Ievads
Siltuma izlietnēm ir milzīga nozīme, lai mūsu elektronika darbotos nevainojami. Ikreiz, kad jums ir darīšana ar procesoriem, GPU vai citām jaudīgām{1}}detaļām, šie mazie puiši iesaistās, lai uzsūktu visu šo siltumu un neļautu lietām apcepties. Ja esat inženieris-vai vienkārši zinātkārs meistars-, ir obligāti jāiegūst siltuma izlietnes dizaina pamati.
Tātad, no kā ir izgatavota siltuma izlietne? Tas sākas ar pamatni, kas atrodas tieši uz karstās detaļas, un spurām, kas izplešas, lai palielinātu virsmas laukumu, kas palīdz ātrāk izvadīt siltumu. Lielais izaicinājums vienmēr ir viens un tas pats: pēc iespējas ātrāk noņemiet siltumu no avota, nepadarot visu iestatījumu apjomīgu vai neērtu. Tas nozīmē izvēlēties pareizos materiālus un pareizi veidot izlietni. Alumīnijs ir piemērots-vairumam cilvēku, jo tas ir viegls un lēts, taču, ja vēlaties vislabāko veiktspēju, varš ir jūsu draugs-, pat ja tas ir dārgāks.
Pirmais solis siltuma izlietnes projektēšanā ir izdomāt, ar kādu siltuma daudzumu jūs faktiski saskaraties. Padomājiet par spēļu datoru,{1}}tie CPU var izsūknēt vairāk nekā 100 vatus. Jums ir nepieciešama siltuma izlietne, kas spēj izturēt šādu slodzi. Turklāt vide ir svarīga. Iespējams, jūsu ierīce ir cieši noslēgta ar gandrīz nekādu gaisa plūsmu, vai varbūt tajā ir pietiekami daudz vietas gaisa kustībai. Jebkurā gadījumā inženieri paļaujas uz simulācijas rīkiem, piemēram, skaitļošanas šķidruma dinamiku, lai noteiktu, kur uzkrājas siltums un kā tas pārvietojas.
Viens gudrs triks ir pielāgot pamatnes biezumu-parasti no 3 līdz 5 milimetriem. Pareizi rīkojieties, un jūs vienmērīgāk sadalīsit siltumu, apturot šos nepatīkamos karstos punktus, pirms tie sākas. Kad esat apguvis šos pamatus, varat ienirt detaļās: spuru formās, gaisa plūsmas ceļiem, kā samazināt termisko pretestību un kā pārliecināties, ka siltuma izlietne ir ideāli piemērota, neradot papildu svaru vai troksni. Galu galā runa ir ne tikai par dzesēšanu-, bet arī par to, lai viss darbotos kopā, klusi un efektīvi.
Spuru ģeometrijas optimizēšana uzlabotai siltuma izkliedei
Spuru dizains patiešām uzlabo vai sabojā siltuma izlietnes veiktspēju. Spuras palielina virsmas laukumu, dodot siltumam labākas iespējas izkļūt gaisā. Kad inženieri strādā pie siltuma izlietnes optimizācijas, viņi aplūko tādas lietas kā, piemēram, cik garas ir spuras, cik biezas, cik tālu viena no otras un kādu formu tās ieņem. Palieliniet tos pārāk augstu vai salieciet tos pārāk tuvu, un jūs faktiski pasliktinat situāciju,{3}}gaiss nevar kustēties, un dzesēšana ātri samazinās. Saldā vieta atstatumam parasti ir no 1 līdz 3 mm. Tas ļauj gaisam plūst cauri, vienlaikus nodrošinot daudz kontakta.
Jums ir arī dažādi stili. Tapas spuras-domājiet, ka mazie cilindri-vislabāk darbojas, ja gaiss var iepūst no jebkura virziena, piemēram, iestatījumos ar dabisku konvekciju un bez ventilatoriem. No otras puses, plākšņu spuras spīd, kad jums ir ventilatori, kas spiež gaisu taisni cauri. Un neaizmirsīsim arī materiālus: varš ātrāk pārnes siltumu, bet tas ir jāpārklāj, lai tas nerūsētu.
