Jak si vybrat hliníkový kryt s různými vlastnostmi rozptylu tepla pro elektronické produkty

Ve světě-výkonné elektroniky je teplo tím nejlepším tichým zabijákem. Jak se komponenty zmenšují a hustota výkonu stoupá, "tepelný rozpočet" zařízení často určuje jeho úspěch nebo neúspěch. Pro inženýry a produktové designéry, výběr toho správnéhohliníkové elektronické skříněuž nejde jen o estetiku nebo strukturální integritu{0}}je to zásadní rozhodnutí v oblasti řízení teploty.

Hliník je průmyslovým standardem z nějakého důvodu: nabízí výjimečný poměr pevnosti-k-hmotnosti a především vysokou tepelnou vodivost. Ne každý hliník je však stvořen sobě rovný. Od složení slitiny až po výrobní proces a povrchovou úpravu, každá proměnná mění, jak se teplo přenáší z vaší PCB do okolního vzduchu.

1. Fyzika proč vítězí hliník

Před výběrem slitiny je nezbytné pochopit, proč používáme hliník před jinými materiály, jako je ocel nebo plast. PodleZáklady přenosu tepla a hmotypodle Incropery a DeWitta závisí účinnost chladiče nebo krytu do značné míry na jeho tepelné vodivosti (κ).

• Polykarbonát/ABS ≈0.2 W/m·K
• Nerezová ocel 304 ≈16 W/m·K
• Hliníkové slitiny ≈ 90 – 230 W/m·K

Schopnost hliníku přenášet teplo je téměř 15krát větší než u nerezové oceli a stokrát větší než u plastu. Když umístíte své komponentyhliníkové elektronické skříně, celé šasi se stává „rozvaděčem tepla“, čímž se zvyšuje efektivní plocha povrchu pro konvekci.

2. Výběr slitiny: Sleva mezi vodivostí a zpracovatelností-

V průmyslu krytů dominují krajině tři specifické rodiny slitin. Výběr mezi nimi vyžaduje vyvážení tepelného výkonu se složitostí vašeho návrhu.

6063 Aluminium: The Extrusion King

Pokud váš návrh vyžaduje integrovaná chladicí žebra, 6063 je vaším primárním kandidátem. Často označovaný jako „architektonický hliník“ je vysoce extrudovatelný.

• Tepelná vodivost≈ 200-210 W/m·K.
• Nejlepší pro:Chladiče, kryty LED a modulární skříně-pro montáž do racku.
• Proč:Jeho vysoký obsah křemíku a hořčíku je optimalizován pro „protlačování“ matricemi při zachování vynikajících tepelných cest.

6061 Hliník: Strukturální síla

Pokud vaše skříň potřebuje odolat vysokému mechanickému namáhání nebo vyžaduje rozsáhlé CNC obrábění, je standardem 6061.

• Tepelná vodivost≈ 150-170 W/m·K.
• Nejlepší pro:Letecké komponenty, odolné průmyslové počítače a frézované-z-pevných (svalových) skříní.
• Proč:Zatímco jeho tepelná vodivost je zhruba o 20 % nižší než u 6063, jeho vynikající mez kluzu ho činí nepostradatelným pro ochranné kryty.

ADC12 / A380 (odlévané-litiny)

Pro velkoobjemovou{0}}výrobu se složitými 3D geometriemi je tlakové lití-nevýhodnější metodou z hlediska nákladů-. Za použití slévárenských slitin však platí „tepelná daň“.

Tepelná vodivost≈ 90-100 W/m·K.

Nejlepší pro:Automobilové ECU, telekomunikační zařízení a spotřební elektronika.

Proč:Vysoký obsah křemíku (až 12 %) nutný k tomu, aby roztavený kov proudil do složitých forem, narušuje krystalovou mřížku hliníku, což výrazně snižuje jeho schopnost vést teplo ve srovnání s tvářenými slitinami. [1]

3. Vliv výrobních procesů na tepelný odpor

Způsob, jakým si budujete svůjhliníkové elektronické skříněvytváří "odpory tepelného rozhraní." V termodynamice je celkový tepelný odpor systému součtem jednotlivých částí:

Pokud je kryt vyroben z více desek sešroubovaných dohromady, mikroskopické mezery mezi těmito deskami fungují jako izolátory.

