Что такое радиатор? Определение | Типы | материалы

По | 12.08.2020

Большинство людей не думают о термине «радиатор», когда слышат слово «компьютер». Но это одно из важнейших устройств, без которого современные компьютеры не могут работать эффективно.

В отсутствие качественного радиатора микропроцессор, графический процессор и другие мощные полупроводниковые устройства подвержены риску перегрева. что в конечном итоге может повредить всю систему, что обойдется вам в значительную сумму денег.

В этой обзорной статье мы объяснили, из чего сделаны радиаторы, как они работают и сколько типов радиаторов существует. Начнем с основ.

Что такое радиатор?

Определение: Радиатор — это устройство, которое передает тепло, производимое механическим или электрическим компонентом, окружающей среде, такой как воздух или жидкий хладагент. Другими словами, он защищает компонент от перегрева, поглощая его тепло и рассеивая его в воздухе.

Он выполняет эту задачу за счет максимального увеличения площади поверхности, контактирующей с окружающей его охлаждающей средой. Этой средой часто является воздух, но также может быть хладагент, вода или масло.

Для правильной работы радиатора температура окружающей среды должна быть ниже температуры тепловыделяющего компонента. К другим факторам, влияющим на характеристики радиатора, относятся обработка поверхности, конструкция выступов, скорость воздуха и выбор материала.

Как это работает?

Радиаторы не обладают магической способностью поглощать тепло, как губка, и отправлять его в параллельную вселенную. Принцип их работы зависит от закона теплопроводности Фурье.

Согласно этому закону, если в материале есть градиент температуры, тепло будет перемещаться из горячей области в холодную область тела. Скорость теплопередачи (посредством теплопроводности) пропорциональна площади поперечного сечения теплоотвода и произведению температурного градиента.

Тепловая энергия не может передаваться, если нет свободного потока воздуха над радиатором. И производительность радиатора не будет на должном уровне, если ребра не выровнены по вертикали или если они плотно упакованы, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха между ними.

материал

Идеальный материал радиатора имеет четыре основных характеристики

  1. Высокая теплопроводность
  2. Низкий коэффициент теплового расширения
  3. Низкая плотность
  4. Бюджетный

Алюминиевые сплавы широко используются для изготовления радиаторов микропроцессоров. Например, алюминиевый сплав 1050 имеет гораздо более высокую теплопроводность (но более низкую механическую прочность) по сравнению с другими сплавами. Его теплопроводность составляет 229 Вт на метр-кельвин (Вт / м • К).

Алюминиевые сплавы 6063 и 6061 также обычно используются для изготовления цельных теплоотводов. Они имеют значения теплопроводности 201 и 166 Вт / м • К соответственно.

Медь имеет почти вдвое большую теплопроводность (401 Вт / м • К), чем алюминий, и демонстрирует превосходные свойства с точки зрения антимикробной стойкости, коррозионной стойкости и устойчивости к биологическому обрастанию. Однако он менее пластичен, дороже и в три раза плотнее алюминия.

Медные радиаторы изготавливаются фрезерованием или затачиванием. Многие производители припаивают ребра из листового металла к прямоугольному медному корпусу. Некоторые радиаторы изготавливаются путем прикрепления нескольких алюминиевых пластин к медному основанию. Такие конструкции сочетают в себе преимущества обоих материалов.

Еще один подходящий материал для создания радиаторов — алмаз. Его теплопроводность (2200 Вт / м • К) превышает медь в 5 раз. Но из-за высокой стоимости использование алмазных радиаторов ограничивается специализированными мощными интегральными схемами и лазерными диодами.

Несколько композитных материалов, таких как псевдосплав медь-вольфрам, Dymalloy (алмаз в матрице из сплава меди и серебра) и AlSiC (карбид кремния в алюминиевой матрице), обеспечивают идеальный баланс стоимости, доступности и характеристик радиатора.

Типы

Радиаторы можно классифицировать по трем параметрам: конвекция, расположение ребер и производственный процесс.

На основе конвекции

Пассивные радиаторы рассеивать тепловую энергию в процессе естественной конвекции. Это означает, что плавучесть только горячего воздуха вызывает воздушный поток, создаваемый через систему радиатора. Тепло распространяется на большую площадь, а затем излучается от тонких нитей, называемых плавниками. Эти радиаторы не требуют никакого модуля управления или вторичного источника питания для отвода тепла от системы.

Активный радиатор с электровентилятором

Активные радиаторы использовать принудительную конвекцию для увеличения потока жидкости через горячую область. Эта принудительная конвекция обычно обеспечивается нагнетателем или вентилятором, который циркулирует воздух, отводя тепло от компонентов. Поскольку они более эффективно отводят тепло от системы, чем пассивные радиаторы, почти все настольные компьютеры высокого класса используют активное охлаждение.

На основе расположения плавников

Прямые, штифтовые и расширяющиеся ребра (слева направо) | Wikimedia

Прямые ласты прогнать радиатор по всей длине. Они крепятся к основанию через равные промежутки времени. Все ребра установлены под углом 90 градусов (параллельно друг другу), чтобы обеспечить максимальную площадь для потока жидкости.

Штифтовые плавники выступают из основания и покрывают большую часть поверхности радиатора. Штифты могут быть квадратными, эллиптическими или цилиндрическими, и они хорошо работают во всех направлениях. Эти типы радиаторов работают значительно лучше, чем прямые ребра, в некоторых случаях, когда траектории потока жидкости являются осевыми (а не тангенциальными) вдоль штифтов.

