Теплоотдача алюминия и латуни: Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди. Теплопроводность меди и алюминия таблица

Теплоотдача алюминиевых радиаторов: подробный расчет

Правильно рассчитав теплоотдачу с учетом всех факторов, оказывающих на нее влияние, можно обеспечить нужную температуру помещения и правильную циркуляцию воздуха, которая положительно отразится на настроении и здоровье, находящихся в ней людей.

От чего зависит теплоотдача алюминиевого радиатора

Виды алюминиевых радиаторов:

• Стальные – у них низкие технические характеристики, почти уже не представлены на современном рынке и не пользуются спросом. 
• Чугунные по-прежнему высоко оценивают по критериям надежности. Долговечны, многие новые модели эстетично представлены с элементами художественного литья. Такие батареи впишутся в любой дизайн, нет необходимости скрывать их неэстетический вид за экранами.
• Алюминиевые – на данный момент самый востребованный вид по техническим характеристикам и ценовой доступности. Отличаются высокой эффективностью и имеют ряд преимуществ.
• Биметаллические – новое поколение, появились совсем недавно, но уже активно пользуются потребительским спросом. Благодаря качеству и составу из двух металлов являются самыми мощными по эффективности.

Не стоит выбирать батарею только по параметрам тепловой мощности. В различных теплосетях показатели рабочего давления будут отличаться, в частных домах давление хладагента около — 2-3 Бар, в квартирах при централизованной системе составляет 5-15 Бар и разнится от этажности. 

Скачки давления системы отопления могут повредить неправильно выбранный радиатор, поэтому сравнение стоит провести с учетом прочности отопительного устройства. 

Важные характеристики, учитываемые при подборе:

• Мощность при выработке тепла;
• Допустимые параметры давления;
• Внутренний объем емкости радиатора;
• Масса батареи.

Вес радиатора и объем емкости должны учитываться при установке в частных домах. Зная количество воды, проходящее через систему отопления, легко произвести расчет расхода тепловой энергии во время нагревания. 

Масса прибора повлияет на выбор крепежа и способа его крепления к стене. В зависимости от материала, из которого она сделана. Например, если стена выполнена из шлакоблоков или бетона, а масса батареи из-за количества секций большая, то и крюк должен быть в состоянии удержать ее вес. 

Достоинства алюминиевых радиаторов:

• большая площадь изделия, обеспечивающая лучший теплообмен;
• небольшая масса и легкий вес;
• высокая теплоотдача;
• соперничают по прочности со стальными и чугунными батареями;
• не нуждаются в покраске и соответствуют современному дизайну интерьеров;
• быстро нагреваются, чем существенно экономят топливо.

Производят батареи из алюминия с помощью литья каждой секции и, как заявляет производитель, выдерживают давление в 15-20 атмосфер. Радиаторы со склеенными в процессе производства секциями — экструдированные — выдерживают нагрузку до 40 атмосфер, но не отличаются прочностью, особенно в местах присоединения.

Секций можно добавить любое количество, они легко присоединяются, но при центральной системе отопления не стоит формировать слишком сложные конструкции.  

Теплоотдача одной секции способна отапливать 1,2 куб. м пространства –  примерно 120 Вт при температуре 45-50 °C. Сэкономить на электроэнергии позволяет наличие регулятора теплопотока, который изначально предусмотрен в комплектации производителя.

При монтаже не допускается использование медных или стальных комплектующих и труб, это может спровоцировать коррозию. 

Увеличить КПД уже смонтированы батарей можно с простых методов — прочистки или перекраски батарей в темные цвета. До 25 процентов увеличит теплоотдачу установка экрана позади радиатора, можно приобрести готовый вариант экрана или же воспользоваться фольгой.

Еще один эффективный вариант — изготовление металлического кожуха, который будет отдавать тепло, полученное при нагреве, даже с уже выключенным отоплением. Мощность батарей можно увеличить, добавив количество секций, результат – повышение теплоотдачи минимум на 10 процентов.

При всех этих положительных параметрах и высоком качестве у алюминиевых батарей низкая цена, что обуславливает положительные отзывы и спрос среди потребителей.

Расчет теплоотдачи радиатора из алюминия

Для расчета теплоотдачи нужно узнать необходимую мощность для обогрева помещения. Затраченное тепло определяют: размер тепла на обогрев 1 м3 помещения составляет 35-40 Вт/м3 это значение умножается на охват помещения.

Внимание! Расчеты приблизительные и служат для примерного ориентирования при выборе радиатора из алюминия.

При расчете используются, указанные в техпаспорте радиатора из алюминия, параметры для расчета теплоотдачи для 1 секции: если фактическая мощность секции при DT = 70, то при температуре помещения 19-20ºС вырабатывается тепло при внутренней температуре батареи 110 ºС, а в обратке 70 ºС. 

Ориентируясь на эти данные, видно, что теплоотдача одной секции алюминиевого радиатора с межосевым размером 500 мм и прежней температуре – 200 Вт. Температуры такого уровня обычно не используются, из-за этого мощность отдачи будет меньше.

Аналогичен расчет теплоотдачи алюминиевых радиаторов с межосевым размером 350 мм на квадратный метр помещения.

Узнать приближенное к реальному значение теплового поток можно, посчитав DT:

DT = ((Тº поступающей воды + Тº в обратке) / 2) – Тº комнаты

Число, полученное в результате формулы расчета показателей теплоотдачи алюминиевых радиаторов отопления, умножается на коэффициент, приведенный в таблице ниже.

Следуя формуле, где температура помещения 18 ºС, добавив данные теплоносителя, решение будет ((70 + 60) / 2) – 18 = 49,5. Где результат умножается на поправочный коэффициент 0,65, умножаемый на тепловой поток 204 х 0.65 = 132.6 Вт. По данному результату собирается необходимое количество секций. 

Недостатки алюминиевых радиаторов

Ограничения к материалу, с которым могут соединяться алюминиевые радиаторы, требовательность к компонентам теплоносителя и однотипность в размерах — их главные недостатки. Проблемы, связанные с возникновением коррозии, можно предотвратить применением оксидной пленки и обработке противокоррозиными агентами во время установки.

Этот вид батарей плохо переносит гидроудары центральной отопительной системы, поэтому рекомендуется к установке в частных домах, а не квартирах.

Чтобы не ошибиться с выбором отопительной системы, стоит воспользоваться консультацией специалиста или нашими примерами расчетов и таблицей. 

У алюминиевых батарей много положительных качеств, а также ряд недостатков. Спрос к ним не угасает, благодаря цене и высокому уровню теплоотдачи. При покупке стоит отдать предпочтении отечественным производителям, они учитывают при производстве качество воды, которая повлияет на срок эксплуатации.  

На нашем сайте представлен большой выбор качественных алюминиевых радиаторов, посмотрите!

Теплопроводность стали и других сплавов меди, латуни и алюминия, теплопередача

Алюминий представляет собой самый распространенный металл в земной коре. Он относится к группе легких металлов, имеет небольшую плотность и температуру плавления. При этом пластичность и электропроводность находятся на высоком уровне, что обеспечивает его повсеместное использование. Итак, давайте узнаем, каковы удельная температура плавления алюминия и его сплавов (пр. в сравнении с железом и свинцом), тепло- и электропроводность, плотность, другие свойства, а также в чем особенности структуры сплавов алюминия и химического их состава.

Теплопроводность — алюминий

Теплопроводность алюминия выше теплопроводности железа более чем в 3 раза, что приводит к сильному теплоотводу и широкой зоне разогрева металла, прилегающего к шву.  
Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, поршень из алюминиевого сплава, будучи легче чугунного примерно в три раза, облегчает вес конструкции. Металлы с большой теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками электричества.  

Большая теплоемкость и теплопроводность алюминия обеспечивают равномерную температуру по всей длине трубки.  

В виду того что теплопроводность алюминия почти в пять раз выше теплопроводности стали, время нагрева, а следовательно и время вулканизации резиновых смесей в прессформах из этого материала сокращается. Однако следует отметить, что пресс-формы из алюминия быстро изнашиваются, что является их существенным недостатком.  

Примеси оказывают существенное влияние на теплопроводность алюминия в области низких температур.  

Теплопроводность оксидной пленки намного хуже теплопроводности алюминия, но вследствие незначительной толщины пленки это не оказывает заметного влияния на общую теплопроводность изделия.  

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек СС.  

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек С.  

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия.  

Коэффициент теплопроводности меди, серебра и стали изменяется с температурой незначительно, теплопроводность алюминия возрастает в интервале 0 — 400 С приблизительно в 1 6 раза. При высоких температурах серебро испаряется интенсивнее меди, а медь окисляется и взаимодействует с парами теллуридов. Поэтому для медных шин целесообразно использовать защиту слоем железа. Контакт шин с термоэлементами осуществляется через промежуточные слои, исключающие диффузию материала шины в термоэлектрический материал.  

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия.  

Из сопоставления приведенных данных для алюминия с теплофизи-ческими характеристиками щелочных металлов следует, что температура кипения и теплопроводность алюминия значительно больше, а сечение захвата тепловых нейтронов значительно меньше соответствующих величин — для щелочных металлов. Имея в виду, что остальные теплофи-зические характеристики сравниваемых металлов приближенно одинаковы, и учитывая также малую упругость паров алюминия при высоких температурах, можно сделать заключение, что с точки зрения теплофи-зических характеристик алюминий, как теплоноситель, имеет определенные преимущества по сравнению со щелочными металлами при решении задач, связанных с высокой температурой теплоносителя.  

Следует подчеркнуть, что так как собственно переходное электрическое сопротивление сварных точек ( RK) очень мало ( оно измеряется долями мком), а теплопроводность алюминия и меди велика, то никогда не происходит перегрева в месте сварки при прохождении тока даже и в тех случаях, когда суммарное сечение сварных точек значительно меньше рабочего сечения самой шины. Это тщательно проверено длительными лабораторными и эксплуатационными испытаниями.  

Состав и структура алюминия

Для начала нашему рассмотрению подлежат структура и хим.состав алюминия. Предел прочности чистого алюминия крайне небольшой и составляет до 90 МПа. Если же к его составу добавить в небольшом соотношении марганец, медь, цинк или магний, прочность может возрасти до 700 МПа. К такому же результату приведет использование особой термической обработки.

Металл, обладающий наиболее высокой чистотой (99,99% алюминия), может применяться в специальных и лабораторных целях, в остальных же случаях используется алюминий с технической чистотой. Наиболее распространенными примесями в нем могут выступать кремний и железо, которые практически не растворяются в алюминии. В результате их добавки уменьшается пластичность и повышается прочность конечного металла.

Структура алюминия представлена элементарными ячейками, которые в свою очередь состоят из четырех атомов. Теоретически плотность данного металла составляет 2698 кг/м3.

Теперь поговорим о свойствах металла алюминия.

Данное видео расскажет о структуре алюминия:

Характеристика теплопроводности материалов

Понятие теплопроводности материалов характеризуется способностью переносить тепловую энергию в пределах определенного объекта от нагретых частей к холодным. Процесс осуществляется атомами, молекулами, электронами и происходит в любых телах с неравномерным распределением температуры.

С позиций кинетической физики этот процесс происходит в результате взаимодействия частиц молекул более нагретых участков в пределах образца с другими элементами, отличающимися низшей температурой. Механизм и скорость переноса теплоты зависит от агрегатного состояния вещества.

https://youtube.com/watch?v=z8JhdvjYrl8

Категория теплопроводности предусматривает определение скорости нагревания образца материала и перемещение температурной волны в определенном направлении. Показатель зависит от физических параметров:

• плотности;
• температуры фазового перехода в жидкое состояние
• скорости распространения звука (для диэлектриков).

Что лучше проводит тепло алюминий или медь?

Невозможно однозначно сказать, какой радиатор лучше выбрать: алюминиевый или биметаллический, а может медные, стальные или чугунные. В этом вопросе нет правильного ответа, так как у каждого типа батарей свои плюсы и минусы, проявляющиеся в различных условиях эксплуатации.

Отопительные системы обладают индивидуальными характеристиками по температуре, давлению и составу теплоносителя, теплоотдачи, инертности и т.д. Также немаловажно открытая или закрытая отопительная система.

В результате там, где отлично покажет себя один тип радиатора, другой, даже при всех его кажущихся плюсах, даст сбой.

При выборе радиатора обращайте внимание вначале на технические и эксплуатационные параметры, а уже потом на внешний вид и цену. Дорогая батарея еще не значит самая лучшая. Отечественные централизованные тепловые сети работают с температурой теплоносителя до 105 оС и давлением в 10 атмосфер.

Но на практике условия работы куда экстремальнее и связанны с колебания давления и температуры, плохим качеством теплоносителя. Во время запуска системы указанные значения значительно выше, радиаторы подвергаются гидроударам. Нерассчитанные на такое импортные батареи могут выйти из строя.

По этим причинам изучите паспорт выбранного радиатора, отметив его допустимые температуру и максимальное давление теплоносителя.

Чтобы определит лучший радиатор, учтите так же его теплоотдачу. Другими словами, насколько эффективно он нагревает воздух в помещении. Это зависит от материала. Так медные греют лучше чугунных, а у алюминиевых теплоотдача выше, чем у стальных.

Реальная мощность батареи зависит от перепада температуры теплоносителя и воздуха в помещении, так что помимо значения мощности секции указанной в рекламной брошюре следует узнать точное значение из паспорта для условий, в которых радиатор будет эксплуатироваться.

Рассмотрим по отдельности каждый тип радиаторов и проведем их сравнительную характеристику.

Чугунные радиаторы

Чугунные радиаторы одни из самых распространенных. Это объясняется рядом характеристик этого материала, которые помогают ему надежно служить долгие годы в условиях центрального отопления в постсоветском пространстве. К тому же их долгие десятилетия по умолчанию устанавливали в домах с централизованным отоплением.

Основные преимущества чугуна:

• устойчивость к коррозии;
• высокая теплоотдача;
• долговечность;
• сравнительно невысокая цена.

Чугунным батареям не страшны гидроудары и перепады давления, которыми страдают отечественные отопительные системы. Также они хорошо переносят плохое качество теплоносителя: ржавчину, воздушные пробки, жесткую щелочную воду. Для других теплообменников это губительно, но для чугуна они не оказывают серьезных повреждений.

Для централизованного отопления чугунные радиаторы – лучший выбор.

Среди недостатков – внешний вид и высокая инерционность. С неказистостью и громоздкостью можно смириться, вписать в интерьеры в стиле ретро или классика, скрыть специальным декоративным экраном. Высокая инерционность проявляется в том, что чугун медленно разогревается и долго остывает, поэтому они неуместны в системах с точной терморегуляцией. Придется подолгу ждать, пока изменится реальная температура батареи.

Чугунный радиатор в стиле рококо

Алюминиевые радиаторы

Это универсальные радиаторы, позволяющие путем подбора числа секций установить необходимую тепловую мощность. Используются чаще в автономном отоплении частного дома. Главные преимущества:

• эстетичный внешний вид;
• небольшой вес;
• высокая теплоотдача;
• простота подключения в отопительную сеть;
• неинерционны, поэтому используются совместно с терморегуляторами.

Что лучше проводит тепло алюминий или медь

На сегодняшний день радиаторы производятся из разнообразных материалов, наиболее распространенные, из которых сталь, нержавеющая сталь и алюминий.

Всегда есть сомнения, какой именно радиатор выбрать для установки в доме? Очевидно, что это зависит от личного вкуса, а также от требований, которые вы поставили перед собой к качеству отопления помещения.

Алюминий, безусловно, является самым экологичным материалом и имеет огромное количество преимуществ.

Как выбрать радиатор отопления: советы специалистов

В этой статье мы не будем рассматривать чугунные радиаторы, т.к. они теряют популярность среди покупателей.

Сосредоточим внимание на самых востребованных моделях.

Материал в деталях расскажет о преимуществах алюминиевых и стальных батарей.

Алюминиевые радиаторы имеют малый вес

Алюминиевые радиаторы легче, чем традиционные стальные или чугунные радиаторы, этот факт дает возможность расположить такой радиатор на любой стене в помещении.

Батареи из алюминия можно повесить на стену, даже в ситуациях, когда толщина не позволяет сделать глубокого закрепления.

Это существенно экономит затраты на оплату строительных работ, так как повесить их можно очень быстро и надежно.

Мы рекомендуем ознакомиться с ассортиментом радиаторов отопления представленных в интернет магазинах, на сайтах производителей можно купить алюминиевые радиаторы ведущих европейских производителей (ESPERADO, FERROLI, GLOBAL, FARAL, FONDITAL) с гарантией 10 лет!

Алюминий — коррозионностойкий материал

Алюминий не подвержен коррозии, что делает его идеальным материалом для производства радиаторов, которые предполагается устанавливать в таких помещениях, как ванные комнаты и кухни, где выоская влажность.

Алюминий хорошо проводит тепло

Алюминий быстро нагревается, что делает его отличным проводником тепла.

Алюминиевые радиаторы имеют низкое содержание воды, а это означает, что после включения такие устройства дают интенсивный всплеск тепла и нагревают помещения довольно быстро.

Установив алюминиевые радиаторы можно быстро достичь требуемой температуры в комнатах, так как они имеют наименьшее время отклика.

Главным преимуществом является существенная экономия энергетических затрат в отопительный сезон и как прекрасный бонус – экономия денежных средств, так как алюминиевые радиаторы можно выключать на время вашего отсутствия в доме, а вернувшись домой включить и быстро получить теплый дом не тратя на ожидание длительное время.

Алюминиевые радиаторы имеют широкий диапазон конструкций и цветов

Бытует распространенное мнение, что эффективное тепло не может быть красивым и оригинальным. К счастью, времена, когда дизайн должен уступить свои позиции отличной эффективности, прошли.

Алюминиевые радиаторы имеют разнообразный ряд конструкций и предлагают даже самому требовательному покупателю достойный выбор.

Вы можете выбрать свой собственный цвет финишного покрытия, которое идеально будет соответствовать стилю вашего дома, форма радиатора будет гармонировать с вашей домашней или офисной атмосферой на сто процентов.

Жертвоприношение по стилю? Ни в коем случае, когда вы выбираете для своего дома алюминиевые радиаторы!

Нержавеющая сталь

Использование стали для производства теплообменников позволяет получить прочные изделия, которые в основном используются для систем индивидуального отопления домов и коттеджей.

По причине возможности контроля качества теплоносителя и давления в системе, стальные приборы станут отличном выбором для систем автономного отопления.

При условии подачи качественного теплоносителя и умеренного давления рабочей жидкости, такие устройства прослужат более 30 лет.

Стальные радиаторы обладают низкой тепловой инерцией, а значит проблем с быстрым изменением температуры в помещении не возникнет. Помимо небольшой тепловой инерции, стальные радиаторы обладают и другими преимуществами:

Металл с хорошей теплоотдачей

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т. е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Ниже предствлена таблица теплопроводности металлов:

В таблицах теплопроводности и электропроводности замечается закономерность: металлы которые лучше проводят тепло — лучше проводят и электрический ток. По таблице теплоемкости можно определить, какие вещества лучше накапливают тепловую энергию.

Теплопроводность значительно изменяется в зависимости от температуры металлов и наличия примесей в них. Показатель теплопроводности имеет большое значение в системах нагрева, охлаждения или сохранения тепла. В системах с динамическим изменением температур чаще используются металлы с большой теплопроводностью. Если требуется сохранить тепловую энергию внутри системы, то используются вещества с малой теплопроводностью.