Pārbaude ir liela daļa no tā visa. Inženieri izmanto tādus jēdzienus kā "optimizēt siltuma izlietnes spuras", jo tas viss ir saistīts ar izmēģinājumiem, kļūdām un rūpīgiem pielāgojumiem. Viņi izmanto termokameras, lai faktiski redzētu, kā siltums pārvietojas caur viņu prototipiem. Daži jaunāki triki ietver viļņotu vai zobainu malu pievienošanu spurām. Tas rada turbulenci, sajaucot gaisu un palielinot siltuma pārnesi pat par 20%, salīdzinot ar plakanām, taisnām spurām.
Reālajā dzīvē, piemēram, spēļu datorā, jūs varat redzēt spuras, kas sakārtotas pakāpeniskās rindās. Tas nojauc robežslāni-mierīgā gaisa slāni, kas pieķeras virsmām un palēnina atdzišanu. Aprēķini kļūst tehniski, piemēram, Nusselt skaitļi, kas palīdz paredzēt, cik labi spuras pārvietos siltumu. Tas viss ir par līdzsvaru: pārāk maz spuru, un jūs tērējat vietu; pārāk daudz, un gaiss nevar tikt cauri.
Vieta vienmēr ir pārāka par tādām lietām kā LED apgaismojums, tāpēc dizaineriem ir jāietver efektīvi spuru bloki, nepadarot visu apjomīgu. Šo detaļu sastādīšana var palielināt dzesēšanu par 15–30%. Tāpēc modernās siltuma pārvaldības pamatā ir pareiza spuras konstrukcija.
Alumīnija siltuma izlietnes
Gaisa plūsmas ietekme uz siltuma izlietnes efektivitāti
Gaisa plūsma patiešām ir jebkura aktīva siltuma izlietnes iestatījuma sirds. Tas ir tas, kas izvelk siltumu no spurām un izplūst pasaulē. Kad inženieri runā par siltuma izlietņu uzlabošanu, vienmēr parādās gaisa plūsma, jo īpaši tāpēc, ka ventilatori-aksiālie vai centrbēdzes-ir muskuļi, kas aiz tā visa spiež vai velk gaisu tieši tur, kur tas ir nepieciešams. Piespiežot gaisu pāri spurām, jūs varat desmit reižu vai vairāk palielināt siltuma izkliedi, salīdzinot ar to, ka ļautu siltumam aizplūst pašam.
Bet ir līdzsvarošanas akts. Gan ventilatora ātrumam (mērīts apgr./min.), gan gaisa daudzumam, ko jūs pārvietojat (kubikpēdas minūtē), ir nozīme, taču arī troksnim{1}}neviens nevēlas reaktīvo dzinēju savā datorā. Palīdz arī cauruļvadi un apvalki, nodrošinot, ka gaiss patiešām plūst caur spurām, nevis izlaiž tām garām.
Datu centros tas kļūst vēl sarežģītāks. Ja statīvi ir pilni ar radiatoriem, jums ir jāpārvalda gaisa plūsma visā rindā, lai karstais gaiss netiktu atgriezts un nesabojātu jūsu dzesēšanas centienus. Šeit iedarbojas skaitļošanas modeļi-, tie paredz, kā pārvietosies gaiss, lai jūs varētu pamanīt mirušās zonas un uzturēt vienmērīgu dzesēšanu.
Dažiem iestatījumiem-īpaši ar ļoti blīviem spuru blokiem-ir nepieciešami ventilatori, kas spēj nodrošināt lielāku pretestību. Tas ir tas, ko cilvēki domā, kad viņi runā par pretestības saskaņošanu: augsta statiskā spiediena ventilatoru izvēle, lai gaiss faktiski nokļūtu caur siltuma izlietni, nevis tikai ap to. Un jā, frāze "gaisa plūsma siltuma izlietnēs" ir visur ir iemesla dēļ.