1. CNC obráběné (monolitické):Vyřezání krytu z jednoho bloku 6061 poskytuje nejnižší tepelný odpor, protože zde nejsou žádné spoje. Teplo plynule proudí od soklu k vnějším stěnám.

2. Extrudované (na základě-profilu):Extrudované „rukávy“ poskytují vynikající boční tepelné cesty, ale vyžadují koncové-desky. Pokud je součást generující teplo-namontována na koncovou-desku namísto hlavního profilu, účinnost klesá.

3. Hra-Obsazení:Zatímco vodivost materiálu je nižší, schopnost odlévat „integrální“ kolíky a složitá žebra přímo na šasi může často kompenzovat nižší hodnotu κ materiálu drastickým zvětšením plochy povrchu pro konvekci.

4. Povrchová úprava: záření a emisivita

Obvyklá mylná představa v tomto odvětví je, že povrchová úprava je čistě pro „vzhled“. Ve skutečnosti povrch určuje krytemisivita, což je schopnost vyzařovat energii prostřednictvím záření.

PodleRada pro eloxování hliníkuHolý hliník má extrémně nízkou emisivitu (≈ 0,05), což znamená, že vyzařuje teplo.

• Eloxování (čiré nebo černé):Tento proces vytváří porézní oxidovou vrstvu, která může zvýšit emisivitu na ≈ 0,80 – 0,90. Navzdory běžným mýtům má barva zanedbatelný vliv na tepelný výkon ve vnitřním prostředí; však,Černé eloxováníje upřednostňován pro venkovní aplikace pro lepší řízení sluneční absorpce a infračerveného záření. [2]
• Práškové lakování:I když je práškové lakování esteticky všestranné, je v podstatě plastová vrstva. Působí jako tepelný izolant.
• Chromátová konverze (Alodine/Chem-film) :Vynikající pro udržení elektrické vodivosti (uzemnění) a zároveň nabízí střední odolnost proti korozi bez tepelné izolace silné práškové barvy.

5. Geometrická optimalizace: Žebra a tloušťka stěny

"Fin Efficiency" je kritický výpočet při návrhu chladiče. Pokud jsou ploutve příliš dlouhé a tenké, hroty se stanou nepoužitelnými, protože se k nim teplo nedostane. Pokud jsou příliš silné, zmenšují prostor dostupný pro proudění vzduchu.

VNávrh skříní pro elektroniku(odvětvový odkaz od Scotta, 2012), je třeba poznamenat, že pro přirozenou konvekci je vzdálenost mezi žebry důležitější než výška žeber. Pokud jsou žebra od sebe vzdálena méně než 6-8 mm, "mezní vrstvy" vzduchu se překrývají, škrtí proudění vzduchu a způsobuje přehřátí zařízení. [3]

Při navrhování vašehohliníkové elektronické skříně, zvažte orientaci. Teplo stoupá; proto vertikální ploutve vždy překonávají horizontální ploutve v přirozeném konvekčním prostředí.

6. Shrnutí: Rozhodovací matice

Závěr

Výběr správného materiálu prohliníkové elektronické skříněje multidimenzionální inženýrská výzva. Pochopením toho, že kryt není jen „krabice“, ale aktivní součást vašeho tepelného obvodu, můžete výrazně prodloužit životnost vaší elektroniky a předejít nákladným výpadkům pole.

Reference

• [1] Přenos tepla: Praktický přístup, Yunus A. Çengel.
• [2] Povrchová úprava a konečná úprava hliníku a jeho slitinPG Sheasby a R. Pinner.
• [3] Chladicí techniky pro elektronická zařízení, Dave S. Steinberg.