Лучшее понимание вариантов дизайна DyzEnd Pro

Линейка продуктов серии Pro разработана для того, чтобы вывести надежность на совершенно новый уровень. Каждая небольшая функция была переработана снизу вверх на основе полученных нами отзывов и нашего собственного опыта.

Нагревательный блок 3D-принтера Hotend подвергается огромным нагрузкам: тепловым нагрузкам от нагревателя, нагрузкам от давления экструдера и нагрузкам при растяжении от сопла. Благодаря нашим интенсивным испытаниям с высокотемпературными материалами, такими как PEEK, PEI (Ultem) и PSU, мы поняли, что этот компонент требует переосмысления.

Нагревательные блоки с явными признаками напряжения

Материалы

Первым шагом при проектировании детали является выбор правильного материала. Существует множество различных сплавов, и все они имеют свои преимущества и области применения. При выборе вам необходимо определить ключевые характеристики, которые вы будете оценивать. В случае нашего теплового блока нам понадобятся:

• Механические свойства при высокой температуре
• Теплопроводность

Пример испытания на растяжение

1. Механические свойства

Механические свойства используются для сравнения характеристик материалов в различных ситуациях. Существуют десятки различных типов: твердость, усталостная прочность и т. д. Наиболее распространенным свойством является предел прочности при растяжении. Его измеряют, нагружая образец путем его растяжения. Более низкая прочность на растяжение означает, что для разрыва требуется меньшее усилие.

При достижении предела прочности на растяжение деталь либо деформируется, либо срезается, либо ломается. В любом случае, он больше не будет использоваться.

2. Сплавы

Сплавы — это рецепты, изготовленные из металлов и других материалов, предназначенные для улучшения свойств. Коррозия, твердость, прочность и многие другие. Однако добавление легирующих элементов обычно снижает как теплопроводность, так и электропроводность.

Чистое железо малопригодно, так как оно очень мягкое и хрупкое. Добавление всего от 0,15% до 0,80% углерода сделает сталь намного прочнее. Добавление хрома (и никеля) сделает нержавеющую сталь. При сравнении теплопроводности между нашими эволюциями рецепта мы начали с 80 (Вт/мК) для железа, до 50 для стали и до 15 для нержавеющей стали.

Повышение механических свойств имеет свою цену, а теплопроводность часто снижается, как показано выше. Другие свойства также страдают от добавления легирующих элементов, таких как удлинение при разрыве, пластичность и некоторые другие.

3. Термическая обработка

Этот процесс используется для модификации и улучшения некоторых механических свойств, таких как прочность на растяжение и твердость. Большинство сплавов остаются слабыми без термической обработки. Очень важно понимать механизмы отпуска сплава. Тепло может обратить вспять большинство темпераций, имейте это в виду.

Этот процесс совершенно уникален для стали, так как только она выигрывает от быстрого охлаждения.

Другие сплавы требуют процесса старения или холодной обработки, а не процесса закалки. Некоторое время поддерживается высокая температура, затем деталь медленно охлаждается. Позже деталь можно растянуть или забить молотком, чтобы еще больше увеличить прочность.

Следует соблюдать осторожность при выборе материала, если он подвергается процессу старения. Работа при высокой температуре продолжит процесс старения и вернет механические свойства к исходному состоянию «О». Это будет объяснено позже.

4. Тепловые свойства

Поскольку нагревательный блок предназначен для передачи тепла от источника нагрева, картриджа нагревателя, к полимеру, важно делать это эффективно. В нашем приложении интересны два основных свойства:

• Теплопроводность
• Удельная теплоемкость

Очень важно понимать, что удвоение коэффициента теплопроводности вообще не удвоит производительность 3D-печати. Более высокая теплопроводность окажет гораздо большее влияние на длинную и широкую часть, такую ​​как радиатор. Поскольку тепловой блок передает тепло между нагревателем и соплом на расстоянии нескольких миллиметров, разница не заметна с точки зрения производительности 3D-печати.

Температура плавления

Одно можно сказать наверняка, вы хотите, чтобы ваша нить накала плавилась, а не нагревательный блок. Как упоминалось ранее, добавление легирующего элемента имеет некоторые недостатки. В этом случае большинство сплавов будут иметь более низкую температуру, чем основной материал, до определенного процента.

Мы можем увидеть это поведение на так называемой «фазовой диаграмме». Слева направо вы можете видеть изменение температуры плавления (ликвидус-солидус) от 100% свинца до 100% олова.

Другим важным фактом на этой диаграмме является то, что у сплавов линия солидуса отличается от линии ликвидуса. Это просто означает, что между этими областями у вас есть «слякотный» материал, а это означает, что присутствуют как твердое, так и жидкое состояние. Быстрая порча, слякотный термоблок не подойдет, так что приходится проверять линию солидуса на предельную температуру.

Термическая ползучесть

Термическую ползучесть не следует путать с «тепловой ползучестью», обычно используемой в сообществе 3D-печати. Тепловая ползучесть больше связана с теплопроводностью нити накала, где тепло поднимается в холодную зону. Термическая ползучесть возникает, когда материал в течение длительного времени подвергается воздействию высокой температуры и напряжения. Материал будет медленно расслабляться и деформироваться с течением времени, даже если напряжение ниже безопасного коэффициента безопасности.

Выбор подходящего материала

Основываясь на этих знаниях, мы можем проанализировать следующие материалы, чтобы определить, какой из них лучше всего подходит для нашего применения.

1. Алюминий

Алюминий, без сомнения, является наиболее широко используемым материалом для термоблоков. Он имеет хорошую теплопроводность, низкую плотность, низкую стоимость, низкую стоимость обработки.

6061 является сплавом общего назначения и широко известен под состоянием Т6. Температура солидуса составляет 582°C, что довольно мало, учитывая нашу максимальную рабочую температуру 500°C.

Во время первой фазы закалки сплав 6061 нагревают до 500°C в течение 9-10 часов, чтобы получить однофазный сплав, то есть все добавленные элементы растворяются в алюминии. Затем столько же времени выдерживается при 180°С. При рассмотрении вопроса об использовании этого материала для термоблока возникает проблема, поскольку температура печати находится в пределах диапазона старения. Это медленно вернет сплав к исходному состоянию, что снизит предел прочности при растяжении с 270 МПа до 76 МПа при комнатной температуре.

Другие алюминиевые сплавы, такие как высокопрочный 2024-T4 или 7075-T6, имеют аналогичные температуры старения, что приводит к тем же проблемам при проектировании. В таблице ниже показаны механические свойства в зависимости от температуры. Алюминий общего назначения работает лучше, чем 2024, при 200°C и лучше, чем 7075, при 300°C.

2. Латунь

Латунь, в основном известная как материал сопла, имеет некоторые преимущества по сравнению с алюминием. Он имеет очень похожую теплопроводность и легко обрабатывается. Однако цена немного выше из-за высокого содержания меди.

Латунь должна иметь значительное преимущество перед алюминием. Отпуски, предлагаемые с типичной латунью (латунь C360), предназначены для холодной обработки и не должны подвергаться старению так же, как алюминий. Однако возникнет новая проблема, и она называется рекристаллизацией. При холодной обработке латуни зерна растягиваются, сжимаются и деформируются. Это значительно повышает механические свойства. Однако между 200°С и 300°С начинается рекристаллизация, которая заменяет «кованые» зерна стандартными новыми. Эти новые зерна имеют пониженные механические свойства.

Несмотря на такое поведение, обычный латунный сплав C360 все равно будет лучшим выбором, чем любой алюминиевый сплав. Ниже приведено сравнение с алюминием 6061.

3. Медь

Медь становится все более популярной в качестве материала для нагревательных блоков. У этого материала есть одно главное преимущество, он является отличным теплопроводником. Однако, как мы объясняли ранее, поскольку тепло должно пройти очень короткое расстояние, это не будет выгодно для конечного пользователя.

Медь дорогая, мягкая и быстро теряет свои термические свойства после легирования. Чистая медь имеет теплопроводность 391 Вт/м·К и предел прочности при растяжении 195 МПа, в то время как бериллиевая медь, один из самых прочных медных сплавов, имеет теплопроводность 118 Вт/м·К (такая же, как у латуни) и предел прочности при растяжении до 1000 МПа при отпуске.

Медные сплавы имеют ту же проблему, что и алюминий, в отношении дисперсионного твердения. Всего через 5 часов при температуре 370°C процесс старения уже снизил механические свойства на 25%.

Чистая медь не может подвергаться дисперсионному твердению, так как в ней нет легирующих элементов. Поведение очень похоже на латунь, где для улучшения механических свойств требуется отпуск на холодную обработку. Как и латунь, медь подвержена рекристаллизации. В этом случае температура немного выше, начиная примерно с 270°C.

Вопреки распространенному мнению, медь не имеет реальных преимуществ перед алюминием для применения при высоких температурах, как показано ниже. Латунь на самом деле гораздо лучший выбор.

4. Сталь

Этот материал менее популярен в сообществе 3D-печати, но вскоре вы поймете, что этот сплав обладает интересными свойствами для термоблока. Он доступен по цене, сложнее в обработке, чем латунь и алюминий, и не обладает коррозионной стойкостью. Однако сталь очень прочная и может выдерживать высокие температуры.

Как видно из раздела термообработки, сталь имеет совершенно другой способ отпуска. Закалка осуществляется быстрым охлаждением, которое полностью изменяет структуру зерна. Это изменение может противостоять температуре намного лучше, чем дисперсионное твердение или холодная обработка. Даже основная сталь без закалки может обеспечить отличные характеристики при высоких температурах.

Чтобы изменить зернистую структуру, сталь необходимо нагреть до так называемой температуры аустенизации, которая составляет около 725°C.

Как видно на графике ниже, сталь хорошо приспособлена к высокой температуре и более чем в 3 раза прочнее алюминия.

DyzEnd Pro

Теперь, когда вы ознакомились со свойствами и сравнением материалов, вам легче понять наше решение. При длительном использовании при высоких температурах латунь, медь и алюминий теряют свою прочность. Иногда это может произойти в течение нескольких часов после печати, в зависимости от температуры.

Тем не менее, проверки литературы никогда не бывает достаточно для проектирования. Мы провели тесты времени нагрева, температуры сопла, производительности экструзии и качества печати с 3 термоблоками: алюминиевым, медным и стальным. Единственная разница, которую мы заметили, заключалась в том, что и сталь, и медь нагревались немного дольше, чем алюминий. Экструзия, температура сопла и качество печати остались прежними.

Для высокотемпературных материалов лучше всего подходит сталь. С массивным 330 МПа при 500 ° C стальной нагревательный блок справится с любыми нитями без какого-либо риска. 9№ 0003

Для защиты от ржавчины мы выбрали широко распространенное химическое никелирование. Он великолепно выглядит и его очень легко содержать в чистоте благодаря свойствам никель-фосфорного сплава с низким коэффициентом трения.

CrossMark_default

%PDF-1.7
%
1 0 объект
>
эндообъект
2 0 объект
>
эндообъект
5 0 объект
>
эндообъект
32 0 объект
>
эндообъект
6 0 объект
>
эндообъект
7 0 объект
>
эндообъект
33 0 объект
>
эндообъект
8 0 объект
>
эндообъект
9 0 объект
>
эндообъект
34 0 объект
>
эндообъект
10 0 объект
>
эндообъект
11 0 объект
>
эндообъект
12 0 объект
>
эндообъект
13 0 объект
>
эндообъект
14 0 объект
>
эндообъект
15 0 объект
>
эндообъект
35 0 объект
>
эндообъект
16 0 объект
>
эндообъект
36 0 объект
>
эндообъект
17 0 объект
>
эндообъект
37 0 объект
>
эндообъект
18 0 объект
>
эндообъект
38 0 объект
>
эндообъект
190 объект
>
эндообъект
39 0 объект
>
эндообъект
20 0 объект
>
эндообъект
40 0 объект
>
эндообъект
21 0 объект
>
эндообъект
41 0 объект
>
эндообъект
22 0 объект
>
эндообъект
42 0 объект
>
эндообъект
23 0 объект
>
эндообъект
43 0 объект
>
эндообъект
47 0 объект
>
эндообъект
49 0 объект
>
ручей
приложение/постскриптум

Adobe Illustrator CS32013-02-05T18:07:56+05:302013-02-05T18:07:57+05:302013-02-05T18:07:57+05:30

uuid:442143DE906FE2118969D7BB7C6651A0uuid:452143DE906FE2118969D7BB7C6651A0uuid:ED89299699BFE111B3B3AA974B5B975Euuid:1470992090BFE111B3B3AA974B5B975EBasic RGB841. 889587595.275391Points1FalseFalse

конечный поток
эндообъект
48 0 объект
>
эндообъект
50 0 объект
>
ручей
hώ0}D. dUuC+m:6cQC_+$��8ħxfؒ` l.S1;,ѧ*b��J9St̢6yàɥh#ꭠ
]9h&#,u)`]%ؿB{
ZnwKPoN%3

радиаторы | Advanced Thermal Solutions

Опубликовано 17 апреля 2019 г. Джошем Перри | 1 комментарий

Автор Norman Quesnel
Старший сотрудник отдела маркетинга
Advanced Thermal Solutions, Inc. (ATS)

Радиаторы из экструдированного металла являются одними из самых дешевых и широко используемых распределителей тепла в электронике. Помимо доступности, экструдированные радиаторы имеют малый вес, их легко обрезать по размеру и форме, а также они способны обеспечить высокий уровень охлаждения.

Металл
Варианты

Большинство экструдированных радиаторов изготовлены из
алюминиевые сплавы, в основном из сплава серии 6000, где преобладает алюминий. След
добавляются количества других элементов, включая магний и кремний. Эти
сплавы легко экструдировать и обрабатывать, поддаются сварке и закалке.

Обычными сплавами для экструдированных радиаторов являются металлы 6063. Их можно экструдировать в виде сложных форм с очень гладкими поверхностями. Алюминий 6061 также используется для экструзии. Его предел прочности при растяжении (до 240 МПа) превосходит сплавы 6063 (до 186 МПа). Помимо радиаторов, эти алюминиевые сплавы популярны для архитектурных применений, таких как оконные и дверные рамы. [1]

Рис. 1. Радиатор из экструдированного алюминия с черным анодированным покрытием. [2]

Поверхности этих металлов могут быть анодированы для замены естественного поверхностного слоя оксида алюминия. Анодирование обеспечивает большую теплопередачу, коррозионную стойкость и лучшую адгезию к грунтовке. Это электрохимический процесс, который увеличивает излучательную способность поверхности, коррозионную стойкость и износостойкость, а также электрическую изоляцию.

Процесс экструзии

Алюминиевые сплавы популярны для экструзии в качестве теплоотводов, поскольку они обеспечивают пластичность и формуемость. Они легко поддаются механической обработке, а их плотность составляет всего одну треть плотности стали. Это приводит к получению прочных и стабильных профилей при сниженной стоимости по сравнению с другими материалами.

Рис. 2. Нагретые заготовки из алюминиевого сплава проталкиваются через головку для изготовления радиаторов экструдированной длины и других деталей. [3]

Начинается процесс экструзии алюминия
с проектированием и созданием матрицы, которая будет формировать профиль радиатора. Один раз
это было сделано, цилиндрическая заготовка из алюминия нагревается в горне до
высокие температуры, обычно между 800-925°F
(427-496°С). Затем к алюминию добавляется смазка, чтобы предотвратить его
прилипание к какой-либо технике. Затем он помещается на загрузчик и давление
применяется с помощью плунжера, чтобы протолкнуть нагретый алюминий через матрицу.

Во время этого процесса добавляется азот для предотвращения окисления. Выдавленная часть полностью пройдет через матрицу и выйдет с другой стороны. Теперь он имеет удлиненную форму отверстия матрицы. Готовая экструзия затем охлаждается, и, при необходимости, процесс выпрямления и закалки создает готовый продукт.

Их можно нарезать до нужной длины, просверлить и подвергнуть механической обработке, а также подвергнуть окончательному процессу старения, прежде чем они будут готовы к продаже. [4]

Обычно поставляются готовые радиаторы
с анодированными поверхностями, что может улучшить их тепловые характеристики.
В качестве альтернативы хроматное покрытие обеспечивает некоторую защиту от коррозии или может быть
используется в качестве грунтовки перед нанесением окончательной краски или порошкового покрытия. [5]

Формы
Экструдированные радиаторы

Ассортимент экструдированных профилей радиаторов
от простых конструкций с плоскими задними ребрами до сложной геометрии для оптимизации
охлаждение. Они могут использоваться для естественной (пассивной) или принудительной конвекции (активной).
с дополнительным вентилятором или воздуходувкой. Экструдированные профили также могут включать специальные
геометрия и узоры канавок для использования с зажимом или нажимным штифтом
системы. [6]

Рисунок 3. Экструдированные радиаторы доступны в различных формах и длинах. [6]

Профили также доступны в
насыпные длины, т.е. 8 футов, которые могут быть разной длины для каждого клиента
потребности.

Оптимизация
Тепловые характеристики Алюминиевый сплав

6063 имеет теплопроводность 201-218 Вт/(мК). Теплопроводность алюминия 6061 с более высокой прочностью на разрыв колеблется в пределах 151-202 Вт/(мК).

Помимо выбора алюминиевого сплава, выбор оптимального экструдированного
теплоотвод должен учитывать его габариты и массу, заданные тепловые
сопротивление и форма экструзии (плоская спинка, плоская спинка с зазором, полая,
двусторонний и др.). [7]

Экструдированные радиаторы могут иметь очень тонкие и, следовательно, более тонкие ребра, чем радиаторы других типов. Их можно экструдировать с соотношением сторон около 8:1, что может значительно оптимизировать характеристики радиатора. Соотношение сторон радиатора — это, по сути, сравнение высоты его ребер с расстоянием между ребрами.

В типичных радиаторах соотношение сторон составляет от 3:1 до 5:1. Радиатор с большим соотношением сторон имеет более высокие ребра с меньшим расстоянием между ними для соотношения, которое может составлять от 8: 1 до 16: 1 или больше.

Рисунок 4. Различные экструдированные радиаторы с тонкими ребрами, установленные на печатной плате. [8]

Таким образом,
радиатор с высоким соотношением сторон обеспечивает большую плотность ребер в данном
занимаемая площадь больше, чем у раковины более распространенных размеров. Большим преимуществом является увеличение
площадь поверхности, рассеивающей тепло, которую он обеспечивает за счет дополнительных ребер.
Кроме того, эти радиаторы не занимают больше ни длины, ни ширины. Результат
более эффективный радиатор с более высокой производительностью на грамм в том же
след. [9]

Применение

Экструдированный радиатор используется в основном для увеличения площади поверхности
доступны для передачи тепла от мощных полупроводниковых приборов, таким образом
снижение температуры внешнего корпуса данного полупроводника, а также его
температура внутреннего перехода.

Рис. 5. Штампованные радиаторы, закрепленные на процессорах с помощью зажимов (слева) и нажимных штифтов (справа). [10]

Это позволяет полупроводниковым устройствам работать с максимальной производительностью.
уровне с максимальной надежностью. Такие полупроводниковые устройства включают (но
не ограничиваясь) силовыми ВЧ-транзисторами, ВЧ-усилителями мощности, силовыми МОП-транзисторами,
БТИЗ, инверторные силовые модули и тиристорные модули.

