Radiator jest jednym z najważniejszych elementów wykorzystywanych do chłodzenia urządzeń elektronicznych. Jeśli źródło ciepła nie jest w stanie skutecznie rozproszyć ciepła poprzez własne przewodzenie i wymaga bardziej wydajnego chłodzenia, stosuje się radiator, aby odprowadzić ciepło od źródła i rozproszyć je poprzez zoptymalizowane przewodzenie i konwekcję.

Radiatory są powszechnie stosowane w elektronice mocy, sprzęcie telekomunikacyjnym, serwerach, oświetleniu LED, elektronice samochodowej i urządzeniach przemysłowych.

podstawowa struktura radiatora

Typowy radiator składa się głównie z dwóch części:

• opierać

• dopóki

Podstawa to zazwyczaj płaska powierzchnia mająca bezpośredni kontakt ze źródłem ciepła. Jej funkcją jest przenoszenie ciepła z gorącego punktu i równomierne rozprowadzanie go po żebrach.

Żebra zaprojektowano tak, aby zwiększyć całkowitą powierzchnię radiatora. Mogą być produkowane w szerokim zakresie geometrii i zazwyczaj są umieszczone pionowo od podstawy, aby zmaksymalizować rozpraszanie ciepła.

Podstawowym celem konstrukcji radiatora jest maksymalizacja powierzchni, co pozwala na przekazywanie większej ilości ciepła do otaczającego powietrza.

materiały radiatora

z nielicznymi wyjątkami radiatory wykonane są z metali przewodzących ciepło, najczęściej aluminium lub miedzi.

aluminium

Aluminium jest najpopularniejszym materiałem stosowanym do radiatorów.

• przewodność cieplna: 235 W/mK

• lekki

• opłacalny

• łatwy w produkcji

Cechy te sprawiają, że aluminium jest materiałem idealnym do produkcji lekkich i ekonomicznych radiatorów.

miedź

Miedź to kolejny popularny materiał na radiatory.

• przewodność cieplna: ~400 W/mK

• wyższa zdolność przenoszenia ciepła

mimo że miedź jest cięższa i droższa, jest często wymagana w zastosowaniach termicznych o wysokiej wydajności.

konwekcja naturalna a konwekcja wymuszona

Radiatory są zazwyczaj klasyfikowane na dwie kategorie w zależności od warunków przepływu powietrza.

konwekcja naturalna (chłodzenie pasywne)

pasywne radiatory wykorzystują wyłącznie naturalny przepływ powietrza do usuwania ciepła.

są zaprojektowane, aby:

• zmaksymalizować powierzchnię

• umożliwić naturalną cyrkulację powietrza

• działać bez dodatkowych aktywnych komponentów

Pasywne radiatory są powszechnie stosowane w urządzeniach elektronicznych o niskim poborze mocy.

konwekcja wymuszona (chłodzenie aktywne)

aktywne radiatory wykorzystują wentylatory lub dmuchawy, aby wtłoczyć powietrze przez żebra.

wymuszony przepływ powietrza powoduje turbulencje, co znacznie zwiększa efektywność wymiany ciepła i wydajność chłodzenia.

aktywne rozwiązania chłodzące są szeroko stosowane w:

• serwery

• elektronika mocy

• systemy komputerowe o wysokiej wydajności

popularne typy radiatorów

Do produkcji radiatorów stosuje się różne technologie produkcyjne, z których każda jest dostosowana do różnych wymagań termicznych i zastosowań.

1. wytłaczane radiatory (na poziomie płytki)

Radiatory tłoczone są produkowane z blachy przy użyciu progresywnych procesów tłoczenia. Każdy etap tłoczenia dodaje nowe cechy i szczegóły podczas przechodzenia metalu przez matrycę.

Radiatory te są zazwyczaj projektowane do konkretnych typów obudów elektronicznych, aby zapewnić optymalne dopasowanie do płytek drukowanych (PCB).

mogą pracować w trybie pasywnym lub być wyposażone w wentylator zwiększający przepływ powietrza w obrębie urządzenia.

zalety

• idealny do zastosowań o niskim poborze mocy (0–5 W)

• szybki i prosty montaż

• niskie koszty produkcji

• skalowalny do produkcji wielkoseryjnej

• dostępne dla wielu typów pakietów

wady

• nie nadaje się do zastosowań powyżej 5 W

• ograniczony rozmiar (zwykle poniżej 50 mm)

• przeznaczony do chłodzenia tylko jednego urządzenia

2. radiatory aluminiowe wytłaczane

wytłaczanie jest jedną z najpopularniejszych i najbardziej ekonomicznych metod produkcji radiatorów.

Radiatory wytłaczane różnią się rozmiarem w zależności od zastosowania. Mniejsze wersje służą do chłodzenia płyty głównej, natomiast większe są przeznaczone do zarządzania temperaturą przy średniej mocy.

