Uygulamanız için Isı Emici Boyutu Nasıl Hesaplanır
Isı emici boyutunu hesaplamak için önce bileşen bağlantı noktası ile ortam havası arasında gereken toplam termal direnci belirlemeli, ardından izin verilen maksimum sıcaklık artışını güç dağılımına bölmelisiniz. Bu hesaplama, bir ısı emicinin performans eğrisi veya teknik veri sayfasıyla eşleştirdiğiniz gerekli termal direnç değerini (°C/W cinsinden) verir. Ortam sıcaklığının üzerinde 50 °C izin verilen sıcaklık artışına sahip 10 W'lık bir işlemci için, doğal taşınımla yaklaşık 75 mm x 75 mm x 25 mm boyutlarında ekstrüde alüminyum bir profile karşılık gelen 5,0 °C/W veya daha düşük termal dirence sahip bir ısı emiciye ihtiyacınız vardır.
Isı Emici Boyutlandırması İçin Temel Formül Nedir?
Temel denklem basit bir termal devre analojisidir: Tj = Ta + (P x Rth), burada Tj bağlantı sıcaklığı, Ta ortam sıcaklığı, P watt cinsinden güç dağılımı ve Rth bağlantı noktasından ortama toplam termal dirençtir. İzin verilen maksimum toplam termal direnci bulmak için formülü Rth(maks) = (Tj(maks) - Ta) / P olarak yeniden düzenleyin. Bu toplam direnç, üç seri direncin toplamıdır: bağlantı-kasa (Rth-jc), kasa-yüzey (Rth-cs) ve yüzey-ortam (Rth-sa). Çoğu hesaplama için, geometri ve malzeme yoluyla kontrol edebileceğiniz tek değer olan ısı emicinin kendi termal direnci olan Rth-sa'yı çözersiniz.
Pratik bir örnek olarak, maksimum bağlantı sıcaklığı 150 °C ve ortam sıcaklığı 50 °C olan 15 W ısı üreten bir MOSFET'i ele alalım. İzin verilen sıcaklık artışı 100 °C'dir ve toplam Rth 6,67 °C/W verir. Bağlantı-kasa direnci 0,5 °C/W ve kasa-yüzey arayüzü (termal macunla) 0,2 °C/W ise, gereken yüzey-ortam direnci 5,97 °C/W'dir. Ardından, belirli hava akışı koşullarınız altında teknik veri sayfası değeri 6,0 °C/W veya daha düşük olan bir ısı emici seçersiniz.
Termal Direnci Fiziksel Boyutlara Nasıl Dönüştürürsünüz?
Ekstrüde alüminyum ısı emicilerle doğal taşınım için kullanışlı bir kural, 1 °C/W termal direncin yaklaşık 100 ila 150 santimetrekare yüzey alanı gerektirmesidir. 2 m/s hava akışıyla zorlanmış taşınım için gereken yüzey alanı, 1 °C/W başına kabaca 40 ila 60 santimetrekareye düşer. Bu alan hedeflerinden uzunluk, genişlik ve kanat yüksekliğini türetebilirsiniz. Örneğin, 5 °C/W doğal taşınımlı bir ısı emici, 100 mm x 100 mm taban plakası ve 20 mm yüksekliğinde 12 kanatla elde edilebilecek yaklaşık 500 ila 750 cm² toplam ıslak yüzey alanına ihtiyaç duyar.
Ekstrüde profiller tipik olarak 10 mm ile 40 mm arasında kanat yüksekliklerine, 1,5 mm ile 3,0 mm arasında kanat kalınlıklarına ve 5 mm ile 10 mm arasında kanat aralığına (merkezden merkeze mesafe) sahiptir. Doğal taşınım için, sınır tabakası girişimini azaltmak amacıyla 7 ila 10 mm arasındaki daha geniş kanat aralığı tercih edilir. Zorlanmış taşınım için, 4 ila 6 mm arasındaki daha sıkı aralık, birim hacim başına yüzey alanını artırır. Taban plakası kalınlığı, eşit ısı dağılımı için en az 5 mm olmalıdır, ancak 25 mm'den büyük ısı kaynakları için 8 ila 10 mm önerilir.
Hesaplamada Ortam Sıcaklığı ve Rakım Neden Önemlidir?
Ortam sıcaklığı, ısı emici yüzeyi ile çevredeki hava arasındaki, ısı dağılımının itici gücü olan mevcut sıcaklık farkını doğrudan azaltır. Ortam sıcaklığınız 25 °C yerine 70 °C ise, 125 °C bağlantı sınırı için izin verilen sıcaklık artışı 100 °C'den 55 °C'ye düşer; bu da aynı güç için kabaca iki kat daha fazla yüzey alanına ihtiyacınız olduğu anlamına gelir. Daha yüksek rakımlarda hava yoğunluğu azalır ve konvektif ısı transfer katsayısı, 300 metre yükselti artışı başına yaklaşık yüzde 2 ila 3 oranında düşer. 3000 metre rakımda, aynı performans için deniz seviyesine kıyasla yüzde 20 ila 30 daha fazla yüzey alanına ihtiyacınız olabilir.
Doğal taşınım için ısı transfer katsayısı, yönelime ve kanat geometrisine bağlı olarak tipik olarak 5 ile 15 W/(m²·K) arasındadır. Zorlanmış taşınım için katsayı, hava hızına bağlı olarak 20 ile 100 W/(m²·K) arasında değişir. Çoğu termal simülasyon ve teknik veri sayfası değeri, havanın 20 ila 25 °C olduğu deniz seviyesi koşullarını varsayar. Isı emici performansınızı, 25 °C ortam sıcaklığının üzerindeki her 15 °C için yüzde 10 ve deniz seviyesinin üzerindeki her 1000 metre için yüzde 10 oranında düşürmeyi her zaman unutmayın.
Isı Emiciniz İçin Hangi Malzemeyi Seçmelisiniz?
Alüminyum 6063-T5, kilogram başına 3 ila 6 ABD doları maliyetle yaklaşık 200 W/(m·K) termal iletkenlik sunan ekstrüde ısı emiciler için endüstri standardıdır. Bakır 385 W/(m·K) sağlar ancak kilogram başına 8 ila 15 ABD dolarına mal olur ve 3,3 kat daha ağırdır; bu nedenle yalnızca alanın son derece kısıtlı olduğu durumlarda kullanılır. Alüminyum 6061-T6 biraz daha güçlüdür ancak aynı termal iletkenliğe sahiptir; ADC12 döküm alüminyum ise gözeneklilik ve alaşım içeriği nedeniyle yaklaşık 96 W/(m·K) gibi daha düşük bir iletkenliğe sahiptir ve daha düşük kalıp maliyetlerine rağmen daha az verimlidir.
Yüksek hacimli uygulamalar için alüminyum ekstrüzyon kalıp maliyetleri profil başına 800 ila 3000 ABD doları arasındadır ve teslim süreleri 2 ila 4 haftadır. Döküm ısı emiciler 10.000 ila 50.000 ABD doları arasında kalıp maliyeti gerektirir ancak daha karmaşık şekiller sunar. BQUQ'nun üretim hattında yaygın olan damgalanmış alüminyum kanat düzenekleri, yılda 10.000 adedin üzerindeki hacimler için daha düşük birim maliyetle katı ekstrüzyonların termal performansının yüzde 10 ila 15'i içinde performans sunar. Tıraşlanmış bakır ısı emiciler, saf bakıra yakın 380 W/(m·K) iletkenlik sağlar ancak ekstrüde alüminyumdan yüzde 30 ila 50 daha pahalıdır.
Belirli Bir Güç Dağılımı İçin Ne Kadar Yüzey Alanına İhtiyacınız Var?
Aşağıdaki tablo, deniz seviyesinde ortam sıcaklığının 30 °C üzerinde bir sıcaklık artışıyla doğal taşınımlı alüminyum ısı emiciler için ampirik yüzey alanı gereksinimlerini sağlar. Bu değerler, yayma oranını 0,1'den (çıplak alüminyum) 0,9'a çıkararak radyatif ısı transferini yüzde 20 ila 30 artıran siyah eloksallı bir yüzey varsayar.
| Güç Dağılımı (W) | Gerekli Yüzey Alanı (cm²) | Tipik Isı Emici Boyutu (mm) | Tahmini Rth-sa (°C/W) |
| 5 | 200 | 60 x 60 x 15 | 6,0 |
| 10 | 350 | 75 x 75 x 25 | 5,0 |
| 15 | 500 | 100 x 100 x 25 | 4,0 |
| 20 | 650 | 120 x 120 x 30 | 3,0 |
| 30 | 950 | 150 x 150 x 35 | 2,5 |
| 50 | 1600 | 200 x 200 x 40 | 1,8 |
| 75 | 2400 | 250 x 250 x 45 | 1,2 |
2 m/s hava akışıyla zorlanmış taşınım için gereken yüzey alanını 2,5 ila 3,0'a bölün. 5 m/s hava akışı için 4,0 ila 5,0'a bölün. Bu çarpanlar, hava akışının minimum tıkanıklıkla kanat kanalları boyunca yönlendirildiğini varsayar. Uygulamanızda kısıtlı hava akışı varsa veya ısı emici bir muhafaza içine kapatılmışsa, yüzey alanını yüzde 50 artırın.
Temas Direnci ve Termal Arayüz Malzemelerini Nasıl Hesaba Katarsınız?
Isı kaynağı ile ısı emici tabanı arasındaki arayüz, yüzey düzlüğüne, basınca ve kullanılan termal arayüz malzemesine (TIM) bağlı olarak 0,1 ila 1,0 °C/W arasında katkıda bulunur. 25 mm x 25 mm bir kalıp üzerinde 1,5 W/(m·K) iletkenliğe sahip 0,1 mm'lik bir termal macun tabakası yaklaşık 0,1 °C/W sağlar. Faz değiştiren malzemeler ve termal pedler 1,0 ila 5,0 W/(m·K) arasında değişir ancak kalınlıkları nedeniyle 0,2 ila 0,5 °C/W ekler. En iyi performans için, 10 ila 30 psi montaj basıncıyla eşit şekilde uygulanan 25 µm ila 50 µm'lik bir termal macun tabakası kullanın.
Isı emici tabanının yüzey düzlüğü, optimum temas için 0,05 mm veya daha iyi olmalıdır. BQUQ, ısı emici tabanlarını 100 mm uzunlukta 0,02 mm düzlük toleransına kadar işleyerek minimum arayüz direnci sağlar. Tek bir yüzeye birden fazla ısı kaynağı monte etmeniz gerekiyorsa, bunları en az 10 mm aralıklarla yerleştirin ve termal bağlanmayı önlemek için en az 8 mm taban kalınlığı kullanın. Yüksek güçlü IGBT modülleri için, katı alüminyuma kıyasla yayılma direncini yüzde 50 azaltabilen buhar odalı veya ısı borulu ısı emicileri düşünün.
Daha Büyük Bir Isı Emici Yerine Aktif Soğutmayı Ne Zaman Düşünmelisiniz?
Gerekli Rth-sa değeriniz 1,0 °C/W'nin altındaysa ve ısı emici hacmi 500 cm³'ü aşıyorsa, fanlı zorlanmış taşınım genellikle pasif bir ısı emiciden daha uygun maliyetlidir. 3000 RPM'de 10 m³/h hava akışı sağlayan 40 mm x 40 mm'lik bir fan, gereken yüzey alanını yüzde 60 azaltarak ısı emici hacmini 500 cm³'ten 200 cm³'e düşürebilir. Fanlar 1 ila 5 W güç tüketimi ve 30.000 ila 70.000 saat arasında ortalama arıza süresi ekler; bu, endüstriyel ekipmanlar için kabul edilebilir ancak sızdırmaz tüketici elektroniği için kabul edilemez.
