nevezetesen a maxiGRIP (balra) és Talon Clip (jobbra).

Klipek

A processzorokhoz és a golyós rácstömb (BGA) komponensekhez elérhető kapcsok lehetővé teszik a BGA hűtőborda közvetlen csatlakoztatását az alkatrészhez. A kapcsok kihasználják a golyós rács tömb (BGA) által az alkatrész alsó és a PCB felső felülete közötti rést. A kapcsok ezért nem igényelnek lyukakat a nyomtatott áramkörön. Lehetővé teszik az alkatrészek egyszerű átdolgozását is.

Egy pár nyomócsap.

Nyomócsapok nyomórugóval

Nagyobb hűtőbordák és nagyobb előterhelés esetén a nyomórugóval ellátott nyomócsapok nagyon hatékonyak. A tipikusan sárgarézből vagy műanyagból készült nyomócsapok végén rugalmas szár van, amely a nyomtatott áramköri lapon lévő lyukhoz kapcsolódik; beszerelés után a tüske megtartja a csapot. A nyomórugó tartja össze a szerelvényt, és fenntartja a kapcsolatot a hűtőborda és az alkatrész között. Óvatosságot igényel a nyomócsap méretének kiválasztása. A túl nagy behelyezési erő a szerszám megrepedéséhez és ennek következtében az alkatrész meghibásodásához vezethet.

Menetes leágazások nyomórugóval

Nagyon nagy hűtőbordák esetén semmi sem helyettesítheti a menetes elágazást és a nyomórugós rögzítési módszert. A menetes elágazás lényegében egy üreges fémcső belső menettel. Az egyik vége csavarral van rögzítve a PCB-n lévő lyukon keresztül. A másik vége egy csavart fogad be, amely összenyomja a rugót, ezzel befejezve az összeszerelést. Egy tipikus hűtőborda-szerelvény két-négy elágazást használ, így ez a legköltségesebb hűtőborda-rögzítési kialakítás. Egy másik hátrány a NYÁK-ban lévő lyukak szükségessége.

Termikus interfész anyagok

A hővezető képesség és a határfelületi ellenállás részét képezik a termikus határfelületi anyagok hőfelületi ellenállásának.

A hőérintkezési ellenállás a felületi érdesség, a hibák és az interfész eltolódása miatt keletkező üregek miatt következik be. Az interfészben lévő üregek levegővel vannak feltöltve. A hőátadás ezért a tényleges érintkezési felületen átívelő vezetésnek, valamint a hézagokon átívelő vezetésnek (vagy természetes konvekciónak) és sugárzásnak köszönhető. Ha az érintkezési felület kicsi, mint durva felületeknél, akkor az ellenálláshoz a legnagyobb mértékben a hézagok járulnak hozzá. A termikus érintkezési ellenállás csökkentése érdekében a felületi érdesség csökkenthető, miközben a határfelületi nyomás növelhető. Ezek a javítási módszerek azonban nem mindig praktikusak vagy lehetségesek az elektronikus berendezések esetében. A termikus interfész anyagok (TIM) általános módszert jelentenek e korlátok leküzdésére.

A megfelelően alkalmazott termikus határfelületi anyagok a két tárgy közötti résekben lévő levegőt egy sokkal nagyobb hővezető képességű anyaggal helyettesítik. A levegő hővezető képessége 0,022 W/(m·K), míg a TIM-ek vezetőképessége 0,3 W/(m·K) vagy magasabb.

A TIM kiválasztásakor ügyelni kell a gyártó által megadott értékekre. A legtöbb gyártó megad egy értéket az anyag hővezető képességére. A hővezető képesség azonban nem veszi figyelembe a határfelületi ellenállásokat. Ezért, ha egy TIM magas hővezető képességgel rendelkezik, az nem feltétlenül jelenti azt, hogy az interfész ellenállása alacsony lesz.

A TIM kiválasztása három paraméteren alapul: az interfész résén, amelyet a TIM-nek ki kell töltenie, az érintkezési nyomáson és a TIM elektromos ellenállásán. Az érintkezési nyomás a két anyag közötti határfelületre kifejtett nyomás. A választék nem tartalmazza az anyagköltséget. Az elektromos ellenállás az elektromos tervezés részleteitől függően fontos lehet.

A Philips Lumileds Lighting Company nagy teljesítményű LED- jei 21 mm-es csillag alakú alumíniummagos PCB -kre szerelve

Fénykibocsátó dióda lámpák

A fénykibocsátó dióda (LED) teljesítménye és élettartama erősen függ a hőmérsékletüktől. Ezért elengedhetetlen a hatékony hűtés. Egy LED alapú mélysugárzó esettanulmánya példát mutat a világítási rendszer hatékony hűtéséhez szükséges hűtőborda kiszámításához végzett számításokra. A cikkből az is kiderül, hogy az eredményekbe vetett bizalomhoz több független megoldásra van szükség, amelyek hasonló eredményeket adnak. Pontosabban, a kísérleti, numerikus és elméleti módszerek eredményeinek 10%-on belül kell lenniük egymáshoz képest, hogy az eredmények megbízhatóak legyenek.

Forrasztásnál

Időnként ideiglenes hűtőbordákat használnak áramköri lapok forrasztásakor, megakadályozva, hogy a túlzott hő károsítsa az érzékeny közeli elektronikát. A legegyszerűbb esetben ez egy alkatrész részleges megfogását jelenti nehézfém krokodilcsipesz, vérzéscsillapító vagy hasonló bilincs segítségével. A modern félvezető eszközök, amelyeket újrafolyós forrasztással szereltek össze, általában károsodás nélkül tolerálják a forrasztási hőmérsékletet. Másrészt az elektromos alkatrészek, például a mágneses reed kapcsolók meghibásodhatnak, ha forróbb forrasztópáka hatásának vannak kitéve, így ez a gyakorlat még mindig nagyon elterjedt.

A teljesítmény meghatározásának módszerei

Általában a hűtőborda teljesítménye az anyag hővezető képességének, méreteinek, bordatípusának, hőátbocsátási tényezőjének , légáramlási sebességének és csatornaméretének függvénye. A hűtőborda hőteljesítményének meghatározásához elméleti modell készíthető. Alternatív megoldásként a hőteljesítményt kísérletileg is mérhetjük. A jelenlegi alkalmazásokban a rendkívül 3D-s áramlás összetett természete miatt numerikus módszerek vagy számítási folyadékdinamika (CFD) is használhatók. Ez a rész a hűtőborda hőteljesítményének meghatározására szolgáló fent említett módszereket tárgyalja.

A hőátadás elméleti modellje

Egyenértékű hőellenállású hűtőborda vázlata.

A hőellenállást és a hőátbocsátási együtthatót az áramlási sebesség függvényében ábrázolták az alkalmazott hűtőborda-konstrukcióhoz. Az adatokat a cikkben található egyenletek felhasználásával állítottuk elő. Az adatok azt mutatják, hogy növekvő légáramlás esetén a hűtőborda hőellenállása csökken.

A hűtőborda teljesítményének meghatározásának egyik módszere a hőátadás és a folyadékdinamikai elmélet alkalmazása. Az egyik ilyen módszert Jeggels és munkatársai publikálták, bár ez a munka a vezetékes áramlásra korlátozódik. A légcsatornás áramlás az a hely, ahol a levegőt egy csatornán keresztül kényszerítik, amely szorosan illeszkedik a hűtőbordára. Ez biztosítja, hogy az összes levegő áthaladjon a hűtőborda bordái által kialakított csatornákon. Ha a légáram nincs csatornázva, a légáramlás bizonyos százaléka megkerüli a hűtőbordát. Megállapították, hogy az áramlási bypass a bordasűrűség és a hézag növekedésével nő, miközben viszonylag érzéketlen maradt a bemeneti csatorna sebességére.

A hűtőborda hőellenállási modellje két ellenállásból áll, nevezetesen a hűtőborda alapjában lévő ellenállásból és a bordák ellenállásából, . A hűtőborda alap hőellenállása, , a következőképpen írható fel, ha a forrás egy egyenletesen alkalmazott hűtőborda alap. Ha nem, akkor az alapellenállás elsősorban a terjedési ellenállás: ${\displaystyle R_{b}}$${\displaystyle R_{f}}$${\displaystyle R_{b}}$

${\displaystyle R_{b}={\frac {t_{b}}{kA_{b}}}}$(4)

ahol a hűtőborda alapvastagsága, a hűtőborda anyagának hővezető képessége és a hűtőborda alapterülete. ${\displaystyle t_{b}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle A_{b}}$

A lamellák tövétől a levegőig terjedő hőellenállás, , a következő képletekkel számítható ki: ${\displaystyle R_{f}}$

${\displaystyle R_{f}={\frac {1}{nh_{f}W_{f}\left(t_{f}+2\eta _{f}L_{f}\right)}}}$(5)

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {\tanh {mL_{c}}}{mL_{c}}}}$(6)

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{f}}{kt_{f}}}}L_{f}}$(7)

${\displaystyle D_{h}={\frac {4A_{ch}}{P_{ch}}}}$(8)

${\displaystyle Re={\frac {4{\pont {G}}\rho }{n\pi D_{h}\mu }}}$(9)

${\displaystyle f=(0,79\ln Re-1,64)^{-2}}$(10)

${\displaystyle Nu={\frac {(f/8)(Re-1000)Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}}-1) }}}$(11)

${\displaystyle h_{f}={\frac {Nuk_{air}}{D_{h}}}}$(12)

${\displaystyle \rho ={\frac {P_{atm}}{R_{a}T_{in}}}}$(13)

Az áramlási sebesség a hűtőborda rendszer görbe és a ventilátor görbe metszéspontja alapján határozható meg. A hűtőborda rendszer görbéje kiszámítható a csatornák áramlási ellenállása, valamint a bemeneti és kimeneti veszteségek alapján, amint azt a szabványos folyadékmechanikai szakkönyvekben, például Potter et al. és Fehér.