Рис. 5. Экструдированные радиаторы, привинченные к кирпичному преобразователю постоянного тока. [11]

В некоторых схемах преобразования мощности большие диоды, выпрямители, диодные модули и даже мощные резисторы (толстопленочные и т. д.) также могут потребовать теплового контакта с экструдированным радиатором. Для охлаждения силовых преобразователей постоянного тока и силовых модулей доступны экструдированные радиаторы для полных, половинных, четвертных и одной восьмой кирпичей размеров

Каталожные номера

1. https://en. wikipedia.org/wiki/6063_aluminium_alloy
2. http://www.aluminumextrusionsprofiles.com/sale-7552970-black-anodized-aluminium-heat-sink-profiles-extruded-aluminum-heatsink-radiators.html
3. https://www.aec.org/page/basics_basics
4. https://www.clintonaluminum.com/6061-aluminum-vs-6063-in-extrusion-applications
5. http://www.wakefield-vette.com/products/natural-convection/thermal-extrusions-overview/CategoryID/15/Default.aspx
6. https://www.boydcorp.com/thermal/heat-sinks /extruded.html
7. http://www.richardsonrfpd.com/Pages/Product-End-Category.aspx?productCategory=10188
8. http://www.getecna.com/products/heat-sinks/
9. https://www.getecna.com/products/heat-sinks/
10. qats.com/cms/2013/04/11/increased-performance-from-high-raspect-ratio-heatsinks/
11. https://www.qats.com/Heat-Sink/Attachments
12. https:/ /www.powerelectronics.com/thermal-management/heatsinks-cool-brick-dc-dc-converters

Для получения дополнительной информации о консультационных услугах по управлению температурным режимом и проектировании компании Advanced Thermal Solutions, Inc. (ATS) посетите веб-сайт https://www.qats.com/consulting или свяжитесь с ATS по телефону 781.769.2800 или [email protected] . Чтобы зарегистрироваться в Qpedia и получить доступ к ее архивам, посетите
https://www.qats.com/Qpedia-Thermal-eMagazine . Оставить комментарий

Высокопроизводительные серверы — это устройства, специально разработанные для обработки больших вычислительных нагрузок, огромного количества сигналов связи, быстрой обработки данных и т. д. В силу своей ориентированности на задачи высокопроизводительные серверы должны обладать высокой надежностью, взаимозаменяемостью , компактный размер и удобство обслуживания.

Для достижения высокой скорости вычислений высокопроизводительные серверы обычно имеют десятки процессоров и моделей памяти. Они также имеют специальные модули обработки данных и блоки управления для обеспечения бесперебойной связи между ЦП и возможности параллельной обработки данных. Для достижения более высоких скоростей рассеиваемая мощность высокопроизводительных ЦП в последнее десятилетие постоянно увеличивалась из-за их использования в высокопроизводительных серверах.

Охлаждение
серверы мощностью в несколько десятков кВт бросают вызов инженерам-теплотехникам. Иметь дело
с постоянно растущей проблемой высокого теплового потока в высокопроизводительных серверах, это
необходимо сотрудничество инженеров-электриков, механиков и системных инженеров для решения
проблема. Работа по удалению сильного теплового потока от ЦП к окружающей среде требует
решения на уровне чипа, на уровне платы и на уровне корпуса.

Wei [1] описал достижения Fujitsu в области управления температурным режимом в своем высокопроизводительном UNIX-сервере PRIMEPOWER 2500. Серверный шкаф показан на рис. 1. Его размеры составляют 180 см × 107 см × 179 см (В × Ш × Г), максимальная мощность рассеиваемая мощность 40 кВт. Конфигурация системы PRIMEPOWER 2500 показана на рисунках 2 и 3. Он имеет 16 системных плат и 2 платы ввода-вывода (I/O), установленных вертикально на двух платах задней панели. Два щита задней панели соединены между собой шестью (6) поперечинами, установленными горизонтально.

Рисунок 1. Статив PRIMEPOWER 2500 [1]Рисунок 2. Конфигурация системы PRIMEPOWER 2500 [1]Рисунок 3. Модуль системной платы PRIMEPOWER 2500 [1]

To
охлаждение электрических компонентов внутри PRIMEPOWER 2500, 48 вентиляторов диаметром 200 мм
устанавливаются между блоком системной платы и блоком питания. Они
обеспечить принудительное воздушное охлаждение системных плат и блоков питания. Кроме того,
шесть вентиляторов диаметром 140 мм установлены с одной стороны поперечины для охлаждения
ригельные доски с горизонтальным потоком. Направление потока показано на рисунке
3. Каждая системная плата имеет ширину 58 см и длину 47 см.

На каждой системной плате имеется восемь процессоров ЦП, 32 модуля памяти Dual In-Line, 15 процессоров системного контроллера и соответствующие преобразователи постоянного тока. Общая рассеиваемая мощность на системную плату составляет не более 1,6 кВт.

Рис. 4. Системная плата PRIMEPOWER 2500 [1]

До
охлаждение электрических компонентов внутри PRIMEPOWER 2500, 48 вентиляторов диаметром 200 мм
устанавливаются между блоком системной платы и блоком питания. Они
обеспечить принудительное воздушное охлаждение системных плат и блоков питания. Кроме того,
шесть вентиляторов диаметром 140 мм установлены с одной стороны поперечины для охлаждения
ригельные доски с горизонтальным потоком. Направление потока показано на рисунке
3. Каждая системная плата имеет ширину 58 см и длину 47 см.

Есть
восемь процессоров ЦП, 32 модуля памяти Dual In-Line, 15 системных контроллеров
процессоры и соответствующие преобразователи постоянного тока на каждой системной плате. Комбинированный
рассеиваемая мощность на системную плату составляет не более 1,6 кВт.

Принудительный
Технология воздушного охлаждения обычно используется в компьютерах, коммуникационных шкафах,
и встроенные системы, благодаря своей простоте, низкой стоимости и простоте реализации.
Для высокопроизводительных серверов растущая удельная мощность и ограничения воздушного охлаждения
возможности и мощность подачи воздуха выдвинули принудительное воздушное охлаждение на его
предел производительности.

Для
системы высокой мощности, такие как PRIMEPOWER 2500, требуется сочетание хорошего процессора
дизайн, оптимизированная компоновка платы, усовершенствованный материал теплового интерфейса (TIM),
высокопроизводительные радиаторы и мощные вентиляторы для достижения желаемого охлаждения.

Общий подход к охлаждению многоплатной системы заключается в том, чтобы сначала определить
самый горячий силовой компонент с наименьшим температурным запасом. Для
высокопроизводительный сервер, это центральные процессоры. Для нескольких процессоров на системной плате
как правило, ЦП, расположенный на выходе платы или других ЦП, имеет
самая высокая температура.

Таким образом, требования к тепловому сопротивлению для этого процессора:

Где T _j,max — максимально допустимый переход
температура, T _a – температура окружающей среды, ∆T _a – повышение температуры воздуха из-за
предварительный нагрев перед ЦП, а q _max — максимальная мощность ЦП.

Тепловое сопротивление перехода ЦП к воздуху:

Где R _jc — тепловое сопротивление перехода ЦП к корпусу.
сопротивление, R _TIM — тепловое сопротивление термоинтерфейса
материалов и R _hs — тепловое сопротивление радиатора. Уменьшить
температура перехода процессора, очень важно найти интуитивно понятные способы минимизировать
R _jc , R _TIM и R _hs , поскольку любое снижение
Тепловое сопротивление важно для снижения температуры перехода.

Корпус ЦП и модуль радиатора PRIMEPOWER 2500 показаны на рис. 5. Корпус ЦП имеет встроенный теплораспределитель (IHS), прикрепленный к микросхеме ЦП. Высокопроизводительный TIM используется для соединения микросхемы ЦП и IHS вместе, см. рис. 6. Модуль радиатора устанавливается на IHS с другим TIM между ними.

Рисунок 5. Корпус ЦП PRIMEPOWER 2500 и модуль радиатора [1]
Рисунок 6. Комплект ЦП [1]

TIM, используемый между чипом ЦП и IHS, имеет решающее значение для производительности ЦП.
операция. У него две ключевые функции: отводить тепло от чипа к IHS.
и уменьшить нагрузку на чип ЦП, вызванную несоответствием коэффициента
тепловое расширение (CTE) между чипом ЦП и IHS. Fujitsu разработала TIM
изготовлен из композитного припоя In-Ag для вышеуказанного применения. Композит In-Ag
имеет низкую температуру плавления и высокую теплопроводность. Он относительно мягкий,
что хорошо для поглощения теплового напряжения между чипом и IHS.

Wei [2] также исследовал влияние теплопроводности на характеристики распространения тепла. Он обнаружил, что алмазный композит IHS (k = 600 Вт/(мК)) приводит к более низкому температурному градиенту на чипе и низкотемпературным горячим точкам по сравнению с нитридом алюминия (k = 200 Вт/(мК)) и медью (k =400 Вт/(мК)). Результаты моделирования показаны на рис. 7.

Рис. 7. Сравнение материалов распределителя тепла [2]

In
высокопроизводительные серверы, такие как PRIMEPOWER 2500, тепловые характеристики
выгоды от оптимизации TIM и IHS невелики, потому что они составляют лишь
небольшая часть общего теплового сопротивления. Радиаторы отводят тепло от
ЦП к воздуху и играют важную роль в управлении температурой
сервер. В серверном приложении радиатор должен соответствовать не только
механические и тепловые требования, а также ограничения веса и объема.
Отсюда широкое применение тепловых трубок, паровых камер и композиционных материалов.
место высокопроизводительных радиаторов.

Койде
и др. [1] сравнили тепловые характеристики и вес различных радиаторов.
для серверного приложения. Результаты показаны на рисунке 8. Они использовали
Радиатор с медным основанием и алюминиевым оребрением в качестве эталона. По сравнению с медным основанием/алюминиевым оребрением.
радиатор, радиатор с медным основанием и медным оребрением на 50% тяжелее и прибавляет в весе всего 8%
производительность.

Если в основании используется тепловая трубка, вес радиатора можно уменьшить на 15 %, а тепловые характеристики увеличить на 10 %. Если испарительная камера встроена в основание радиатора, это уменьшает вес радиатора на 20% и увеличивает производительность радиатора на 20%.

Рис. 8. Сравнение тепловых характеристик и веса различных радиаторов [1] Рис. 9. (a) Радиатор USIII для сервера Sun Fire 15K, (b) Радиатор USIV для Sun Fire 25K [3]

Sun Microsystems high- производительность Сервер Sun Fire 15K использует радиатор USIII для охлаждения своих 72 процессоров UltraSparc III (USIII). В Sun Fire 25K Server процессоры обновлены до UltraSparc IV (USIV), максимальная мощность которого составляет 108 Вт. Для охлаждения процессора USIV Сюй и Фоллмер [3] разработали новый радиатор USIV с медным основанием/медным оребрением. , см. рис. 9. Старый радиатор USIII имеет 17 кованых алюминиевых ребер, радиатор USIV имеет 33 медных ребра. Оба радиатора имеют одинаковые размеры основания и высоту.

Рисунок 10. Сравнение теплового сопротивления между радиатором USIII и радиатором USIV [3]

Рисунок
10 показано сравнение теплового сопротивления между радиатором USIII и USIV.
радиатор. Тепловое сопротивление радиатора УСИВ почти на 0,1°С/Вт ниже
чем у радиатора USIII при средних и высоких скоростях потока, что является огромным
выигрыш в тепловых характеристиках. Улучшение тепловых характеристик нагревателя УКИВ
мойка не без штрафа.

Рисунок 11. Сравнение падения давления между радиатором USIII и радиатором USIV [3]

Рисунок
11 показано сравнение падения давления между теплоотводом USIII и теплоотводом USIV.
раковина. При одинаковом расходе воздуха падение давления на радиаторе УКИВ составляет
выше, чем у радиатора USIII. Это означает, что сервер Sun Fire 25K
нужны более мощные вентиляторы и улучшенные схемы потока для обеспечения теплоотвода USIV
иметь достаточный охлаждающий поток.

конструкция метода охлаждения в высокопроизводительных серверах аналогична
методология, используемая в проектном решении для охлаждения других электронных устройств,
но в повышенном масштабе. Основное внимание уделяется выявлению самых горячих компонентов,
который в большинстве случаев является процессором. Из-за чрезвычайно высокой мощности процессоров, модулей памяти,
чит-распределитель, TIM и радиаторы для достижения желаемого охлаждения сервера.
Цель теплового управления состоит в том, чтобы найти экономичные способы поддержания
температура перехода ЦП ниже, чем указано в спецификации, и обеспечить
непрерывная работа сервера. Wei [1] доказал, что сервер мощностью 40 кВт может быть
охлаждается принудительным воздушным охлаждением.

Однако,
для этого требуется высокоинтегрированная конструкция и огромный воздушный поток, который 54
вентиляторы внутри PRIMEPOWER 2500 могут генерировать. В ближайшем будущем было бы очень
трудно принудительным методом воздушного охлаждения охлаждать шкафы мощностью более 60 кВт
сила. Для обеспечения огромного потока воздуха потребуются более крупные вентиляторные блоки.
и радиаторы большого размера для передачи тепла от процессоров воздуху, что делает его
невозможно разработать надежную, компактную и экономичную систему охлаждения для
сервер.

Мы
должны найти альтернативные способы решения этой проблемы, другие методы охлаждения,
такие как воздушные струи, системы жидкостного и холодильного охлаждения,
имеют возможность рассеивать больше тепла. Но для этого потребуется интуитивный
упаковка для их интеграции в серверную систему.

Каталожные номера:

1. Вэнь Дж. Управление температурным режимом высокопроизводительного оборудования Fujitsu.
   Серверы, источник: http://www.fujitsu.com/downloads/MAG/vol43-1/paper14.pdf.
2. Койде, М.; Фукузоно, К.; Йошимура, Х .; Сато, Т .; Абэ, К.;
   Фудзисаки, Х .; Высокая производительность
   Технология Flip-Chip BGA, основанная на подложках с тонким сердечником и без сердечника,
   Труды 56-го ECTC, Сан-Диего, Калифорния, США, 2006 г., стр. 1869.-1873.
3. Сюй, Г; Фоллмер, Л.; Тепловое решение
   Разработка высокотехнологичной системы, материалы 21-й конференции IEEE SEMI-THERM
   Симпозиум, Сан-Хосе, Калифорния, США, 2005 г., стр. 109-115.

Для получения дополнительной информации о консалтинговых и проектных услугах Advanced Thermal Solutions, Inc. (ATS) по управлению температурным режимом посетите сайт https://www.qats. com/consulting или свяжитесь с ATS по телефону 781.769.2800 или [email protected] .

Опубликовано 7 ноября 2018 г. Джош Перри | Оставить комментарий

Возникает вопрос, зачем платить больше за более эффективный радиатор, который к тому же меньше и легче по весу, особенно в тех случаях, когда простой, более крупный, но более тяжелый литой или экструдированный радиатор также может выполнять эту работу? В большинстве случаев цена одной детали является основной причиной того, почему инженеры и покупатели остаются с менее эффективными решениями. Обычно это происходит потому, что они считают, что экономят деньги для компании в долгосрочной перспективе.

Но так ли это на самом деле?

Очень легко сравнить цену двух одинарных радиаторов, высокоэффективного, и стандартного экструдированного типа с такими же тепловыми характеристиками. Но такое упрощенное сравнение не учитывает характеристики потока, влияние на соседние и последующие компоненты, вес, использование объема и т. д.

(Advanced Thermal Solutions, Inc.)

Что делает радиатор эффективным радиатором может задаться вопросом? Такой радиатор оптимизирован как для потока, так и для теплопередачи и, следовательно, гораздо лучше использует объем, доступный для охлаждения, и имеющийся охлаждающий воздух. Геометрия радиатора оптимизирована за счет использования тонких ребер и специальной конструкции для снижения сопротивления воздуха, что обеспечивает максимально возможную скорость в области ребер при минимальном эффекте байпасного потока. Из-за этого он также оказывает меньшее интрузивное воздействие на поток, что положительно влияет на соседние и нижележащие потоки. Это снижает перепады давления на плате и в системе. Результат сравнительного теста, представленный Lasance C.J.M. и Eggink H.J., демонстрирует это. [1]

Форма и количество ребер определяют доступную площадь поверхности. Чем больше площадь поверхности, контактирующей с охлаждающим воздухом, тем больше энергии может быть отдано в воздух и, следовательно, тем ниже температура радиатора. Самое главное, температура компонентов также будет ниже. Конечно, это справедливо только в том случае, если температура охлаждающего воздуха, проходящего через поле ребер, все еще ниже температуры ребер; в противном случае не произойдет чистой передачи тепла от радиатора к воздуху. Как показано в литературе, существует оптимальное соответствие между количеством ребер и общим охлаждающим эффектом этих ребер.

Чтобы получить лучшее сравнение, давайте рассмотрим другие связанные эффекты, которые приведут к увеличению стоимости системы из-за выбранного решения для охлаждения:

1. Влияние на поток
2. Масса радиатора
3. Крепление для радиатора
4. Механические регулировки, необходимые для обработки веса как на уровне платы, так и на уровне системы, а также для выполнения механических требований к ударам и вибрации
5. Использование сырья для производства охлаждающего раствора
6. Требуемая мощность вентилятора
7. Надежность продукта
8. Транспортные расходы
9. Стоимость окончания срока службы

На рис. 1 показано изображение теста визуализации потока через штифтовое ребро и тестируемое устройство. Сравните объем потока, поступающего на штифтовое ребро и на ИУ, которое в данном случае является радиатором maxiFLOW™. Большая часть воды, «попадающей» на штыревой плавник, проходит мимо него из-за высокого сопротивления воздуха поля плавника. Посмотрите на поток, который остается ниже по потоку от штифтового ребра, который ниже, чем поток вверх по потоку. Представьте, что произойдет, если мы поместим несколько игольчатых ребер в ряд ниже друг друга, потому что нам нужно охлаждать несколько устройств подряд.

Рис. 1. Испытание потока на штифтовом оребрении (слева) и тестируемом устройстве (справа) в водном туннеле. Поток идет сверху вниз. (Advanced Thermal Solutions, Inc.)

Первое штифтовое ребро будет иметь достаточное охлаждение, но чем дальше мы спускаемся вниз по потоку, тем менее эффективным становится радиатор. Для охлаждения будет доступно ограниченное количество воздуха, поскольку большая часть воздуха проходит мимо радиаторов. Какова первая реакция, ничего не зная о структуре течения? Нам нужен более крупный радиатор на выходе, чтобы получить такой же охлаждающий эффект; или, может быть, нам нужно рассмотреть более мощную систему вентиляторов, чтобы прогонять больше воздуха через систему. Однако, если бы мы начали с точки зрения системного уровня вместо того, чтобы концентрироваться на одном радиаторе, мы бы более внимательно изучили поле течения и взаимодействие между радиатором и потоком и могли бы прийти к лучшее решение.

Например, во многих случаях общее количество радиаторов может быть уменьшено, потому что другие компоненты лучше охлаждаются и, вероятно, не требуют дополнительного охлаждения.

Стандартные экструдированные профили радиатора и литые радиаторы обычно имеют толстое основание и толстые ребра и изготавливаются из алюминиевых сплавов с меньшей теплопроводностью. Более низкая проводимость является результатом включенных добавок, облегчающих производство продукта. Основание и плавники имеют тенденцию быть более толстыми, потому что труднее изготовить тонкие и высокие плавники. Специально для естественной конвекции оптимальный теплоотвод с тепловой точки зрения легко может быть в десять раз тоньше, чем предлагается. Основным конструктивным фактором для этих типов радиаторов является простота изготовления, а не общие тепловые характеристики. Конечным результатом является более объемный и тяжелый радиатор, который плохо использует доступный объем и отрицательно влияет на поток.