Attiecībā uz lietām, kas nav ļoti karstas, piemēram, mazjaudas ierīces, pietiek ar to, ka siltais gaiss tiek dabiski pacelties (paldies, fizika), taču parasti šīs radiatorus ir jāmontē vertikāli, lai iegūtu vislabāko efektu. Dažreiz inženieri darbojas radoši, pievienojot perforētas spuras vai nelielus virpuļģeneratorus, lai maisītu gaisu un pārtrauktu vienmērīgu (lamināru) plūsmu. Tas veicina siltuma pārnesi, jo jaukts-gaiss piesaista vairāk siltuma.
Automašīnās un citās skarbās vidēs jums ir jānoslēdz gaisa plūsmas ceļi un jāpievieno filtri, lai bloķētu putekļus un izdzīvotu visu apkārtējo drebēšanu. Ja izturēsities pret gaisa plūsmu, kritisko temperatūru varat pazemināt par 20 līdz 40 grādiem pēc Celsija,{3}}tas ir milzīgs risinājums uzticamībai un ikvienam, kas tiecas pēc lielākas veiktspējas vai pārspīlēšanas. Laba gaisa plūsma ne tikai atdzesē lietas; tas uztur elektroniku dzīvu daudz ilgāk.
Termiskās pretestības samazināšanas stratēģijas
Termiskā pretestība (R_th) būtībā norāda, cik labi siltuma izlietne spēj izvadīt siltumu no tā avota ārā. Ja vēlaties, lai jūsu siltuma izlietne darbotos labi, jūs patiešām vēlaties, lai šis skaitlis būtu zems. To mēra Celsija grādos uz vatu, tāpēc jo zemāks, jo labāk. Piemēram, augstākās-līmeņa siltuma izlietnes var sasniegt 0,2 grādi/W, kas ir diezgan iespaidīgi.
Jūs iegūstat termisko pretestību no dažām vietām: saskarnes starp siltuma avotu un izlietni, izlietnes pamatni, spurām un siltuma nokļūšanu gaisā (konvekciju). Šajā pirmajā daļā-saskarnē-parasti ir sīkas nepilnības, kuras jūs pat nevarat redzēt, taču tās būtiski ietekmē. Cilvēki izmanto termopastu vai spilventiņus, lai aizpildītu šīs spraugas, un daži no šiem materiāliem var sasniegt vadītspēju līdz 10 W/m·K.
Nozīme ir arī siltuma izlietnes pamatnei. Biezākas pamatnes vienmērīgāk izkliedē siltumu, taču tās ir smagākas. Tad vēl spuras. Jūs vēlaties, lai tie pārnestu pēc iespējas vairāk siltuma, tāpēc inženieru mērķis ir spuras efektivitāte tuvu 90%. Matemātika aiz tā visa? Viens izplatīts vienādojums ir R_th=1/(hAη), kur h ir konvekcijas koeficients, A ir virsmas laukums un η (eta) ir spuras efektivitāte.
Ja meklējat praktiskus padomus, šeit ir tas, kas palīdz: nopulējiet kontaktvirsmas, lai samazinātu pretestību, vai izmantojiet siltuma caurules, lai vienmērīgāk sadalītu siltumu, it īpaši ar lielākām izlietnēm. Dažos uzlabotos dizainos, piemēram, tvaika kamerās, siltuma pārvietošanai tiek izmantotas fāzes izmaiņas, kas patiešām samazina pretestību.
Lai pārbaudītu, cik labi darbojas siltuma izlietne, inženieri parasti izmanto termopārus un stabila stāvokļa mērījumus, pārliecinoties, ka viss atbilst standartiem (piemēram, JEDEC, kas ir izplatīts pusvadītājiem). Šaurās vietās, piemēram, klēpjdatoros, jauni materiāli, -domājam, ka grafēna kompozītmateriāli- rada lielus viļņus, dažkārt samazinot pretestību uz pusi.
