Ein Kühlkörper ist eine Komponente, die Wärme von einer heißen Komponente auf eine größere Oberfläche leitet, um Wärme an die Umgebung abzugeben und dadurch die Temperatur der Komponente zu senken. Nach dieser Definition kann alles von rechteckigen Metallblechen bis hin zu komplexen Kupfer- oder Aluminium-Strangpressrippen als Kühlkörper verwendet werden. können Aluminium- oder Kupferplatten als Bei ausreichendem Platzangebot und/oder geringer Wärmeabgabe der Komponenten Wie in Abbildung 1 dargestellt, kann der Strahler eine einfache flache Platte oder eine Metallwand des Elementgehäuses sein. effektive Wärmesenken eingesetzt werden.
Abbildung 1. Abmessungen des Flachheizkörpers
Um die Größe eines Flachheizkörpers abzuschätzen, ist es notwendig, den Weg des Wärmeflusses zur Umgebung und den Widerstandswert dieses Weges für den Wärmefluss zu bestimmen. Zur Darstellung des Wärmeflusspfades wird der in Abbildung 2 dargestellte Wärmewiderstandskreis verwendet. Lassen Sie uns jedes Wärmewiderstandselement untersuchen:
Abbildung 2. Wärmewiderstandskreis eines Flachkühlkörpers
Wärmewiderstand vom Übergang zum Gehäuse:
Der thermische Widerstand zwischen Knoten und Gehäuse (R th-jc ) bezieht sich auf den thermischen Widerstand vom Arbeitsteil des Halbleiterbauelements bis zur Außenfläche des Gehäuses (Gehäuse), auf der der Kühlkörper installiert wird. Als Gehäusetemperatur gilt eine konstante Temperatur über die gesamte Zubehöroberfläche. R th-jc ist in der Regel ein vom Gerätehersteller bereitgestellter und im Gerätedatenblatt angegebener Messwert.
Thermischer Kontaktwiderstand und thermischer Schnittstellenwiderstand:
Der Kontaktwärmewiderstand (R cont ) bezeichnet den Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper. Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist die tatsächliche Kontaktfläche aufgrund von Defekten in der Oberfläche des Gehäuses und des Kühlers kleiner als die scheinbare Kontaktfläche. Zur Berechnung von R wurde ein mathematisches Modell vorgeschlagen, das auf Kontaktdruck, Materialoberflächenrauheit und Materialhärte basiert cont . Diese Modelle können sehr komplex sein und es kann schwierig sein, Informationen zur Materialoberfläche und -härte zu erhalten. Typischerweise wird R cont auf der Grundlage experimenteller Daten und früherer Erfahrungen bestimmt.
Abbildung 3. Wärmewiderstand von Kontakten, Schnittstellen und Verbindungen zum Gehäuse
Um die Auswirkungen des R -Cont -Schnittstellenmaterials zu reduzieren, haben wir ein Material verwendet, das den Spalt zwischen Gehäuse und Kühler füllt. Zu diesen Materialien gehören spezielle Wärmeleitpasten, Füllmassen, Phasenwechsel-Wärmeleitpads und Wärmeleitbänder. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien liegt üblicherweise zwischen 0,5 W/mK und 4 W/mK. Da der Spalt zwischen den beiden Passflächen durch das Wärmeleitmaterial gefüllt wird, ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper eine Funktion der Dicke, der Wärmeleitfähigkeit und der Oberfläche des Wärmeleitmaterials, wie in Formel 1 dargestellt:
t: Dicke des Wärmeschnittstellenmaterials
k: Wärmeleitfähigkeit von Wärmeschnittstellenmaterialien
A: scheinbare Kontaktfläche
Bitte beachten Sie, dass die Wärmeleitfähigkeit vieler Wärmeleitmaterialien mit dem Klemmdruck variiert. Hersteller geben diese Daten üblicherweise im Produktdatenblatt an.
Wärmediffusionswiderstand:
Der Wärmediffusionswiderstand (R sp ) ist das Ergebnis des Wärmeflusses durch Leitung zwischen der Schalenkontaktfläche auf der Oberfläche der Platte und der größeren Kühloberfläche der Platte. Lee et al. [1] stellte eine geschlossene Gleichung für R sp auf . Diese Gleichungen liefern sehr gute Annäherungen an exakte Lösungen, werden hier jedoch aufgrund der Komplexität der erforderlichen Berechnungen nicht besprochen.