Isı kaynağında 50 W/cm²'nin üzerindeki güç yoğunlukları için, soğuk plaka ve radyatörle 0,05 ila 0,2 °C/W elde eden sıvı soğutmayı düşünün. Isı boruları, ısıyı sınırlı bir kaynaktan uzak bir kanat yığınına taşımada etkilidir ve boru başına tipik kapasite 50 ila 100 W'dir. Karar kriteri basittir: pasif soğutma için gereken ısı emici hacmi 1 litreyi veya ağırlık 2 kilogramı aşarsa, aktif soğutma veya ısı boruları toplam sistem maliyetini ve alanını azaltacaktır.
Isı Emici Boyutunuzu Doğrulamak İçin Pratik Adımlar Nelerdir?
İlk olarak, Bölüm 1'deki formülü kullanarak tüm arayüz dirençlerini dahil ederek gerekli Rth-sa'yı hesaplayın. İkinci olarak, Bölüm 4'teki tabloyu kullanarak yüzey alanını tahmin edin ve ardından en az bu alanı sağlayan standart bir ekstrüzyon profili seçin. Üçüncü olarak, bilinen bir güç yüküyle ısı kaynağı üzerindeki bir termokupl ve ortam havasındaki ikinci bir termokupl kullanarak gerçek termal direnci ölçün. Dördüncü olarak, yönelim için ayarlama yapın: yatay kanatlar, azalan baca etkisi nedeniyle doğal taşınımda dikey kanatlardan yüzde 10 ila 15 daha kötü performans gösterir.
Kanat verimliliğini doğrulamak için bir CFD simülasyon aracı veya ampirik test kullanın; bu verimlilik alüminyum kanatlar için tipik olarak yüzde 70 ila 90 arasında değişir. Ölçülen sıcaklık artışınız hesaplanan değeri yüzde 15'ten fazla aşarsa, zayıf temas, yetersiz montaj basıncı veya tıkalı hava akışı olup olmadığını kontrol edin. Üretim doğrulaması için BQUQ, TIM'in dışarı pompalanmadığını ve ısı emicinin eğrilmediğini garantilemek için -40 °C'den 125 °C'ye 1000 döngülük bir termal çevrim testi önerir.
SSS
Küçük Bir Isı Emici İçin Makul Bir Termal Direnç Nedir?
Doğal taşınımlı 50 mm x 50 mm x 10 mm alüminyum bir ısı emici yaklaşık 8 ila 10 °C/W sağlar. Karşılaştırma için, 100 mm x 100 mm x 25 mm'lik bir yüzey 3 ila 4 °C/W ve 200 mm x 200 mm x 40 mm'lik bir yüzey 1,2 ila 1,8 °C/W sağlar.
Eloksal Kaplama Isı Emici Performansını Nasıl Artırır?
Siyah eloksal, yüzey yayma oranını 0,1'den 0,9'a çıkararak doğal taşınımda radyatif ısı transferini yüzde 20 ila 30 artırır. Eloksal katmanı elektriksel olarak yalıtkandır ve korozyona dayanıklıdır; 10 ila 25 µm kalınlıkta uygulandığında ölçülebilir bir termal direnç eklemez.
Termal Macun Olmadan Isı Emici Kullanabilir miyim?
Kullanabilirsiniz, ancak arayüz direnci, yalnızca 0,026 W/(m·K) termal iletkenliğe sahip hava boşlukları nedeniyle 0,1 °C/W'den 0,5 ila 1,0 °C/W'ye yükselecektir. Bu, etkili ısı emici performansını yüzde 30 ila 50 azaltabilir; bu nedenle termal macun veya ped şiddetle önerilir.
Ekstrüde Bir Isı Emici İçin Maksimum Kanat Yüksekliği Nedir?
Standart alüminyum ekstrüzyonlar, 1,5 mm kanat kalınlığı ve 1:50 yükseklik-genişlik oranıyla 75 mm'ye kadar kanat yükseklikleri elde edebilir. 75 mm'nin üzerindeki daha uzun kanatlar için