Galu galā, risinot katru termiskās pretestības mīklas daļu, jūs saglabāsiet savu sistēmu vēsāku, izvairīsieties no droseles un palīdziet aparatūrai darboties pēc iespējas labāk, pat ja tā smagi strādā.
Vara siltuma izlietnes
Uzlabotu tehnoloģiju integrēšana siltuma izlietnes dizainā
Kad esat apguvis pamatus, siltuma izlietnes dizains patiešām paceļas ar progresīvām tehnoloģijām. Mēs runājam par viediem materiāliem, gudrām hibrīdsistēmām un visa veida trikiem, lai uzlabotu veiktspēju. Piemēram, daži dizaineri fāzē-maina materiālus spurās. Tie uzsūc siltumu tieši tad, kad viss kļūst intensīvāks-padomājiet par to, ka elektriskie transportlīdzekļi pēkšņi patērē lielu jaudu-, un saglabā nemainīgu temperatūru pat tad, ja vide kļūst neparedzama.
Aditīvā ražošana (tā būtībā ir 3D drukāšana) paver durvis mežonīgām jaunām formām-piemēram, sarežģītiem režģiem-, ko jūs vienkārši nevarat izveidot ar veco-skolu ekstrūzijas palīdzību. Šīs formas nodrošina lielāku virsmas laukumu ar mazāku svaru, lai jūs iegūtu labāku dzesēšanu bez liela apjoma.
Tagad iedomājieties siltuma izlietnes ar iebūvētiem{0}}sensoriem, pateicoties IoT tehnoloģijai. Viņi reāllaikā skatās temperatūru un automātiski regulē ventilatora ātrumu, lai taupītu enerģiju un nodrošinātu vienmērīgu darbību. Un vietās, kur parastā gaisa dzesēšana nevar nodrošināties,-piemēram, pārpildīti serveru plaukti,{4}}inženieri apvieno gaisa spuras ar šķidrumu{5}}dzesējamiem mikrokanāliem. Šī kombinācija samazina termisko pretestību un pasargā šos augsta blīvuma{7}}serverus no pārkaršanas.
Ir arī liels grūdiens ilgtspējībai. Dizaineri pievēršas otrreiz pārstrādājamiem alumīnija sakausējumiem un pat aizņemas idejas no dabas,-piemēram, siltuma izlietņu modelēšana pēc termītu pilskalniem-, lai veicinātu pasīvo gaisa plūsmu. Tādiem uzņēmumiem kā Intel ir reāls-pasaules pierādījums, ka šīs optimizācijas darbojas. Viņu Xeon procesori, piemēram, darbojas par 30 procentiem vēsāk ar modernizētiem siltuma izkliedētājiem.
Raugoties nākotnē, nanomateriāli ir gatavi mainīt spēli. Tie uzlabo vadītspēju, nepadarot ierīces apjomīgākas, kas ir milzīgs ieguvums kompaktajiem sīkrīkiem. Apvienojot visas šīs tehnoloģijas, inženieri ne tikai risina problēmas,{2}}viņi nosaka jaunus uzticamības standartus tādās jomās kā AI aparatūra un 5G aprīkojums.
PowerWinxir profesionāls siltuma izlietņu ražotājs, kas specializējas alumīnija un vara siltuma izlietņu risinājumos prasīgiem lietojumiem. PowerWinx ar zināšanām par šķelto spuru, štancētu spuru, lodētām siltuma izlietnēm un modernām šķidrām aukstuma plāksnēm nodrošina uzticamus siltuma risinājumus, izmantojot precīzu ražošanu, stingru kvalitātes kontroli un spēcīgu inženiertehnisko atbalstu globāliem klientiem.