Der erste Schritt bei der Verwendung der Lee-Gleichung besteht darin, die Abmessungen der beiden interagierenden rechteckigen Flächen mithilfe der Gleichungen 2 und 3 in äquivalente Radien umzuwandeln.
R sp lässt sich dann nach folgender Formel berechnen:
Hier:
h eff : effektiver Konvektionskoeffizient der Platte
Siehe Gleichung 18 für die Berechnung von h eff.
k p : Wärmeleitfähigkeit der Platte
Konvektiver Wärmewiderstand:
Der konvektive Wärmewiderstand ist der Grad, in dem durch Luftbewegung Wärme von der Oberfläche einer Platte abgeführt wird. Für eine beheizte vertikale Platte mit natürlicher Konvektion wird die dimensionslose Nusselt-Zahl (Nu) [2] aus Gleichung 11 abgeleitet. Die Nusselt-Zahl ist eine dimensionslose Variable, die in Konvektionsberechnungen verwendet wird.
Hier:
Der durchschnittliche Konvektionskoeffizient wird nach Gleichung 14 berechnet. Der konvektive Wärmewiderstand R conv ist eine Funktion der Plattenoberfläche A p und des durchschnittlichen Konvektionskoeffizienten, berechnet nach Gleichung 15. Beachten Sie, dass die Plattenoberfläche nicht die durch die Plattendicke erzeugte Fläche umfasst, da diese viel kleiner ist als die Vorder- und Rückseite.
Hier:
k Luft : Wärmeleitfähigkeit der Luft, bewertet bei T avg
Strahlungswärmewiderstand:
Der Wärmewiderstand aufgrund der Strahlung wird durch Gleichung 16 angegeben.
Hier:
Es wird angenommen, dass die Platte Wärme an die umgebende größere Oberfläche abstrahlt, sodass die Umgebung als idealer Strahler oder schwarzer Körper angesehen werden kann. In manchen Fällen kann die Temperatur der umgebenden Oberfläche von der Umgebungslufttemperatur abweichen. In diesem Fall sollte T amb in Formel 15 durch die Temperatur der umgebenden Oberfläche ersetzt werden.
Der effektive Konvektionskoeffizient h eff , der zur Berechnung des Wärmediffusionswiderstands verwendet wird, ergibt sich aus Gleichung 18.
Die Werte von R rad , R conv und R sp können nicht direkt gelöst werden, da sie eine Funktion der Plattenoberflächentemperatur T s sind . Unter der Annahme, dass die gesamte von der Wärmequelle erzeugte Wärme vom Flachheizkörper abgeführt wird, lautet die Energiebilanzgleichung Gleichung 19.
Hier:
F: Von der Wärmequelle erzeugte Wärme
T s können mit numerischen Lösern in den meisten Mathematikprogrammen oder der Funktion „Zielsuche“ in Excel berechnet werden.
Wenn alle Wärmewiderstände bekannt sind, kann der in Abbildung 2 gezeigte Wärmekreis mithilfe von Gleichung 20 auf einen einzelnen Wärmewiderstand R j-a zwischen Übergang und Umgebung vereinfacht werden .
Schließlich kann die Übergangs- oder Wärmequellentemperatur mithilfe von Gleichung 21 ermittelt werden.
Für diversifizierte Kühlkörper verfügt Winshare Thermal Energy über professionelle Anpassungsmöglichkeiten und diversifizierte Anwendungsmärkte und kann Kühlprodukte für verschiedene Systeme für Kunden anpassen. In der Zwischenzeit werden wir bei der Gestaltung des Kühlers viele Faktoren berücksichtigen und das Design des Kühlers weiter optimieren und verbessern. Wenn Sie weitere Fragen zu Kühlkörpern haben oder eine für Ihr Unternehmen geeignete Kühllösung benötigen, hinterlassen Sie gerne einen Kommentar oder kontaktieren Sie Winshare per E-Mail.
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