Kühlkörper werden in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt, von Computern bis hin zu LET-Beleuchtung. Sie sind leitfähige Bauteile, die die Wärme von Komponenten aufnehmen und ableiten und so Überhitzung und mögliche Schäden verhindern. Ein gutes Kühlkörperdesign ist wichtig für die Wärmeableitung eines Geräts und gewährleistet optimale Leistung und Langlebigkeit. Dieser Leitfaden befasst sich mit den Grundlagen der Kühlkörperkonstruktion, -typen und -materialien. Lesen Sie weiter über Fertigungstechniken und erhalten Sie hilfreiche Tipps zur Kühlkörperkonstruktion.
Was ist ein Kühlkörper?
Temperatur fällt sind mechanische Vorrichtungen, die durch natürliche und erzwungene Konvektion eine Überhitzung eines Geräts verhindern. Ein Kühlkörper eignet sich gut zur Ableitung der entstehenden Wärme, indem er die Wärme über seine Oberfläche verteilt und das Gerät dank der Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf eine optimale Temperatur abkühlt. Daher legen die meisten Hersteller besonderen Wert auf die Wahl einer geeigneten Wärmeableitung für Prozessor und Transistoren, um die Temperatur und den Lüfter zu schonen. Diese wärmeabstrahlenden Komponenten sind nicht auf einen einzigen Typ beschränkt; die drei gängigen Typen unterscheiden sich in ihrer Art der Wärmeableitung.
Aktive Kühlkörper sind von der Stromquelle des Geräts abhängig. Ein Zwangskonvektionsmechanismus sorgt dafür, dass Flüssigkeit oder Luft über den heißen Bereich strömt und so die Wärme in das Bauteil gelangt. Hersteller verwenden üblicherweise ein oder zwei Lüfter, um die Luft zum Bauteil zu leiten und es so abzukühlen.
Passive Kühlkörper sind eine gängige Alternative. Sie leiten Wärme jedoch nicht so effektiv ab wie aktive Kühlkörper. Dennoch sind passive Kühlkörper aufgrund ihrer geringen Kosten und ihres geringen Stromverbrauchs weit verbreitet. Entscheiden Sie sich jedoch für passive Kühlkörper. Zu den passiven Wärmetauschern gehören Mikrocontroller, Mikroprozessoren, Chipsätze usw.
Der Hybridkühlkörper nutzt passive und aktive Wärmeübertragungsmethoden. Bei geringer Wärmeableitung wird kein Lüfter eingesetzt. Die Wärme kann durch natürliche Konvektion abgeleitet werden. Bei extrem hohen Temperaturen öffnet sich der Lüfter jedoch automatisch, sodass die Wärme schnell und effizient abgeleitet wird.
Geeignete Materialien für das Kühlkörperdesign
Hohe Wärmeleitfähigkeit, geringes Gewicht und Wirtschaftlichkeit tragen zu einer besseren Wärmeableitung bei. Zu den geeigneten Materialien für die Kühlkörperkonstruktion gehören unter anderem:
- Aluminium
Aluminium wird aufgrund seiner extrem hohen Wärmeleitfähigkeit, seines geringen Gewichts und seines günstigen Preises häufig verwendet. Es ist die gängige Wahl für Elektrogeräte. Beispielsweise wird Aluminium häufig als Kühlkörper für LEDs verwendet.
- Aluminiumlegierungen
Die Kombination von Aluminium mit anderen Metallen führt zu einer besseren Festigkeit als die Verwendung von reinem Aluminium. Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch ein geringes Gewicht aus. Die häufig verwendete Legierung ist Aluminium 1050.
- Kupfer
Kupfer bietet eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium und eignet sich aufgrund seiner besseren Wärmeleitfähigkeit für Geräte und Komponenten. CPUs verwenden Kupfer aufgrund seiner Arbeitseffizienz häufig als empfindliche Komponente in Kühlkörpern.
- Graphite
Im Vergleich zu Kupfer weist Graphit eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Zudem ist es extrem leicht. Graphit wird in einigen Situationen eingesetzt, in denen eine leichte Wärmeableitung erforderlich ist. Es ist jedoch teurer und zerbrechlicher.
- Keramik
Dieses Material hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als andere Metalle. Daher kann Keramik aufgrund ihrer thermischen und elektrischen Isoliereigenschaften nur in bestimmten Anwendungen eingesetzt werden.
Gängige Herstellungstechniken für Kühlkörper
Für die Herstellung von Kühlkörpern werden unterschiedliche Typen und Materialien benötigt. Beispielsweise kommen bei der CNC-Bearbeitung oft fortschrittliche Techniken zum Einsatz, während sich Druckguss für einfache Prozesse eignet.
Für die komplexe Konstruktion eines Kühlkörpers sind CNC-Maschinen die ideale Lösung, um die Teile effizient zu bearbeiten. Diese Maschinen verfügen über Funktionen zum Bohren, Fräsen und Drehen. Ein Entwurf muss lediglich in der CAD-Software erstellt und an die Fertigung übertragen werden, um die Komponenten herzustellen. Eine präzise Methode zur Konstruktion struktureller Teile des Kühlkörpers, einschließlich der Bearbeitung der Unterseite.
Extrusion eignet sich ideal für die Herstellung einfacher und gleichmäßiger Kühlkörper in großen Stückzahlen. Obwohl komplexe Kühlkörperdesigns damit nicht möglich sind, kann die kostengünstige Produktion für Sie attraktiv sein. Aluminium 6063 ist aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit ein gängiges Material für Kühlkörperextrusionen.