Чтобы иметь стабильную механическую конструкцию, требуется более прочное механическое крепление к компоненту/плате, чтобы выдержать вес стандартных радиаторов по сравнению с высокопроизводительными. Эффективный легкий радиатор все еще можно прикрепить с помощью скотча, клея и других методов крепления, при которых сам компонент используется в качестве анкера.

С учетом общего веса стандартного радиатора и механизма его крепления общий вес продукта будет значительно выше, чем у конструкции, основанной на более эффективных решениях по охлаждению.

То же самое относится к конструкциям светодиодов, в которых корпус используется в качестве радиатора. Корпус часто изготавливается методом экструзии или литья, что ограничивает свободу дизайна. Как правило, они изготавливаются из алюмоцинкового сплава (Zamac) с теплопроводностью около 115 Вт/мК; тогда как алюминий, используемый для формования, находится в пределах 100-150 Вт/мК; отожженная латунь составляет около 60 Вт/мК; алюминиевый сплав AL 6063 имеет теплопроводность 201 Вт/мК, а алюминиевый сплав AL 1050A достигает 229 Вт/мК.

Распространение тепла является важным фактором в большинстве применений светодиодов и определяет тепловой расчет системы охлаждения светодиодов. Если анализ показывает, что распространение тепла важно, следствием этого является то, что для материалов с более низкой теплопроводностью единственным вариантом является либо увеличение толщины основания, либо встраивание тепловых трубок или испарительных камер, что увеличивает стоимость и вес.

Решения для светодиодного освещения Ephesus с системой управления температурным режимом ATS использовались в недавнем Суперкубке на стадионе US Bank Field в Миннеаполисе.

Кованые радиаторы изготовлены из алюминия с высокой проводимостью, но сам метод изготовления очень ограничен в свободе дизайна. Так что, как правило, для повышения производительности требуется радиатор большего размера. Для естественной конвекции использование теплопроводного пластика может представлять интерес из-за его меньшего веса и большей свободы дизайна. Пластмассы, усиленные углеродными волокнами, также могут быть использованы, но требуют особого внимания из-за их неортогонального поведения проводимости. Другими вариантами являются конструкции, представляющие собой комбинацию высокоэффективных радиаторов и тепловых трубок либо для улучшения распространения тепла, когда радиатор намного больше источника, либо для передачи тепла от источника к удаленному радиатору.

Помимо крепления радиатора к одному или нескольким компонентам, общий вес платы, включая решения для охлаждения, влияет на общую механическую конструкцию. Для обеспечения механической стабильности продукта необходимы дополнительные механические характеристики, которые увеличат стоимость и вес и еще больше ограничат свободу проектирования.

Как обсуждалось ранее, более объемное решение для радиатора требует большего количества сырья. Однако первоначальный процесс производства алюминия является энергоемким, и мы хотели бы уменьшить его в мире, где сокращение потребления энергии является ключевым фактором. К счастью, он может быть переработан без потери своих свойств, а процесс переработки использует лишь часть энергии в начальном производственном процессе. Наконец, существуют производственные технологии, такие как склеивание, складывание и шлифовка, которые не страдают от этих проблем с устойчивостью.

Кроме того, менее эффективный радиатор, такой как штифтовое ребро или стандартный экструдированный тип радиатора, приведет к более высокому сопротивлению воздуха и менее оптимизированному потоку через компоненты/плату и через систему. Чтобы преодолеть более высокое сопротивление воздуха и обеспечить больший поток для компенсации уменьшенного воздушного потока, требуется более мощный вентилятор или большее количество вентиляторов. Более мощный вентилятор может означать либо более крупный тип вентилятора, либо разрешение текущему вентилятору работать с более высокой скоростью вращения. Однако удвоение скорости вентилятора означает увеличение входной мощности вентилятора в 8 раз. В результате в системе рассеивается больше тепла, блок питания потребляет больше тока, а сам вентилятор рассеивает больше мощности. Это приведет к более высокой температуре вентилятора, что сократит срок его службы. Кроме того, более высокая скорость вращения вентилятора и больший поток приведут к более высокому уровню шума.

Оптимизация тепловой схемы путем оптимизации вокруг радиатора может в некоторых случаях вообще избежать использования вентилятора, компенсируя дополнительные затраты на более сложный радиатор. Использование более эффективных решений для охлаждения приведет к более оптимизированному общему тепловому расчету системы, что напрямую повлияет на термические и термомеханические проблемы надежности всей системы. Стоимость транспортировки охлаждающего раствора до производителя системы также имеет свою цену. Эта цена основана на отгруженном объеме и весе. Эффективные решения для охлаждения имеют меньший объем и меньший вес, что приводит к снижению транспортных расходов. Фактор веса также применим к конечному продукту, поскольку продукт, оснащенный решениями для охлаждения с меньшим весом, будет дешевле транспортировать.

Помимо транспортных проблем, применим человеческий фактор: возьмем, к примеру, уличный фонарь на светодиодах. Подъем 30-килограммовой лампы и установка ее на столбе по сравнению с подъемом 20-килограммовой лампы говорит сам за себя. Кроме того, опора должна быть сконструирована таким образом, чтобы выдерживать вес лампы, что потенциально снижает затраты на лампу меньшего веса. Каждый продукт имеет определенный экономический и технический срок службы и впоследствии подлежит переработке. Охлаждающий раствор также необходимо перерабатывать. Радиатор, корпус лампы — в большинстве случаев изготовленные из алюминия — могут быть переработаны экономичным и энергоэффективным способом; но чем меньшую массу мы перерабатываем, тем лучше.

Подводя итог, можно сделать вывод, что стоит сосредоточиться на стоимости всей системы, а не только на стоимости отдельных частей. В давно минувшие времена было стандартной практикой, когда руководители проектов получали бонусы за покупку деталей как можно дешевле. Излишне говорить, что такое отношение не может существовать в мире, где конечные пользователи покупают полные системы, а не набор частей. Однако в случае с радиаторами мы по-прежнему наблюдаем неоптимальную политику закупок, часто основанную на недостатке знаний и устаревших протоколах.

Ссылки
1- Lasance, C.J.M., Eggink, H.J., «Метод ранжирования радиаторов на практике: тестер производительности радиатора», Proc. 21st SEMITHERM, стр. 141-145, Сан-Хосе, Калифорния.

Опубликовано 13 августа 2018 г. Джош Перри | 1 комментарий

(Эта статья была опубликована в выпуске электронного журнала Qpedia Thermal e-Magazine, онлайн-издания, посвященного управлению температурным режимом электроники. Чтобы получить текущий выпуск или просмотреть архивы, посетите http://www. qats.com/Qpedia-Thermal-eMagazine.)

Радиаторы обычно используются в приложениях для охлаждения электроники, чтобы поддерживать критические компоненты ниже рекомендуемой максимальной температуры перехода. Общее сопротивление теплопередаче от спая к воздуху, R _и , может быть выражено как сумма следующих значений сопротивления, как показано в уравнении 1 и на рисунке 1.

Где R _jc внутреннее тепловое сопротивление от перехода к корпусу компонента. р _TIM — тепловое сопротивление материала термоинтерфейса. R _f — общее тепловое сопротивление через ребра. Последний член в уравнении 1 представляет собой сопротивление жидкости, т.е. воздуха, проходящего через радиатор, где m — массовый расход, а C _p — теплоемкость жидкости. Как видно из уравнения 2, R _cond и R _cond представляют собой сопротивление проводимости и конвекции соответственно через ребра радиатора.

Рис. 1 – Сеть сопротивления типичного радиатора при охлаждении электроники. [1]

Рис. 2 – Источник тепла на основании радиатора. [2]

R _s обозначает сопротивление растеканию, которое отлично от нуля, когда основание радиатора больше, чем компонент. В следующих нескольких разделах показано полное аналитическое решение для расчета сопротивления растеканию, за которым следует приближенное упрощенное решение и величина ошибки из полного решения и, наконец, использование этих решений для моделирования и оптимизации радиатора.

Аналитическое решение сопротивления растеканию

Lee et al. В [2] получено аналитическое решение для сопротивления растеканию. На рис. 2 показано поперечное сечение круглого источника тепла радиусом а по основанию радиусом b и толщиной t. Теплота q исходит от источника, распространяется по основанию и рассеивается в жидкости на другой стороне с коэффициентом теплопередачи h. Для теплопередачи через ребристые радиаторы эффективный коэффициент теплопередачи связан с тепловым сопротивлением ребер, R _f , как показано в уравнении 3. Для квадратных источников тепла и пластин значения a и b можно аппроксимировать, найдя эффективный радиус, как показано в уравнениях 4 и 5.

Где
h = коэффициент теплопередачи [Вт/м ² K]
a = эффективный радиус нагревателя [м]
A _{нагреватель} = площадь нагревателя [м ² ]
b = эффективный радиус основания радиатора [м]
Основание = общая площадь основания радиатора [м ² ]

Получение аналитического решения начинается с уравнения Лапласа для кондуктивной теплопередачи и применения граничных условий. Уравнение 6 показывает окончательное аналитическое решение для сопротивления растеканию. Значения собственного значения можно вычислить, используя функцию Бесселя первого рода на внешнем краю пластины, r=b, как показано в уравнении 7.

Где
k = теплопроводность пластины или раковина [Вт/мК]
J ₁ = функция Бесселя первого рода
λ _n = собственное значение, которое можно вычислить с помощью уравнения (3) при r = b
t = толщина основания радиатора [м]

Lee et al. [2] также предложил приближение, как показано в уравнении 8, наряду с приближением для собственных значений, как показано в уравнении 9. Это приближение устраняет необходимость вычисления сложных формул, которые включают функции Бесселя, и может быть вычислено с помощью простого калькулятора.

