Het selecteren van een koellichaam is niet zomaar het kiezen van het grootste aluminiumdeel dat rondom een elektronisch component past. Een effectief koellichaam moet warmte van het component naar de omgevingslucht overbrengen, terwijl de junctiontemperatuur binnen een aanvaardbaar werkingsbereik blijft. De prestaties ervan hangen af van thermische weerstand, vermogensdissipatie, omgevingstemperatuur, luchtstroom, materiaal, vinnenconfiguratie, montagedruk, thermisch interface-materiaal en zelfs de oriëntatie van de vinnen.
Dit betekent dat twee koellichamen met vergelijkbare buitenafmetingen zeer verschillend kunnen presteren. Een dichte vinnenstructuur kan bij geforceerde luchtstroom uitstekend werken, maar slecht onder natuurlijke convectie. Een koperen koellichaam kan warmte wellicht beter verspreiden dan een aluminium exemplaar, maar het extra gewicht en de bewerkingskosten leveren in sommige toepassingen weinig voordeel op. Evenzo lost een te groot koellichaam het thermische probleem niet op als de warmte niet efficiënt van de elektronische behuizing naar het koellichaam kan worden overgebracht.
Deze gids legt uit hoe je vanuit technisch oogpunt een koellichaam selecteert en hoe ontwerp-, materiaal-, luchtstroom- en productiekeuzes de thermische prestaties beïnvloeden.
Wat is een koellichaam?
Een koellichaam is een thermisch geleidend onderdeel dat warmte van een ander component afvoert en deze warmte overdraagt aan de omgeving. Het wordt veel gebruikt bij CPU’s, GPU’s, vermogenstransistors, MOSFET’s, LED’s, voedingen, motorregelaars, inverters, communicatieapparatuur, industriële elektronica en vele andere warmtegenererende apparaten.
De meeste koellichamen hebben een relatief dikke basis en meerdere vinnen of pennen die vanuit de basis uitsteken. Warmte reist eerst via de componentbehuizing en de montage-interface naar de basis van het koellichaam. De basis verdeelt de warmte over een groter oppervlak, terwijl de vinnen het oppervlak vergroten dat beschikbaar is voor convectie en straling.
Aluminium en koper zijn de meest gebruikte materialen voor koellichamen. Aluminium biedt een uitstekende balans tussen thermische geleidbaarheid, gewicht, kosten, corrosiebestendigheid en bewerkbaarheid. Koper heeft een hogere thermische geleidbaarheid en is handig wanneer snelle warmteverspreiding bijzonder belangrijk is, maar het is zwaarder, duurder en over het algemeen moeilijker te bewerken.
Begin met de werkelijke warmtebelasting
De eerste stap bij het selecteren van een koellichaam is vaststellen hoeveel warmte het elektronische component daadwerkelijk produceert. Een veelgemaakte fout is om het elektrische vermogensvermogen van het apparaat rechtstreeks als warmtelast te gebruiken. Elektrisch ingangsvermogen en warmteafgifte zijn niet altijd gelijk.
Bijvoorbeeld, als een apparaat 100 W verbruikt maar een deel van die energie omzet in nuttige mechanische, optische of elektrische output, kan minder dan 100 W in warmte veranderen. Daarentegen kan een lineaire regelaar een groot deel van het spanningsverschil rechtstreeks in warmte omzetten.
Voor een regelaar, transistor, MOSFET, LED of ander vermogensapparaat dient de slechtst mogelijke warmteafvoer onder de beoogde belasting te worden bepaald. Bij de berekening dient ook rekening te worden gehouden met de werkcyclus. Een component dat continu 80 W dissipeert, vereist een andere thermische oplossing dan een component dat slechts enkele seconden 80 W produceert.
Transientiebelastingen kunnen soms gedeeltelijk worden opgevangen door de thermische massa van de koellichaam, maar continue belastingen naderen uiteindelijk het thermisch evenwicht. De selectie van een koellichaam voor continu gebruik dient daarom voornamelijk gebaseerd te zijn op de stationaire thermische weerstand.
Bepaal de maximaal toegestane temperatuur
Zodra de vermogensdissipatie bekend is, dient de hoogst aanvaardbare apparaattemperatuur te worden bepaald. In datasheets van halfgeleiders wordt doorgaans een maximale junctiontemperatuur gespecificeerd, vaak aangeduid als Tj(max). Het is echter over het algemeen ongewenst om een systeem zo te ontwerpen dat het continu op die absolute maximumwaarde werkt.
Een praktisch ontwerp houdt normaliter rekening met een thermische marge voor variaties in omgevingstemperatuur, veroudering van de ventilator, stofophoping, productievariaties, veroudering van aansluitingen, onverwachte belastingsomstandigheden en meetonzekerheid.
Als een component bijvoorbeeld een maximale junctiontemperatuur van 150 °C heeft, kan het thermische ontwerp erop gericht zijn een aanzienlijk lagere bedrijfsjunctiontemperatuur vast te stellen, in plaats van ervan uit te gaan dat 150 °C acceptabel is voor continu gebruik.
De omgevingstemperatuur die bij de berekening wordt gebruikt, moet ook de werkelijke omgeving weergeven. Een laboratoriumtemperatuur van 25 °C is niet per se geschikt voor een elektronische behuizing die binnen industriële apparatuur werkt. Als de lucht in de behuizing tot 50 °C kan opwarmen, dient de koellichaam normaal gesproken te worden beoordeeld op basis van ongeveer die lokale inlaatluchttemperatuur in plaats van de kamertemperatuur.
Hoe berekent u de vereiste thermische weerstand van het koellichaam?
Thermische weerstand is een van de meest nuttige parameters bij de selectie van een koellichaam. Het beschrijft de temperatuurstijging die gepaard gaat met een bepaalde warmteflux en wordt meestal uitgedrukt in °C/W.
Het vereenvoudigde thermische pad voor een halfgeleider die op een koellichaam is gemonteerd, kan als volgt worden weergegeven:
Junction → Behuizing → Thermische interface → Koellichaam → Omgevingslucht
De overeenkomstige thermische weerstandsrelatie is:
RθJA = RθJC + RθCS + RθSA
Waar:
- RθJA = thermische weerstand van junction naar omgeving
- RθJC = thermische weerstand van junction naar behuizing
- RθCS = thermische weerstand van behuizing naar koellichaam
- RθSA = thermische weerstand van koellichaam naar omgeving
De maximaal toegestane totale thermische weerstand kan eerst worden geschat met behulp van:
RθJA = (Tj − Ta) / P
Daarom wordt de vereiste voor het koellichaam als volgt:
RθSA ≤ (Tj − Ta) / P − RθJC − RθCS
Neem bijvoorbeeld aan dat een component 30 W dissipeert, de gewenste junction-temperatuur 100 °C is en de maximale omgevingstemperatuur 40 °C. De totale toegestane thermische weerstand van junction naar omgeving is:
(100 − 40) / 30 = 2°C/W
Als het component een RθJC heeft van 0,6 °C/W en de interface nog eens 0,2 °C/W bijdraagt, dan zou het koellichaam ongeveer moeten leveren:
2 − 0,6 − 0,2 = 1,2 °C/W of lager
Deze berekening biedt ingenieurs een handig doelwit bij het vergelijken van commerciële of op maat gemaakte koellichaamontwerpen.
Gebruik de thermische weerstand van een koellichaam niet zonder de testomstandigheden te controleren
Een gepubliceerde waarde voor een koellichaam, zoals 0,8 °C/W, vertelt niet het volledige verhaal tenzij de testomstandigheden bekend zijn. De thermische weerstand van een koellichaam verandert aanzienlijk met de luchtstroom.
Een koellichaam kan uitstekende prestaties leveren bij een bepaalde luchtsnelheid, maar aanzienlijk slechtere prestaties bij stilstaande lucht. Om deze reden geven fabrikanten vaak thermische weerstandskrommen weer, uitgezet tegen de luchtstroomsnelheid.
Bij de selectie van een geforceerde luchtstroomkoellichaam moet worden gecontroleerd of de opgegeven thermische weerstand is gemeten bij 100, 200, 400 of een andere LFM-luchtstroomsnelheid. Men mag er niet vanuit gaan dat het koellichaam dezelfde thermische weerstand levert wanneer het wordt geïnstalleerd in een behuizing met een zwakkere luchtstroom.
De luchtstroom die daadwerkelijk de vinnen bereikt, is belangrijker dan de vrij-lucht-CFM die op de ventilatorspecificatie staat. Filters, roosters, leidingen, kabels, naburige printplaten, dichte vinnen en behuizingsbeperkingen veroorzaken allemaal drukverliezen en verminderen de stroom.
Moet u kiezen voor een passief of actief koellichaam?
Passieve koellichamen maken gebruik van natuurlijke convectie. Lucht die in contact komt met de hete vinnen wordt warmer, verliest dichtheid en stijgt op. Koelere omgevingslucht neemt vervolgens de plaats in. Passieve koeling bevat geen ventilator en biedt daarom een laag geluidsniveau, weinig onderhoud en hoge mechanische betrouwbaarheid.
Echter, natuurlijke convectie zorgt voor een relatief lage luchtstroom. Passieve koellichamen hebben meestal meer oppervlak en een groter fysiek volume nodig om dezelfde hoeveelheid warmte af te voeren als een systeem met geforceerde luchtstroom.
Actieve koellichamen gebruiken een ventilator of blower om lucht door of over de vinnen te dwingen. Een verhoogde luchtstroom verlaagt de thermische weerstand tussen het koellichaam en de lucht en maakt het mogelijk om aanzienlijk meer warmte af te voeren uit een kleinere behuizing.
De nadelen zijn ventilatorgeluid, elektrisch stroomverbruik, stofophoping, extra componenten en overwegingen omtrent de levensduur van de ventilator. Systemen die zeer hoge betrouwbaarheid vereisen, geven daarom vaak de voorkeur aan een grotere passieve oplossing wanneer de ruimte dit toelaat.
Speelt de oriëntatie van het koellichaam een rol?
Oriëntatie kan bij passieve koellichamen van groot belang zijn. Bij natuurlijke convectie moet de lucht een duidelijke verticale weg hebben, zodat warme lucht tussen de vinnen kan opstijgen en ontsnappen.
Verticale vinnen werken meestal beter dan een geometrie die horizontale zakken creëert waarin warme lucht vastzit. De behuizing moet bovendien voldoende ruimte bieden zodat koelere lucht onder het koellichaam kan binnendringen en warmere lucht erboven kan ontsnappen.
Oriëntatie wordt over het algemeen minder belangrijk wanneer er voldoende sterke geforceerde luchtstroom wordt gebruikt, omdat de ventilator de voornaamste luchtstroomrichting bepaalt. In dat geval is het belangrijkere vereiste om de lamellenkanalen uit te lijnen met de geforceerde luchtstroom in plaats van met de zwaartekracht.
Zijn meer vinnen op het koellichaam altijd beter?
Nee. Het toevoegen van lamellen vergroot het oppervlak, maar een te smalle lamellenspacing kan de luchtstroom beperken.
Dit is vooral belangrijk bij passieve systemen. Als de ruimtes tussen de lamellen te smal zijn, kan natuurlijke convectie niet genoeg druk genereren om de lucht effectief door de kanalen te laten stromen. Een koellichaam met veel dicht opeengepakte lamellen kan daarom slechter presteren dan een met minder, breder gespreide lamellen.
Geforceerde luchtkoeling verandert de ontwerpsamenhang, omdat een ventilator meer luchtstroomweerstand kan overwinnen. Een hogere lamellendichtheid kan dan aanzienlijk extra oppervlak bieden, mits de ventilator of blower voldoende druk produceert om de lucht door de kanalen te duwen.
De lamellenspacing moet daarom samen met de luchtstroom worden ontworpen en niet als een onafhankelijke dimensie worden behandeld.
Hoe beïnvloedt de lamellendikte de prestaties van een koellichaam?
Extreem dunne lamellen maken het mogelijk om meer lamellen in de beschikbare breedte te plaatsen, maar dunne lamellen zorgen niet automatisch voor betere koeling.
Warmte moet van de basis doorheen de volledige hoogte van elke lamel geleid worden. Als een lamel te dun of te hoog wordt, kan het buitenste gedeelte aanzienlijk kouder zijn dan de basis, waardoor de efficiëntie van de lamel afneemt. Dunne lamellen zijn bovendien moeilijker en duurder te bewerken uit massief materiaal.
Vanuit het perspectief van CNC-fabricage vereisen diepe, smalle kanalen snijgereedschappen met een kleine diameter en een lange bereik. Deze gereedschappen zijn flexibeler maar ook kwetsbaarder voor trillingen of breuk. De bewerkingstijd neemt bovendien toe, omdat elke groef afzonderlijk bewerkt moet worden.
Voor een op maat gemaakt CNC-koellichaam raadt Tuofa CNC Duitsland aan om de thermische vereisten samen met de beschikbare snijderdiameter, groefdiepte, lamellendikte, lamellenhoogte en minimale gereedschapsspeling te evalueren voordat de geometrie definitief wordt vastgesteld.
Aluminium versus koperen koellichamen
Aluminium is het meest gebruikte materiaal voor koellichamen omdat het een goede thermische geleidbaarheid combineert met een lage dichtheid, gematigde kosten, corrosiebestendigheid en uitstekende bewerkbaarheid.
6061-aluminium wordt vaak gekozen voor op maat gemaakte CNC-bewerkte koellichamen omdat het goed bewerkbaar is en goede mechanische eigenschappen biedt. 6063-aluminium wordt vaak geassocieerd met geëxtrudeerde koellichamen omdat het goede extrusie-eigenschappen en een nuttige thermische geleidbaarheid biedt.
Koper geleidt warmte beter dan aluminium en kan geconcentreerde warmtebelastingen effectiever over een basisplaat verspreiden. Dit kan waardevol zijn voor high-power componenten met een klein contactoppervlak.
Koper is echter ongeveer drie keer zo dicht als aluminium, kost meer en vereist meer bewerkingsinspanning. Een volledige koperen koellichaam is daarom mogelijk overbodig wanneer aluminium al voldoet aan de vereiste thermische weerstand.
Hybride ontwerpen zijn een andere optie. Sommige hoogwaardige koelsystemen gebruiken een koperen warmteverdelingsplaat of -basis in combinatie met aluminium lamellen om warmteverspreiding te combineren met een lager gewicht.
Wat is thermisch interface-materiaal en waarom is het belangrijk?
De oppervlakken van een componentpakket en een koellichaam zien er met het blote oog misschien glad uit, maar microscopische pieken en dalen voorkomen perfect contact tussen metaal en metaal. Lucht die in deze spleten gevangen zit, heeft een slechte thermische geleidbaarheid.
Thermisch interface-materiaal, of TIM, vult deze microscopische holtes en vermindert de thermische contactweerstand.
Veelvoorkomende interface-materialen zijn onder meer thermische vet, thermische pasta, thermische pads, gap fillers, fase‑veranderende materialen en thermisch geleidende elektrische isolatiepads.
Het doel van thermische pasta is niet om een dikke warmtegeleidende laag te vormen. Ze moet normaal gesproken alleen de kleine oppervlakte‑onvolkomenheden tussen de aaneengesloten oppervlakken opvullen. Te dikke pasta kan de warmte‑stroomafstand vergroten en de prestaties verminderen.
De vlakheid en oppervlakte‑conditie van het montagevlak van het koellichaam zijn daarom belangrijk. Precisie‑CNC-bewerking kan zorgen voor een gecontroleerd contactoppervlak van het component, een nauwkeurige positie van de montagelagers en lokale vlakheid daar waar de thermische interface dit vereist.
Kunnen meerdere MOSFET’s of transistoren één koellichaam delen?
Ja. Meerdere vermogenscomponenten worden vaak gemonteerd op een gemeenschappelijke koellichaam, maar bij de berekening moet rekening worden gehouden met hun gecombineerde warmtebelasting.
De thermische paden van de junction naar de behuizing en van de behuizing naar het koellichaam behoren tot elk afzonderlijk apparaat, terwijl het koellichaam zelf een gedeeld thermisch pad vormt naar de omgevingslucht. Als meerdere componenten tegelijkertijd warmte genereren, verhoogt hun gecombineerde vermogen de temperatuur van het koellichaam.
Elektrische isolatie is een ander belangrijk aspect. De metalen aansluiting op veel vermogenshalfgeleiderpakketten is elektrisch verbonden met één terminal van het apparaat. Het direct monteren van meerdere componenten op hetzelfde geleidende koellichaam kan onbedoeld hun elektrische knooppunten met elkaar verbinden.
Daarom kunnen thermisch geleidende isolerende pads, geïsoleerde busjes of andere isolatiemethoden nodig zijn. Hun thermische weerstand dient vervolgens in de berekening te worden opgenomen.
Koelt een groter koellichaam altijd beter?
Het vergroten van het oppervlak van het koellichaam helpt over het algemeen, maar de grootte alleen bepaalt niet de prestaties.
Een groot koellichaam kan nog steeds slecht presteren wanneer de luchtstroom wordt geblokkeerd, de vinnen te dicht op elkaar staan, de warmteverspreiding door de basis zwak is of de interface tussen het component en het koellichaam een te hoge thermische weerstand vertoont.
Bovendien kunnen er afnemende rendementen optreden. Een koellichaam ver uit de buurt van een kleine, geconcentreerde warmtebron verlengen garandeert niet dat het gehele extra oppervlak op dezelfde temperatuur werkt. De warmte moet eerst door de basis verspreid worden voordat de verder gelegen vinnen effectief kunnen bijdragen.
Voor compacte hoogvermogenssystemen kunnen heat pipes, dampkamers, dikkere warmteverspreiders of materialen met een hogere geleidbaarheid soms de temperatuurverdeling beter verbeteren dan simpelweg het externe formaat vergroten.
Welke productiemethode voor koellichamen moet u kiezen?
De geometrie van het koellichaam staat nauw in verband met de productiemethode.
Extruded Heat Sinks
Extrusie wordt veel gebruikt voor aluminiumkoellichamen met een constante doorsnede. Zodra er een extrusiedie bestaat, kunnen lange profielen efficiënt geproduceerd en op verschillende lengtes gesneden worden. Extrusie is daarom aantrekkelijk voor middelgrote en grote productievolumes.
Echter beperkt extrusie de relatie tussen vinkleur, vinkhoogte, -afstand en de algehele geometrie. Secundaire CNC-bewerking kan nog steeds nodig zijn voor montagegaten, uitsparingen, schroefdraad, componentoppervlakken of connectorfuncties.
Geschaafde koellichamen
Skiving vormt dunne vinnen rechtstreeks uit een metalen basis. Het kan een hoge vinkracht creëren, terwijl het een continue metalen verbinding tussen de vinnen en de basis behoudt. Skivede koellichamen worden vaak gekozen voor toepassingen die dichte vinnen en krachtige geforceerde luchtkoeling vereisen.
Gekoppelde vinnen-koellichamen
Bij de bonded-fin-constructie worden afzonderlijk vervaardigde vinnen aan een basis bevestigd. Dit maakt grote afmetingen en een hoge vin-dichtheid mogelijk, maar introduceert een interface tussen de vin en de basis die een goede thermische geleidbaarheid moet behouden.
Gesmede en gestanste koellichamen
Smeden kan op productieschaal efficiënt pin-fin- en andere driedimensionale koellichaamgeometrieën produceren. Gestanste plaatmetaal-koellichamen zijn over het algemeen geschikter voor relatief laagvermogen-toepassingen waarbij lage kosten belangrijk zijn.
CNC-bewerkte koellichamen
CNC-bewerking is bijzonder nuttig voor prototypes, op maat gemaakte koellichamen, productie in kleine series en ontwerpen die koelfuncties combineren met structurele of montagefuncties.
Een CNC-bewerkt koellichaam kan in één en dezelfde onderdeel draadgaten, verzonken gaten, ruimtes voor connectoren, montagemannetjes, uitsparingen, afdichtingsvlakken, positioneringsfuncties, contactvlakken voor precisiecomponenten en niet-standaard externe geometrie bevatten.
Het grootste nadeel is de bewerkingskosten. Elke smalle groef vereist beweging van het snijgereedschap en machine tijd. Een koellichaam dat tientallen zeer diepe, dunne groeven bevat, kan daarom duur worden om uit massief materiaal te frezen.
Voor productievolumes is een praktische aanpak om een aluminium extrusie te gebruiken voor de primaire vinstructuur en CNC-bewerking alleen toe te passen op de functionele interfaces.
Welke oppervlakteafwerking moet worden gebruikt voor een aluminium koellichaam?
Koellichamen kunnen in bewerkte of als-extrudeerde toestand worden gebruikt, maar aluminium wordt ook vaak geanodiseerd.
Zwart anodiseren biedt bescherming tegen corrosie, slijtvastheid en een uniforme uitstraling. Een donker geanodiseerd oppervlak heeft bovendien een hogere emissiviteit dan blank aluminium, wat de stralingscomponent van warmteoverdracht kan verbeteren, met name bij passieve koeltoepassingen.
Echter, straling is slechts één onderdeel van de totale warmteoverdracht. In een sterk geforceerd luchtstroom-systeem domineert convectie meestal; daarom vervangt het veranderen van de kleur van de heatsink geen goed ontwerp van de vinnen en de luchtstroom.
Ook moet de oppervlaktebehandeling worden overwogen op het montagevlak van het component. Als een minimale thermische contactweerstand cruciaal is, dienen de tekeningen duidelijk aan te geven of het montagevlak geanodiseerd, gemaskeerd, selectief na afwerking bewerkt of elektrisch geleidend gelaten wordt.
Tuofa CNC Duitsland kan aluminium heatsinks vervaardigen met CNC-frezen, boren, tappen, precisiemontagevlakken, kogelstraalbehandeling en anodiseren, afgestemd op de functionele eisen van de assemblage.
Veelvoorkomende fouten bij het kiezen van een koellichaam
Een veelvoorkomende fout is het kiezen van een heatsink uitsluitend op basis van de externe afmetingen. Thermische weerstand en de werkelijke luchtstroomcondities zijn veel relevanter dan alleen de grootte.
Een andere fout is het gebruiken van kamertemperatuur als omgevingstemperatuur, terwijl het uiteindelijke apparaat zich in een warme behuizing bevindt.
Ingenieurs kunnen ook een geforceerde luchtstroom-thermische weerstand gebruiken, terwijl het uiteindelijke systeem weinig of geen luchtstroom heeft. Omgekeerd garandeert het toevoegen van een ventilator niet automatisch de gepubliceerde koelverbetering als de behuizing voorkomt dat de ventilator lucht door de vinnen duwt.
Andere veelvoorkomende fouten zijn het te dicht opeen pakken van passieve vinnen, het gebruik van te dikke thermische pasta, het negeren van de interface-weerstand, het niet rekening houden met meerdere warmtegenererende componenten die dezelfde luchtstroom delen, en het ontwerpen van CNC-vinnen die onnodig dun of diep zijn.
Thermische simulatie kan waardevol zijn voor complexe systemen, maar definitieve validatie blijft belangrijk, omdat daadwerkelijke ventilatorcurves, lekkages in leidingen, oppervlaktecontact, productietoleranties, stof en naburige componenten de werkelijke prestaties kunnen beïnvloeden.
Hoe u stap voor stap de juiste heatsink kiest
- Bereken de werkelijke maximale warmte die door het component wordt gegenereerd.
- Bepaal de maximaal verwachte omgevingstemperatuur of de inlaattemperatuur van de behuizing.
- Kies een doeltemperatuur voor de junction of het component met een geschikte ontwerpmarge.
- Verkrijg de thermische weerstand tussen junction en behuizing uit de datasheet van het component.
- Schat de weerstand tussen behuizing en heatsink, veroorzaakt door de TIM en het montagesysteem.
- Bereken de maximaal acceptabele thermische weerstand tussen heatsink en omgeving.
- Beslis of natuurlijke convectie aan dit doel kan voldoen of dat geforceerde luchtstroom noodzakelijk is.
- Kies aluminium, koper of een hybride constructie op basis van geleidbaarheid, gewicht, ruimte en kosten.
- Optimaliseer de hoogte, dikte, afstand en oriëntatie van de vinnen voor de verwachte luchtstroom.
- Controleer de beperkingen van de behuizing en de werkelijke luchtstroom die door de lamellen stroomt.
- Kies een productieproces dat geschikt is voor de geometrie en de productiehoeveelheid.
- Maak een prototype en meet de temperaturen onder realistische worst-case bedrijfsomstandigheden.
Wanneer moet u kiezen voor een op maat gemaakte CNC-gefreeste koellichaam?
Een standaard geëxtrudeerd koellichaam is meestal de meest economische oplossing wanneer een gangbaar profiel past binnen de beschikbare ruimte. Een op maat gemaakt CNC-koellichaam wordt aantrekkelijker wanneer thermisch beheer rechtstreeks in het mechanische ontwerp moet worden geïntegreerd.
Dit komt vaak voor wanneer een onderdeel ongewone externe afmetingen vereist, nauwkeurige montagegaten, meerdere contactvlakken voor componenten, geïntegreerde uitsparingen, speciale ruimte voor connectoren, lokale controle over wanddiktes, schroefdraadmontagefuncties of een behuizing die tevens als koellichaam dient.
CNC-bewerking is ook nuttig tijdens de ontwikkeling, omdat de geometrie kan worden aangepast zonder een speciaal extrusie-, smeed- of stempelgereedschap te hoeven vervaardigen.
Bij Tuofa CNC Duitsland kunnen op maat gemaakte aluminium- en koperen thermische componenten worden beoordeeld op zowel de haalbaarheid van de bewerking als de functionele eisen. Voor diepe lamellenstructuren kan het verlagen van onnodige groefdieptes, het vergroten van de gereedschapsruimte of het gebruik van een extrusie in combinatie met secundaire CNC-bewerking de kosten aanzienlijk verlagen zonder afbreuk te doen aan de vereiste montagemogelijkheden.
Veelgestelde vragen over het kiezen van een koellichaam
Hoeveel watt kan een koellichaam afvoeren?
Er bestaat geen vaste wattageclassificatie die onafhankelijk van de temperatuur geldt. De hoeveelheid vermogen die een koellichaam kan afvoeren, hangt af van zijn thermische weerstand en het temperatuurverschil tussen het koellichaam en de omgevingslucht. Een koellichaam met een bepaalde °C/W-waarde dient altijd te worden beoordeeld in relatie tot de verwachte omgevingstemperatuur en de toegestane apparaattemperatuur.
Kan ik de prestaties van een koellichaam berekenen op basis van alleen de afmetingen?
Afmetingen kunnen een ruwe schatting geven, maar voor een betrouwbare selectie dienen geteste thermische-weerstandgegevens, simulatie of fysieke validatie te worden gebruikt. Convectie hangt af van de geometrie, oriëntatie, luchtstroom, oppervlakteconditie, locatie van de warmtebron en omgevingsomstandigheden.
Verbeterd een ventilator altijd de werking van een koellichaam?
Luchtstroom verlaagt normaal gesproken de thermische weerstand, maar de mate van verbetering hangt af van de vraag of de lucht daadwerkelijk door de lamellenkanalen stroomt. Een ventilator met een hoge vrij-lucht-CFM kan nog steeds slecht presteren bij een restrictief koellichaam of behuizing. De drukcapaciteit van de ventilator en de luchtstroomweerstand van het systeem dienen daarom samen in overweging te worden genomen.
Moet de ventilator van een koellichaam naar de lamellen toe of ervan weg blazen?
Beide configuraties kunnen werken. Het belangrijkste is om een gecontroleerde luchtstroom door de actieve lamellenoppervlakken te creëren en te voorkomen dat warme uitlaatlucht terug in de inlaat wordt geduwd. De beste opstelling hangt af van de lamellenstructuur, de leidingen, het type ventilator en de omgevende behuizing.
Moeten de vinnen van een koellichaam verticaal zijn?
Voor passieve natuurlijke convectiekoeling zijn verticale kanalen over het algemeen te prefereren, omdat ze warme lucht vrij laten opstijgen. Bij sterke geforceerde luchtstroom dienen de lamellen daarentegen voornamelijk in de richting van de beoogde luchtstroom te worden uitgelijnd.
Is koper altijd beter dan aluminium voor koellichamen?
Nee. Koper heeft een hogere thermische geleidbaarheid, maar aluminium is lichter, goedkoper, makkelijker te vervaardigen en biedt vaak voldoende thermische prestaties. Het materiaal moet worden gekozen op basis van de volledige eisen op het gebied van thermiek, mechanica, gewicht en kosten, en niet alleen op grond van de geleidbaarheid.
Kan een koellichaam te groot zijn?
Een groter koellichaam biedt over het algemeen meer oppervlakte, maar extra grootte kan een afnemend thermisch voordeel opleveren wanneer de warmte niet efficiënt door de constructie kan verspreiden of wanneer de luchtstroom de extra lamellen niet bereikt. Ruimte, gewicht, luchtstroom, kosten en warmteverspreiding dienen allemaal in overweging te worden genomen.
Welke informatie moet worden verstrekt bij het bestellen van een op maat gemaakt koellichaam?
Verstrek de 2D-tekening of het 3D-CAD-model, het materiaal van het koellichaam, de algehele afmetingen, de dikte en de onderlinge afstand van de lamellen, de montagegebieden voor componenten, de vereiste vlakheid, montagelopen, schroefdraad, de hoeveelheid, de oppervlakteafwerking en eventuele belangrijke thermische eisen. Indien mogelijk, verstrek ook de warmtebelasting, de doeltemperatuur en de verwachte luchtstroom, zodat productiegerelateerde beslissingen niet in strijd zijn met het thermische ontwerp.
Conclusion
De juiste koellichaam wordt bepaald door het volledige thermische pad en niet door één enkel materiaal of afmeting. Begin met de werkelijke warmteafvoer van het apparaat, de toegestane temperatuur en de omgevingstemperatuur tijdens bedrijf. Gebruik deze waarden om de vereiste thermische weerstand te bepalen, en evalueer vervolgens de luchtstroom, de vinnenconfiguratie, het materiaal, de interface-weerstand, de oriëntatie, de montage en de behuizingsomstandigheden.
Voor prototypes en toepassingen met een laag volume biedt CNC-bewerking aanzienlijke flexibiliteit, omdat het koellichaam zowel thermische als mechanische functies kan integreren zonder speciale productiegereedschappen. Voor grotere hoeveelheden kunnen geëxtrudeerde of andere gevormde koellichaamstructuren, gecombineerd met secundaire CNC-bewerking, een betere balans tussen prestaties en kosten bieden.
Wanneer het koellichaam wordt beschouwd als onderdeel van het complete thermische systeem in plaats van als een geïsoleerd metalen component, wordt het veel eenvoudiger om een ontwerp te maken dat zowel vervaardigbaar is als betrouwbare bedrijfstemperaturen kan handhaven.