Wenn Sie das Spritzgussverfahren kennen, ist Druckguss für Sie leicht verständlich. Beide Techniken ähneln sich. Beim Druckguss wird Aluminium auf hohe Temperaturen erhitzt, verflüssigt und in die Form gegossen, um den Kühlkörper herzustellen. Nach Abschluss des Druckgusses entsteht ein fertiges Endprodukt. Diese Technik ist weit verbreitet und kann auch komplexere Konstruktionen reparieren.
Tipps, die Sie beim Kühlkörperdesign berücksichtigen sollten
Das richtige Kühlkörperdesign ist für eine effiziente Wärmemanagementlösung von entscheidender Bedeutung. Folgende Faktoren können bei der Kühlkörperkonstruktion berücksichtigt werden:
- Form und Anordnung of Kühlkörperlamellen
Lamellen sind die wesentlichen Bestandteile eines Kühlkörpers und tragen dazu bei, die Wärme effizient und schnell an die Umgebungsluft abzugeben. Form und Anordnung der Lamellen beeinflussen den Wärmefluss. Auch Anzahl und Größe beeinflussen ihn. Daher müssen Design und Anordnung der Lamellen so gewählt werden, dass die Luft reibungslos und effizient zirkulieren kann. Für eine optimale Wärmeableitung sollten Form, Größe und Anordnung des Kühlkörpers optimiert werden, damit die elektrische Energie der Komponente gut geleitet und abgeleitet werden kann.
- Wärmewiderstand
Der Wärmewiderstand ist entscheidend für die effiziente Wärmeübertragung von den Halbleitern über den Kühlkörper an die Umgebung. Die Wahl des richtigen Wärmewiderstands für Ihren Kühlkörper ist wichtig. Der Wärmewiderstand beeinflusst die Temperatur und die Kühlleistung im Kühlkörper.
Konvektionswärme finden:
Qc = 2hA(Tcompent – Tambient) Wobei
h = 1.42[( Tkompensation – TUmgebung )/H ] ＾0.25
A = HL + t(2H + L)
Qc : 2hA( Tkompensation – TUmgebung )
Sie werden feststellen, dass es bei A2 eine separate Oberfläche gibt, an der Wärme übertragen werden kann, was hier den konvektiven Heizwert bestimmt:
Qc = 2h2A2(Tcompent – Tambient ) Wobei
s = 2.71 [ gβ(Tkompensation – TUmgebung )/Lαv ]
A2 = L[2( H – b) + sb] + tL
Die Berechnung zur Ermittlung der durch Strahlung erzeugten Wärme:
Qr2 = 2ϵσA2( T4kompensiert – T4Umgebung)
Qr = 2ϵσA1( T4kompensiert – T4Umgebung
COHO Expo bei der
A2 = L(t + s) + 2(tH + sb
Die Gesamtzahl der Flossen wird berechnet durch:
Fn = 1 + [(Q – Qr2 – Qc2) / (Qr1 + Qc1)]
Die Breite einer Flosse wird berechnet durch:
W = (N – 1) + Nt
- Methoden zur Befestigung des Kühlkörpers
Kühlkörper werden in verschiedenen Geräten verwendet, hauptsächlich in mechanischen Komponenten. Die Art der Kühlkörperbefestigung hat großen Einfluss auf die Wärmeableitung. Bevor Sie sich für eine Kühlkörperbefestigung entscheiden, berücksichtigen Sie bitte die mechanischen und thermischen Anforderungen des Geräts. Gängige Methoden zur Kühlkörperbefestigung sind:
Plastikklammern
Drahtklammern
Pins drücken
Thermobänder
Epoxy
Gängige Anwendungen von Kühlkörpern
Kühlkörper sind weit verbreitet und werden hauptsächlich in elektronischen Geräten eingesetzt. Das liegt daran, dass das elektrische Gerät im Betrieb viel Wärme erzeugt und seine Temperatur gekühlt werden kann. Diese Geräte beeinflussen die Leistung des Halbleiters. Daher kann ein Kühlkörper die Temperatur des Geräts während des Betriebs kontinuierlich regulieren. Zu den Anwendungen von Kühlkörpern gehören:
- Endstufen
Die vom Leistungstransistor erzeugte Wärme kann zu Stromverlusten führen. Ein erhöhter Kollektorstrom führt zu einer erhöhten Leistungsableitung. Dies kann zu einem Temperaturanstieg führen. Schlimmer noch: Manchmal kann ein thermischer Durchgehenzyklus auftreten, der den Transistor beschädigt. Kühlkörper können diese Schäden jedoch verhindern, indem sie die Wärme an ihren Oberflächen schnell reduzieren.
- CPUs
Während des Computerbetriebs werden CPU-Chips und Grafikkarte überlastet und erzeugen enorme Wärme. Der Kühlkörper kann die Wärme im CPS schnell zum Chip ableiten, indem er sie entlang der Oberfläche leitet und in die Luft abgibt.
- Optoelektronik
Eine häufige Anwendung für Kühlkörper sind Leuchtdioden (LEDs) und Laser. Diese Geräte verfügen nicht über die Fähigkeit, die Betriebstemperatur zu minimieren. Das Kühlmittel spielt eine wichtige Rolle für das Gerät und gewährleistet dessen Langlebigkeit, da die Betriebstemperatur die Lebensdauer beeinflusst.
Beginnen Sie ganz einfach mit der Gestaltung Ihres Kühlkörpers
Das Design des Kühlkörpers ist wichtig, um seine Leistung zu gewährleisten. Kühlkörper sind in allen elektronischen Geräten unverzichtbar. Daher darf beim Design des Kühlkörpers nichts schiefgehen. Bevor Sie dieses Projekt in Angriff nehmen, sollten Sie die Grundlagen verstehen. Außerdem sollten Sie Ihr Kühlkörperdesign entsprechend Ihren Anforderungen kontinuierlich verbessern.
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