Аппроксимация и полное решение

Саймонс [3] сравнил полное решение (уравнения 6 и 7) с приближениями, показанными в (уравнениях 8 и 9). Задача содержала источник тепла площадью 10 мм на пластине толщиной 2,5 мм с проводимостью 25 Вт/мК, шириной 20 мм и переменной длиной L, как показано на рисунке 3. Рисунок 4 показывает, что процентная ошибка увеличивается с длиной, но остается неизменной. относительно низко. Ожидается погрешность менее 10% для длин до 50 мм; в пять раз больше длины нагревателя. Это приемлемо для большинства инженерных задач, поскольку аналитические решения являются первоначальными приближениями, которые впоследствии должны быть проверены с помощью эмпирических испытаний и/или моделирования CFD. Однако следует использовать полное аналитическое решение, если разница площадей основания нагревателя и радиатора становится намного больше или если требуется более точное решение.

Рис. 3 – Пример задачи для сравнения аналитического и приближенного решений для сопротивления растеканию. [3]

Рис. 4. Процентная ошибка между аналитическим и приблизительным решением сопротивления растеканию для примера, показанного на рис. 3. [3]

Оптимизация производительности радиатора

Целью любого решения для электронного охлаждения является для снижения температуры перехода компонента, T _j . Для данного R _jc и R _TIM цель состоит в том, чтобы максимизировать характеристики теплоотвода за счет снижения сопротивления растеканию, R _s , а сопротивление ребра R _f .

Сопротивление растеканию можно уменьшить за счет увеличения толщины основания. Однако большинство электронных приложений ограничены общей высотой радиатора, и, таким образом, любое увеличение толщины основания приводит к более коротким ребрам, что уменьшает общую площадь ребер A _ребер . При фиксированном коэффициенте теплопередачи (коэффициент теплопередачи зависит от конструкции ребер и скорости воздуха, и мы можем предположить, что он фиксирован для этого упражнения) уменьшение площади ребер увеличивает R _f , как показано в уравнении 2. Уравнение 10 показывает комбинированное сопротивление радиатора, R _hs , как функцию сопротивления растекания и ребер.

Таким образом, для данной конструкции ребер инженер-теплотехник должен выбрать подходящую толщину основания радиатора, чтобы оптимизировать его характеристики. Чтобы проиллюстрировать это, давайте возьмем пример приложения с параметрами, показанными в таблице 1.

Таблица 1 – Пример применения радиатора

На рисунке 5 показан график общего теплового сопротивления радиатора, R _hs и сопротивление растеканию R _s в зависимости от толщины основания для медных и алюминиевых материалов. (Обратите внимание, что последний член уравнений 1 и 10 игнорируется, поскольку он является постоянным и не способствует пониманию сопротивления растеканию). График показывает, что сопротивление растеканию монотонно улучшается с увеличением толщины основания. Однако общее термическое сопротивление имеет оптимальную точку между толщиной основания 2-4 мм. При толщине основания менее 2 мм наблюдается резкое увеличение сопротивления растеканию, что приводит к более высокому общему тепловому сопротивлению.

Рис. 5 – Общее сопротивление и сопротивление растеканию для примера, показанного в таблице 1, для радиатора 50 мм.

С другой стороны, увеличение толщины основания свыше 4 или 5 мм приводит к уменьшению предельной отдачи; улучшение сопротивления растеканию минимально по сравнению с увеличением теплового сопротивления из-за уменьшенной площади ребер. Кроме того, график также показывает, что материалы с более высокой проводимостью, такие как медь, улучшают тепловые характеристики во всей области.

Заключение

Сопротивление распространению тепла является важным фактором при разработке радиатора для охлаждения электронных компонентов. Полное аналитическое решение для расчета сопротивления растеканию, показанное в уравнениях 6 и 7, может быть заменено приближениями, показанными в уравнениях 8 и 9, с минимальной ошибкой. Ошибка увеличивается с увеличением разницы между размером основания радиатора и нагревателя, и при необходимости следует использовать полную аналитическую модель. Аналитическая модель может использоваться для выбора правильной толщины основания радиатора, которая оптимизирует характеристики радиатора, как показано на рис. 5.

Такие технологии, как материалы с более высокой теплопроводностью, встроенные тепловые трубки, испарительные камеры и т. д., доступны, если сопротивление растеканию является основным препятствием для охлаждения. Инженеры-теплотехники должны сбалансировать увеличенный вес и стоимость таких технологий с преимуществами для каждого приложения.

Ссылки
1. «Сопротивление растеканию одиночных и множественных источников тепла», Qpedia. Сентябрь 2010 г.
2. Seri Lee et al. «Модель сопротивления сжатию/расширению для упаковки электроники», 1995.
3. Simons, Robert http://www.electronics-cooling.com/2004/05/simple-formulas-for-estimating-thermal-spreading-resistance

Для получения дополнительной информации о Advanced Thermal Solutions, Inc. (ATS), консультационные услуги по управлению температурным режимом и проектные услуги, посетите https://www.qats.com/consulting или свяжитесь с ATS по телефону 781.769.2800 или по электронной почте [email protected].

Рубрика: радиатор, Радиаторы, Тепловое проектирование, Тепловое сопротивление

Метки: радиаторы, Сопротивление растеканию, Термическое сопротивление

Опубликовано 23 мая 2018 г. Джошем Перри | 1 комментарий

Инженеры Advanced Thermal Solutions, Inc. (ATS) получили несколько вопросов от клиентов о материале с фазовым переходом, который входит в стандартную комплектацию всех радиаторов ATS. Инженеры задались вопросом, оказывают ли дефекты на поверхности серой фольги, защищающей материал с фазовым переходом, такие как вмятины или морщины, существенное влияние на тепловые характеристики материала теплового интерфейса. Влияют ли эти несовершенства на что-либо? Лайнер надо снимать?

ATS использует материал термоинтерфейса (TIM) Parker Chomerics Thermflow™ T766, который имеет тонкий защитный слой металлической фольги, который нельзя снимать при размещении радиатора на устройстве, которое он предназначен для охлаждения.

Радиаторы ATS поставляются со стандартным материалом Chomerics T766 с фазовым переходом. (Advanced Thermal Solutions, Inc.)

При приложении давления материал с фазовым переходом (и металлическая фольга) прилегают к обеим поверхностям, полностью удаляя воздушные зазоры или пустоты, чтобы максимизировать эффективность теплоотвода. Согласно информации Chomerics, материал с фазовым переходом «достигнет минимальной толщины линии соединения» и «максимального смачивания поверхности», чтобы ограничить путь теплового сопротивления и обеспечить практически полное отсутствие сопротивления теплового контакта между охлаждаемым устройством и радиатором. Для T766 температура фазового перехода указана как 55°C. Вкладыш должен оставаться на месте при размещении радиатора на устройстве, которое он предназначен для охлаждения (см. видео ниже).[1]

Должны ли инженеры беспокоиться о внешнем виде футеровки из металлической фольги? Влияют ли вмятины или морщины на футеровке на характеристики материала с фазовым переходом и потенциально на эффективность радиатора?

Чтобы убедить инженеров в том, что внешний вид металлической фольги окажет незначительное влияние на тепловые характеристики TIM, отдел исследований и разработок Chomerics опубликовал результаты испытаний, проведенных компанией на металлической фольге T766. [2] Chomerics изучали влияние на тепловое сопротивление, когда фольга была сморщенной, помятой и даже сложенной.

Исследователи протестировали материалы, которые не были сморщенными, слегка сморщенными, умеренно сморщенными и сильно сморщенными при различном давлении (20 фунтов на квадратный дюйм, 50 фунтов на квадратный дюйм и 100 фунтов на квадратный дюйм). Результаты (приведенные ниже) продемонстрировали, что даже при смятии «в гораздо большей степени, чем можно было бы ожидать при фактическом обращении» тепловое сопротивление никогда не увеличивалось более чем на 0,02°C — ² 2/Вт. В отчете поясняется: «Для мощности 50 Вт через один квадратный дюйм материала это изменение всего на 1,0°C!»

Испытание на вмятину было выполнено с использованием деревянного депрессора языка и включало образец с пятью вмятинами на квадратный дюйм и второй образец с 15 вмятинами на квадратный дюйм. Как показало исследование складок, вмятины сгладились в процессе испытаний и оказали минимальное влияние на тепловое сопротивление. «Еще раз тепловое сопротивление не увеличилось более чем на 0,01°C — ² /Вт. Для мощности 50 Вт через один квадратный дюйм материала это всего лишь изменение температуры на 0,5°C! Носитель из металлической фольги настолько пластичен, что после испытаний под давлением 100 фунтов на квадратный дюйм вмятины практически невозможно идентифицировать».

Финальный тест был проведен на сложенном T766. Один образец загнули вниз с одного края, а второй загнули внахлест по центру. Результаты показали, что небольшие складки площадью до 5% площади подкладки не оказывают существенного влияния на тепловое сопротивление. Большая складка, утроившая толщину фольги в центре образца, оказала существенное влияние на тепловое сопротивление материала.

В отчете делается вывод: «T766 будет работать очень хорошо, даже если подушка помята или согнута, а фольга поцарапана или помята. Высокая эластичность основы из металлической фольги позволит сгладить и стереть практически любые дефекты».

Ссылки
1. https://www.parker.com/literature/Chomerics/Parker%20Chomerics%20
THERMFLOW%20Datasheet.pdf
2. http://www.parker.com/parkerimages/Parker. com/Divisions-2011/Chomerics%20Division/SupportAssets/Parker%20Chomerics%20THERMFLOW
%20T766%20Metal%20Foil%20Thermal%20Impedance%20Test%20Report_EN.