Ha ismert a hűtőborda alap és borda ellenállása, akkor a hűtőborda hőellenállása a következőképpen számítható ki: ${\displaystyle R_{hs}}$

${\displaystyle R_{hs}=R_{b}+R_{f}}$(14).

Az 5-től 13-ig terjedő egyenletek és az in méretadatok felhasználásával kiszámítottuk a bordák hőellenállását különböző légáramlási sebességekhez. A hőellenállásra és a hőátbocsátási tényezőre vonatkozó adatokat a diagram mutatja, amely azt mutatja, hogy növekvő légáramlás esetén a hűtőborda hőellenállása csökken.

Kísérleti módszerek

A kísérleti tesztek az egyik legnépszerűbb módszer a hűtőborda hőteljesítményének meghatározására. A hűtőborda hőellenállásának meghatározásához ismerni kell az áramlási sebességet, a bemenő teljesítményt, a belépő levegő hőmérsékletét és a hűtőborda alaphőmérsékletét. A szállító által biztosított adatokat általában a vezetékes vizsgálati eredményekhez szolgáltatják. Az eredmények azonban optimisták, és félrevezető adatokkal szolgálhatnak, ha hűtőbordákat használnak vezeték nélküli alkalmazásban. A hűtőborda-tesztelési módszerekről és a gyakori hiányosságokról további részletek találhatók: Azar et al.

Numerikus módszerek

Radiális hűtőborda termikus profillal és örvénylő kényszerkonvekciós áramlási pályákkal előrejelzett CFD elemző csomag segítségével

Az iparban a termikus elemzéseket gyakran figyelmen kívül hagyják a tervezési folyamatban, vagy túl későn végzik el – amikor a tervezési változtatások korlátozottak és túl költségesek. Az ebben a cikkben említett három módszer közül elméleti és numerikus módszerek használhatók a termékek hűtőbordájának vagy alkatrészeinek hőmérsékletének becslésére a fizikai modell elkészítése előtt. Elsőrendű becslésként általában elméleti modellt használnak. Az online hűtőborda-kalkulátorok ésszerű becslést tudnak adni a kényszerített és természetes konvekciós hűtőborda teljesítményére vonatkozóan elméleti és empirikusan levezetett összefüggések kombinációja alapján. A numerikus módszerek vagy a számítási folyadékdinamika (CFD) a folyadékáramlás minőségi (sőt néha kvantitatív) előrejelzését biztosítják. Ez azt jelenti, hogy a szimuláció vizuális vagy utólagos feldolgozási eredményét adja, mint a 16. és 17. ábrán látható képek, illetve a 18. és 19. ábrán látható CFD animációk, de az eredmény mennyiségi vagy abszolút pontossága érzékeny a megfelelő paraméterek szerepeltetése és pontossága.

A CFD betekintést nyújthat olyan áramlási mintákba, amelyeket nehéz, költséges vagy lehetetlen kísérleti módszerekkel tanulmányozni. Kísérletek adhatnak kvantitatív leírást az áramlási jelenségekről egy-egy mennyiség mérésével, korlátozott számú ponton és időpontban. Ha teljes méretarányú modell nem áll rendelkezésre, vagy nem praktikus, akkor méretarányos modellek vagy álmodellek használhatók. A kísérletek korlátozott számú problémát és működési körülményt tartalmazhatnak. A szimulációk előre jelezhetik az áramlási jelenségeket CFD szoftverrel minden kívánt mennyiségre, nagy felbontással térben és időben, és gyakorlatilag bármilyen probléma és reális működési feltételek mellett. Ha azonban kritikus, az eredményeket validálni kell.

Csapbordás hűtőborda termikus profillal és szabad konvekciós áramlási pályákkal előrejelzett CFD elemző csomag segítségével	38 mm átmérőjű és 50 mm magas tűbordás hűtőborda termikus profillal és örvénylő animált kényszerkonvekciós áramlási pályákkal egy lapáttengelyű ventilátorból, CFD elemző csomag segítségével előre jelezve
60 mm x 60 mm x 10 mm egyenes bordás hűtőborda termikus profillal és örvénylő, animált kényszerkonvekciós áramlási pályákkal csőaxiális ventilátorból, CFD elemző csomag segítségével előre jelezve

Lásd még

• Számítógép hűtés
• Hőszóró
• Hővezeték
• Hő pumpa
• A gyémánt hővezető képessége
• Radiátor
• Termikus interfész anyag
• Hőkezelés (elektronika)
• Hőálló
• Termoelektromos hűtés

Hivatkozások

Külső linkek