Można je zoptymalizować zarówno pod kątem chłodzenia pasywnego, jak i aktywnego, w zależności od geometrii i rozstawu żeber.

wytłaczane radiatory na poziomie płyty są powszechnie stosowane w przypadku takich komponentów jak:

• bga

• FPGA

Proces wytłaczania rozpoczyna się od matrycy profilującej, która definiuje strukturę żeber, odstępy i wymiary podstawy. Następnie podgrzane aluminium jest przepychane przez matrycę w celu utworzenia długiego profilu, który później jest cięty na żądaną długość i poddawany dalszej obróbce.

zalety

• idealny do zastosowań o średniej mocy

• opłacalna produkcja

• wysoka skalowalność do produkcji masowej

• łatwa personalizacja

• jednoczęściowa konstrukcja o niskim oporze cieplnym

wady

• nie nadaje się do zastosowań o bardzo dużej mocy

• ograniczenia rozmiaru (około 23 cali szerokości i 47 cali długości)

• duże profile mogą mieć ograniczenia wykończeniowe

3. radiatory żebrowe z ciętymi żebrami

Skiving to proces obróbki mechanicznej, podczas którego formowane są żebra bezpośrednio z litego bloku metalu. Cienkie warstwy są odcinane od podstawy i składane do góry, tworząc żebra.

Ponieważ żebra i podstawa wykonane są z tego samego kawałka materiału, nie ma żadnych połączeń ani interfejsów, co zmniejsza opór cieplny.

Proces ten pozwala również na zastosowanie bardzo cienkich żeber i ich dużą gęstość, co znacznie zwiększa całkowitą powierzchnię.

W przeciwieństwie do wytłaczania, skrawanie nie wymaga stosowania specjalnych narzędzi, co obniża koszty narzędzi i pozwala na szybsze prototypowanie.

zalety

• wysoka wydajność chłodzenia

• cienkie żebra i duża gęstość żeber

• niższe koszty oprzyrządowania

• ekonomiczny dla radiatorów miedzianych

wady

• nie jest idealny do zastosowań wymagających ekstremalnie dużej mocy

• ograniczenia rozmiaru

• cienkie płetwy mogą być bardziej delikatne

• mniej nadaje się do bardzo dużych wolumenów produkcji

4. radiatory żebrowe klejone i lutowane

Radiatory żebrowe składają się z dwóch głównych komponentów:

• podstawa (wytłaczana lub obrabiana maszynowo)

• pojedyncze żebra mocowane za pomocą kleju przewodzącego ciepło, żywicy epoksydowej lub lutowania twardego

żebra są zazwyczaj wytłaczane z cienkiej blachy, natomiast podstawa może być wytłaczana, odlewana ciśnieniowo lub obrabiana maszynowo.

w celu zwiększenia wydajności w podstawie można również zintegrować dodatkowe technologie termiczne, takie jak rury cieplne lub komory parowe.

Radiatory z połączonymi żebrami zapewniają większą elastyczność projektowania i pozwalają na większą gęstość żeber przy mniejszej powierzchni.

zalety

• kompaktowa konstrukcja do zastosowań w ograniczonej przestrzeni

• wysoka wydajność cieplna

• nadaje się do konwekcji wymuszonej

• ciasny rozstaw płetw

• wysokie współczynniki kształtu płetw

• elastyczna integracja projektu

• niższe koszty oprzyrządowania

wady

• nie jest idealny do środowisk o dużych wibracjach

• nie nadaje się, gdy wymagany opór cieplny jest niższy niż 0,01°C/W

5. radiatory żeberek zamka błyskawicznego

Płetwy zamka błyskawicznego składają się z szeregu pojedynczo wytłoczonych blaszanych płetw, które są składane i łączone ze sobą.

płetwy te mogą być ułożone w następujący sposób:

• zamknięte kanały dla ukierunkowanego przepływu powietrza

• otwarte konfiguracje dla wielokierunkowego przepływu powietrza

żebra są zwykle przymocowane do podstawy radiatora lub rur cieplnych poprzez lutowanie, lutowanie twarde lub wiązanie epoksydowe.

konstrukcja ta zapewnia doskonałą stabilność mechaniczną i wysoką elastyczność w zakresie zintegrowanych rozwiązań termicznych.

zalety

• wysoka wydajność cieplna

• idealny do zastosowań z wymuszonym przepływem powietrza

• elastyczna integracja projektu

• niższy koszt oprzyrządowania

• lekki

• może poprawić wydajność rurki cieplnej

• zwiększona stabilność mechaniczna

wady

• pewne ograniczenia w przypadku wymagań dotyczących wyjątkowo niskiego oporu cieplnego

6. składane radiatory żebrowe

Płetwy składane powstają poprzez wyginanie cienkich arkuszy metalu w skomplikowane kształty w celu zwiększenia powierzchni.

Żebra te są zazwyczaj przyklejane lub lutowane do podstawy, tworząc ostateczny zespół radiatora. Technologia składanych żeber może być również stosowana w rozwiązaniach wykorzystujących płyty chłodzące cieczą.

zalety

• zwiększona powierzchnia

• wysoka wydajność płetw

• kompatybilny z wieloma materiałami

• lekka konstrukcja

wady

• działa najlepiej, gdy przepływ powietrza jest kierowany bezpośrednio przez żebra

• wyższe koszty produkcji w niektórych przypadkach

7. radiatory odlewane ciśnieniowo

Odlewane ciśnieniowo radiatory są produkowane jako jednoczęściowe konstrukcje, w których stopiony metal jest wtryskiwany do specjalnych form.

Ta metoda produkcji doskonale nadaje się do produkcji wielkoseryjnej i umożliwia wykonywanie skomplikowanych kształtów, które trudno byłoby uzyskać w innych procesach.

po odlaniu wymagana jest minimalna obróbka mechaniczna i wykańczanie w celu uzyskania produktu finalnego.

zalety

• idealny do produkcji wielkoseryjnej

• nadaje się do skomplikowanych kształtów

• niski lub bliski zeru opór cieplny

wady

• wysokie początkowe koszty narzędzi i form