Як вибрати алюмінієвий радіаторний профіль для охолодження електроніки?

Під час роботи силових транзисторів, діодів, мікропроцесорів та інших електронних компонентів частина споживаної електроенергії перетворюється на тепло. Якщо воно не відводиться достатньо швидко, температура напівпровідникових переходів перевищує допустимі значення, що прискорює старіння компонентів і може спричинити їх вихід із ладу. Для запобігання перегріванню використовуються радіатори, площа теплообмінної поверхні яких підбирається відповідно до теплового навантаження та умов експлуатації. У багатьох електронних пристроях для цього застосовується радіаторний профіль алюмінієвий, який поєднує невелику масу, високу теплопровідність і можливість виготовлення ребристих конструкцій різної геометрії.

Алюмінієві радіаторні профілі використовуються для відведення тепла від силових напівпровідників, блоків живлення, світлодіодних модулів, перетворювачів та іншого електронного обладнання. Їх виготовляють методом екструзії, формуючи суцільний поперечний переріз із основою та поздовжніми ребрами. Така конструкція дає змогу збільшити площу контакту з повітрям без значного збільшення габаритів виробу.

Під час підбору алюмінієвого радіаторного профілю важливо визначити, яку кількість тепла він повинен розсіювати та за яких умов працюватиме. Від цих параметрів залежить необхідна площа ребристої поверхні, висота профілю, кількість каналів і можливість використання природної або примусової конвекції. Надмірна площа не завжди забезпечує пропорційне покращення охолодження, оскільки ефективність залежить і від геометрії поперечного перерізу.

Від чого залежить необхідна площа радіатора?

Основний параметр для розрахунку – теплова потужність (Q), тобто кількість тепла, яку радіатор повинен передавати навколишньому середовищу за одиницю часу. Її вимірюють у ватах.

Для окремого електронного компонента тепловиділення визначається за його електричними характеристиками та режимом роботи. Наприклад, для силового транзистора враховуються втрати під час провідності та перемикання, для діодів – падіння напруги й робочий струм, для резисторів – потужність, що розсіюється у вигляді тепла.

Якщо радіатор обслуговує декілька компонентів, загальне теплове навантаження визначається сумою їхніх втрат:

Qзаг=Q1+Q2+...+Qn

де Qзаг – загальна теплова потужність, а Q1, Q2, ..., Qn – втрати окремих елементів у ватах.

Однак для підбору радіаторного профілю важлива не лише сумарна потужність, а й розподіл теплових джерел уздовж його основи. Якщо декілька потужних компонентів розташовані близько один до одного, у цій зоні може виникати локальне перегрівання. Тому під час проєктування враховують відстань між монтажними точками та здатність основи профілю рівномірно розподіляти тепло вздовж ребер.

На наступному етапі визначається температурний режим. Для цього враховують:

• температуру повітря всередині корпусу обладнання, а не лише в приміщенні;
• максимально допустиму температуру переходу напівпровідникового компонента;
• тепловий опір корпусу, контактного шару та алюмінієвої основи;
• допустиму температуру поверхні профілю за заданого навантаження.

Ці показники дають змогу визначити, наскільки нагріватиметься радіатор відносно навколишнього середовища та який температурний перепад доступний для відведення тепла.

Для виготовлення радіаторів широко застосовується профіль із алюмінію. Цей матеріал добре проводить тепло, має невелику густину та піддається екструзії, що дозволяє отримувати складні поперечні перерізи з поздовжніми ребрами без додаткового складання окремих елементів.

Як визначити допустиму температуру нагрівання?

Під час розрахунку необхідно розрізняти три температурні показники: температуру навколишнього повітря, температуру поверхні радіатора та температуру найбільш нагрітої ділянки електронного компонента. Між ними існує різниця, яка залежить від теплового опору конструкції.

Для попереднього розрахунку допустиму температуру поверхні радіатора можна визначити через тепловий баланс. Наприклад, якщо температура навколишнього повітря становить +25 °C, а поверхня радіатора не повинна нагріватися вище +65 °C, температурний перепад дорівнюватиме 40 °C.

Необхідну площу поверхні орієнтовно визначають за формулою:

A = Q / (k × ΔT)

де:

• A – площа теплообмінної поверхні, м²;
• Q – теплова потужність, Вт;
• k – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²·К);
• ΔT – різниця між температурою поверхні та повітря, °C або К.

Наприклад, для відведення 30 Вт тепла за температурного перепаду 40 °C і прийнятого коефіцієнта тепловіддачі 8 Вт/(м²·К) розрахункова площа становитиме: A= 30 / (8 × 40)=0,09375 м²

Отже, потрібно приблизно 0,094 м² ефективної теплообмінної поверхні.

Це попередня оцінка, а не готовий параметр для замовлення радіатора. Коефіцієнт тепловіддачі залежить від геометрії ребер і умов руху повітря, а розрахунок не враховує окремо тепловий опір контакту між компонентом і профілем. Для точного підбору ці параметри перевіряються додатково.

Для радіаторного профілю це значення потрібно співвіднести з геометрією його поперечного перерізу. У розрахунку враховуються площа основи та обох бокових поверхонь ребер. Якщо профіль має багато поздовжніх ребер, загальна площа теплообміну може бути значно більшою за площу його основи. Водночас геометричну площу не можна автоматично прирівнювати до ефективної. Віддалені від основи ділянки ребер можуть мати нижчу температуру, ніж їхня основа, через що віддають менше тепла. Цей ефект враховується через коефіцієнт ефективності ребра.

Для точнішого підбору екструдованого профілю також використовують питомий тепловий опір або залежність теплового опору від довжини виробу, швидкості повітря та способу встановлення. Такі характеристики бажано брати з технічної документації виробника або визначати експериментально.

Як підібрати алюмінієвий радіаторний профіль?

Для відведення тепла від електронних компонентів широко застосовуються екструдовані алюмінієві профілі з поздовжніми ребрами. Їхня конструкція формується під час продавлювання нагрітого металу через матрицю, завдяки чому основа та ребриста частина утворюють єдину деталь без додаткових з'єднань. Це забезпечує безперервну теплопередачу від монтажної поверхні до ребер.

Під час вибору профілю оцінюються не тільки загальна площа поверхні, а й особливості поперечного перерізу:

• Товщина основи. Масивна основа допомагає розподіляти тепло від локально нагрітих компонентів між ребрами. Надмірна товщина, однак, збільшує масу та габарити виробу.
• Висота ребер. Збільшення висоти розширює площу контакту з повітрям. Проте надто довгі ребра можуть мати нижчу ефективність на віддалених від основи ділянках через температурну нерівномірність.
• Товщина ребер. Впливає на їхню теплопровідність, механічну міцність і можливості виготовлення профілю методом екструзії.
• Відстань між ребрами. Визначає умови проходження повітря. За природної конвекції занадто вузькі канали можуть обмежувати рух нагрітого повітря, а за примусового обдування їхня ширина підбирається з урахуванням характеристик вентилятора.

Важливе значення має і марка алюмінієвого сплаву. Для екструдованих радіаторних виробів поширені сплави серій 6060 та 6063. Вони мають достатню теплопровідність, добре формуються під час пресування та дають змогу виготовляти профілі зі складною конфігурацією ребер. Для природного охолодження зазвичай підбирають профілі з достатніми проміжками між ребрами та орієнтують їх так, щоб повітря могло вільно рухатися вздовж каналів. Якщо передбачений вентилятор, допускається інша геометрія, але необхідно враховувати швидкість потоку, статичний тиск і аеродинамічний опір радіатора.

Остаточний вибір перевіряється за тепловим опором профілю, який показує, наскільки підвищується його температура відносно навколишнього повітря за певної потужності тепловиділення. Для цього використовуються характеристики виробника або результати випробувань за умов, наближених до реальної експлуатації.

Підбір радіаторного профілю починається не з пошуку найбільшого перерізу, а з визначення необхідної теплової продуктивності та умов розміщення в обладнанні. Висота й кількість ребер, товщина основи, відстань між каналами та властивості алюмінієвого сплаву мають оцінюватися в сукупності. Такий підхід дає змогу підібрати профіль, який забезпечуватиме необхідне відведення тепла без зайвого збільшення габаритів і маси електронного пристрою.