Расклешенные плавники похожи на прямые штифты, за исключением того, что они не параллельны друг другу. Эти радиаторы содержат длинные наклоненные под углом ребра. Конструкция снижает сопротивление потоку и позволяет большему количеству воздуха проходить через канал оребрения, обеспечивая лучшие тепловые характеристики по сравнению с радиаторами с прямыми ребрами.

На основе производственного процесса

Экструдированные радиаторы изготавливаются с использованием процесса экструзии, при котором материал (в основном алюминий) проталкивается через фильеру желаемого поперечного сечения. Хотя размеры конечных продуктов ограничены максимальной шириной экструзии, легко изготовить специальные спецификации при низких затратах.

Срезанный радиатор из меди

Сдвинутые радиаторы создаются с помощью процесса, называемого зачисткой или зачисткой, при котором материал разрезается тонкими ломтиками. Используется цельный блок из материала, такого как медь или алюминий. Эти радиаторы обладают превосходными тепловыми свойствами, поскольку содержат множество равномерно распределенных ребер,

Кованые радиаторы изготавливаются путем формования материала локализованными сжимающими силами. Производственный процесс проходит в условиях низкой температуры и высокого давления, поэтому в металле не остаются примеси или пузырьки воздуха. Основное преимущество этого процесса заключается в том, что радиаторы одной конструкции могут быть созданы с разной высотой, используя только один комплект штамповочных штампов.

Связанный радиатор

Связанные радиаторы содержат основание с пазами с отдельными ребрами, прикрепленными к пазам. Рифленые основания могут быть обработаны, экструдированы или отлиты под давлением. Ребра могут быть спаяны, спаяны или склеены эпоксидной смолой в зависимости от требований к термостойкости. Они могут быть изготовлены из комбинации таких материалов, как медь, алюминий и нержавеющая сталь. Этот тип конструкции обеспечивает достойные тепловые характеристики без увеличения веса.

Штампованные радиаторы изготавливаются путем штамповки металлических пластин и их последующего припаивания к основанию. Они легкие и недорогие в производстве. Однако они могут иметь срезанные края, следы штампа или шероховатую поверхность и не подходят для высокопроизводительных приложений.

Сложенный радиатор

Сложенные радиаторы создаются путем складывания листового металла в массив змеевидных ребер. Листы крепятся к основанию пайкой или пайкой. А поскольку в процессе производства гнутые ребра сплющиваются, площадь контактной поверхности увеличивается, что приводит к дополнительному термическому сопротивлению.

Радиаторы, обработанные на станках с ЧПУ изготавливаются с использованием многопильного станка с несколькими фрезами на оправке. Система числового программного управления (ЧПУ) управляет машиной для создания точных межреберных промежутков. Это быстрый процесс, но при этом потребляется много материала непродуктивно. В большинстве случаев ребра деформированы или повреждены и требуют дополнительных операций.

Как рассчитывается производительность радиатора?

Производительность радиатора обычно зависит от скорости воздушного потока, коэффициента теплопередачи, типа ребер, теплопроводности материала и размера воздуховода. Тепловые характеристики можно определить тремя способами:

  1. Измеряя производительность экспериментально,
  2. Создав теоретическую модель, и
  3. Используя численный анализ и технику структуры данных, называемую вычислительной гидродинамикой (CFD).

Хотя теоретические модели используются в качестве оценок первого порядка, а экспериментальные испытания довольно дороги и требуют много времени, большинство производителей предпочитают CFD для оценки температуры радиатора в системе перед построением физической модели.

CFD обеспечивает как количественную, так и качественную оценку потоков жидкости. Он дает подробное представление о схемах потоков, которые дороги и трудны для анализа с помощью экспериментальных методов.

CFD-анимация радиатора с прямыми ребрами размером 6 * 6 * 1 см, показывающая тепловой профиль и траекторию конвекционного потока от осевого вентилятора с трубкой | Wikimedia

Точность постобработанных анимаций и симуляций зависит от точности соответствующих параметров, вводимых в инструмент CFD.

Читайте: 12 примеров использования тепловой энергии в повседневной жизни

Приложения

Радиаторы можно использовать с любым компонентом, для правильной работы которого требуется отвод тепла. Сюда входят электрические, механические, химические и ядерные источники. Три наиболее распространенных устройства, в которых используются радиаторы:

CPU / GPU: В настольных ПК радиаторы используются для охлаждения микропроцессоров, графических процессоров, модулей ОЗУ и некоторых наборов микросхем.

Например, NVIDIA Jetson Nano содержит большой радиатор для поддержания температуры встроенного процессора AMD и графического процессора Maxwell, которые выделяют значительное количество тепла и требуют особого охлаждения, чтобы избежать теплового дросселирования.

Светодиодный радиатор мощностью 200 Вт с тепловой трубкой

СВЕТОДИОД: Хотя светодиоды холодные на ощупь, они накапливают много нежелательного тепла внутри устройства. Это тепло исходит от полупроводников, которые преобразуют 10-40 процентов входной мощности в свет. Остальная энергия теряется в виде тепла.

Радиатор используется для отвода этого дополнительного тепла за счет теплопроводности и конвекции. Это позволяет светодиоду работать при температуре окружающей среды, что, в свою очередь, увеличивает срок службы устройства.

Читайте: NEMS — Наноэлектромеханические системы | Простой обзор

припой: Некоторые электрические компоненты, такие как герконы, могут быть повреждены нагревом при пайке. Поэтому электрики часто используют радиатор, прикрепленный к проводу между соединением и корпусом компонента. Радиатор забирает часть тепла, поставляемого паяльной машиной, предотвращая повреждение близлежащих чувствительных компонентов.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *