Корпус радиатора: объяснение материалов, производства и теплового проектирования

Корпус радиатора : Когда корпус становится частью системы терморегулирования

Корпус радиатора сочетает в себе две функции, которые обычно выполняются отдельными компонентами: он одновременно служит структурным корпусом электронного блока и основным путем рассеивания тепла для компонентов внутри него. Вместо того, чтобы монтировать дискретный радиатор на компонент, а затем размещать эту сборку внутри отдельного шасси, корпус радиатора интегрирует ребра, каналы или другую рассеивающую геометрию непосредственно в стенки или основание корпуса, превращая сам корпус в решение для управления температурой.

Этот подход особенно распространен в драйверах светодиодов, преобразователях питания, контроллерах двигателей, промышленных осветительных приборах и электронных корпусах для наружного применения, где пространство на уровне платы ограничено, где корпус должен быть герметизирован от проникновения и где отдельный внутренний радиатор может создать мертвые зоны воздушного потока или потребовать вентилятор, который приложение не может разместить. Тепловая и механическая конструкция корпуса радиатора неразделимы: оптимизация одной и игнорирование другой надежно позволяет получить продукт, который не соответствует ни одному из требований.

Материалы, используемые при проектировании корпуса радиатора

Выбор материала для корпуса радиатора является наиболее важным проектным решением, поскольку он одновременно устанавливает потолок теплопроводности, определяет доступные производственные процессы и устанавливает базовый вес и структуру стоимости готовой детали.

Алюминиевые сплавы

Алюминий является доминирующим материалом для корпусов радиаторов практически во всех сегментах рынка. Теплопроводность обычных алюминиевых сплавов находится между 130 и 210 Вт/м·К в зависимости от сплава и состояния — значительно ниже, чем у чистого алюминия (237 Вт/м·К), но намного выше, чем у стали, цинка или конструкционных пластиков. Двумя наиболее часто используемыми сплавами являются:

• 6063-Т5 — стандартный экструзионный сплав для профилей радиаторов с теплопроводностью около 200 Вт/м·К и отличным качеством поверхности. Более низкое содержание кремния по сравнению с 6061 делает его более подходящим для экструзии сложных поперечных сечений с тонкими ребрами. В подавляющем большинстве экструдированных корпусов радиаторов для светодиодов и силовой электроники используются сплавы 6063 или эквивалентные (например, EN AW-6063 в Европе).
• АЦП12/А380 — высококремнистые сплавы для литья под давлением с теплопроводностью около 90–100 Вт/м·К. Более низкая проводимость по сравнению с 6063 является компромиссом за сложную трехмерную геометрию, которую обеспечивает литье под давлением — встроенные монтажные выступы, элементы кабельного ввода и ребра с подрезами, которые не могут быть получены экструзией. Корпуса радиаторов из литого под давлением алюминия являются стандартными для автомобильной электроники, систем управления промышленными двигателями и корпусов с высоким уровнем защиты IP.

Медь

Медь offers thermal conductivity of approximately 385–400 Вт/м·К — примерно вдвое больше, чем у алюминия, — но в три раза выше плотность и значительно выше стоимость материала. Полностью медные корпуса радиатора встречаются редко из-за веса и стоимости, но медные вставки, испарительные камеры или тепловые трубки, встроенные в алюминиевый корпус, представляют собой хорошо зарекомендовавший себя гибридный подход для приложений, где тепловая нагрузка конкретного компонента превышает то, с чем может справиться полностью алюминиевая конструкция, не превышая пределов температуры перехода.

Теплопроводящие полимеры

Теплопроводные полимерные соединения — обычно нейлон, PPS или LCP, наполненные нитридом бора, нитридом алюминия или углеродным волокном — достигают теплопроводности в диапазоне 1–20 Вт/м·К , что на порядок ниже алюминия, но значительно выше стандартных конструкционных пластиков (0,1–0,3 Вт/м·К). Их конкурентное преимущество заключается в приложениях, требующих электрической изоляции поверхности корпуса, снижения веса по сравнению с тем, чего может достичь алюминий, и свободы проектирования при литье под давлением. Светодиодные светильники и источники питания бытовой электроники представляют собой наиболее распространенные области применения корпусов из теплопроводного полимера.

Методы производства и их тепловые последствия

Производственный процесс, используемый для изготовления корпуса радиатора, определяет не только стоимость и варианты геометрии, но также достижимую плотность ребер, минимальную толщину стенок и, что особенно важно, анизотропию теплопроводности через деталь.

Экструзия

Экструзия алюминия является наиболее термически эффективным способом производства корпусов радиаторов, поскольку в нем используются сплавы серии 6063 с высокой проводимостью и получается непрерывное поперечное сечение с плотными однородными ребрами. Экструдированные профили обрезаются по длине и подвергаются механической обработке с учетом монтажных элементов и точек ввода кабелей. Ограничение состоит в том, что поперечное сечение должно быть однородным вдоль оси экструзии — элементы, требующие изменения в направлении Z, должны быть добавлены путем вторичной обработки. Для корпусов, которые по существу имеют призматическую форму (прямоугольный или цилиндрический корпус с ребрами снаружи), экструзия почти всегда является оптимальным процессом как с точки зрения термического воздействия, так и с точки зрения затрат.

Литье под давлением

Литье под давлением сплава ADC12 или A380 позволяет получить трехмерную геометрию корпуса, которую невозможно получить экструзией, с высокой повторяемостью размеров и минимальной вторичной обработкой для серийного производства. Ухудшение теплопроводности литейного сплава с высоким содержанием кремния (~96 Вт/м·К против ~200 Вт/м·К для 6063) должно быть компенсировано увеличением площади поверхности ребер или принятием более высокой рабочей температуры в установившемся режиме. Для применений, где геометрия корпуса обусловлена ​​механическими требованиями или требованиями IP-класса, а не термической оптимизацией, обычно подходящим процессом является литье под давлением. Минимальная толщина стенки при литье под давлением для алюминия составляет примерно 1,5–2,0 мм; Соотношение сторон плавников ограничено примерно 5:1 без усложнения угла наклона.

обработка с ЧПУ

Механически обработанные корпуса радиаторов из заготовок 6061-T6 или 6063-Т5 предлагают максимальную геометрическую свободу и используют те же сплавы с высокой проводимостью, что и экструзия. Это стандартный подход для прототипов, мелкосерийного производства и применений, требующих очень жестких допусков на размеры сопрягаемых поверхностей. Затраты на единицу продукции значительно выше, чем при экструзии или литье под давлением, но механическая обработка позволяет получить геометрию ребер, включая ребра с заточкой и фрезерованные массивы штифтов, которые достигают плотности ребер и соотношений сторон, превосходящих те, которые можно получить при экструзии или литье. Обработка ребер со скосом, в частности, позволяет производить ребра толщиной до 0,2 мм с соотношением сторон более 40:1, достигая плотности площади поверхности, приближающейся к теоретическим пределам для охлаждения с естественной конвекцией.

Сравнение производственного процесса

Принципы теплового проектирования корпусов радиаторов

Эффективная конструкция корпуса радиатора требует управления всей цепочкой теплового сопротивления от перехода до окружающей среды, а не просто максимизации площади поверхности ребер. Каждый этап в цепи вносит свой вклад в сопротивление, а самое слабое звено устанавливает предел достижимой температуры перехода независимо от того, насколько хорошо оптимизированы другие этапы.

Цепь термического сопротивления

Для компонента, установленного внутри корпуса радиатора, тепловой путь проходит: соединение → корпус компонента → материал термоинтерфейса (TIM) → основание корпуса → ребра корпуса → окружающий воздух. Общее тепловое сопротивление переход-окружающая среда (θ _да ) — сумма всех сопротивлений в этой цепи. В хорошо спроектированном корпусе радиатора доминирующим сопротивлением обычно является конвективное сопротивление на поверхности ребер — границе раздела между алюминием и воздухом. Уменьшение этого сопротивления за счет увеличения площади поверхности ребер, оптимизации расстояния между ребрами или принудительной конвекции дает наибольшее улучшение температуры перехода.

Материал термоинтерфейса между компонентом и основанием корпуса является источником сопротивления, который часто недооценивают. Стандартная прокладка TIM с фазовым переходом имеет теплопроводность примерно 3–6 Вт/м·К; лист графита высшего сорта достигает 10–15 Вт/м·К; правильно нанесенная термопаста может обеспечить мощность 8–12 Вт/м·К при достаточном давлении зажима. Выбор материала корпуса с высокой проводимостью при использовании плохого TIM является распространенной ошибкой проектирования, которая ограничивает производительность на этапе соединения с корпусом еще до того, как геометрия корпуса станет актуальной.

Естественная конвекция и геометрия ребер принудительной конвекции

Геометрия ребер корпуса радиатора должна соответствовать режиму воздушного потока в месте установки. Естественная конвекция — воздушный поток, вызванный плавучестью, без вентилятора — является стандартным предположением для герметичных корпусов или корпусов со степенью защиты IP. При естественной конвекции оптимальное расстояние между ребрами обычно составляет 6–12 мм для вертикальных плавников; более узкое расстояние создает эффект дымохода, который уменьшает, а не увеличивает поток воздуха через каналы ребер, поскольку пограничные слои соседних ребер сливаются. Высота ребер при естественной конвекции ограничивается тем же эффектом — ребра высотой более 50–75 мм начинают показывать уменьшающуюся отдачу по мере повышения температуры воздуха через канал.

Для корпусов с принудительной конвекцией (корпуса с вентиляторным охлаждением) расстояние между ребрами можно уменьшить до 2–4 мм, а высоту ребер существенно увеличить, поскольку принудительный поток поддерживает скорость через канал независимо от плавучести. В корпусах радиаторов с принудительной конвекцией часто используются массивы штыревых ребер, а не пластинчатых ребер, поскольку они менее чувствительны к направлению воздушного потока и хорошо работают, когда угол впускного воздуха не идеально совпадает с ориентацией ребер.

Чистота поверхности и коэффициент излучения

Излучение вносит значительный вклад в рассеивание тепла от корпусов радиаторов в условиях естественной конвекции, особенно при повышенных температурах. Обработанная алюминиевая поверхность без покрытия имеет коэффициент излучения примерно 0,05–0,10 — фактически плохой радиатор. Анодирование поверхности корпуса увеличивает излучательную способность до 0,80–0,90 , что может снизить рабочую температуру в установившемся режиме на 5–15°C при типичных уровнях мощности светодиодного драйвера по сравнению с отделкой из чистого алюминия. Черное анодирование обеспечивает самый высокий коэффициент излучения среди анодированных материалов; прозрачное анодирование обеспечивает умеренное улучшение по сравнению с голым алюминием с меньшим визуальным эффектом. Порошковое покрытие также обеспечивает высокий коэффициент излучения (0,85–0,95) и дополнительно повышает коррозионную стойкость корпусов, предназначенных для эксплуатации вне помещений.

Рейтинг IP, герметичность и тепловые характеристики

Герметичные корпуса радиаторов класса IP54, IP65, IP67 или выше представляют собой фундаментальную проблему теплового проектирования: требование к герметизации, которое защищает электронику от пыли и влаги, также предотвращает попадание воздуха в корпус для конвективного охлаждения внутренних компонентов. Каждый ватт тепла, выделяемого внутри герметичного корпуса, должен проходить через стенку корпуса и рассеиваться с внешней поверхности. Это смещает проблему теплового проектирования с управления внутренним воздушным потоком на минимизацию проводящего сопротивления стенки корпуса и максимизацию внешней конвективной и излучающей поверхности.

Для герметичных корпусов радиаторов, прямое термическое соединение компонентов с основанием корпуса — вместо того, чтобы монтировать компоненты на печатную плату, которая затем устанавливается на стойки внутри корпуса, — значительно сокращает количество тепловых интерфейсов на пути проводимости. Светодиодные модули, МОП-транзисторы и другие компоненты с высоким рассеиванием часто монтируются непосредственно на обработанную площадку внутри основания корпуса с помощью TIM и зажимных винтов, создавая короткий путь проводимости от соединения через корпус через TIM к стенке корпуса, а затем к внешним ребрам.

Выбор материала прокладки влияет как на надежность уплотнения, так и на тепловые характеристики на границе раздела. Силиконовые прокладки сохраняют свои характеристики остатка при сжатии в диапазоне температур, типичном для уличной электроники (от -40°C до 85°C), и не выделяют газы при повышенных температурах. Прокладки из сжатого волокна или пенопласта дешевле, но со временем демонстрируют большую релаксацию при сжатии, что может снизить степень защиты IP в установках, подверженных циклическим изменениям температуры. Для корпусов радиаторов, устанавливаемых на открытом воздухе, стандартными характеристиками являются силиконовые прокладки с твердостью по Шору А 40–60.