چگونه مقاومت حرارتی یک هیت سینک باله ای روی هم را محاسبه کنیم؟

در حوزه مدیریت حرارتی، هیت سینک‌های پره‌ای روی هم نقش مهمی در دفع گرما از دستگاه‌های الکترونیکی مختلف دارند. به عنوان تامین کننده پیشرو در هیت سینک های Stacked Fin، ما اهمیت محاسبه دقیق مقاومت حرارتی این هیت سینک ها را درک می کنیم. این دانش نه تنها به طراحی راه حل های خنک کننده موثر کمک می کند، بلکه عملکرد بهینه و قابلیت اطمینان قطعات الکترونیکی را تضمین می کند. در این پست وبلاگ، جزئیات نحوه محاسبه مقاومت حرارتی یک هیت سینک پره های انباشته را بررسی خواهیم کرد.

درک مقاومت حرارتی

مقاومت حرارتی معیاری از توانایی یک ماده یا یک ساختار برای مقاومت در برابر جریان گرما است. این مشابه با مقاومت الکتریکی در یک مدار الکتریکی است، جایی که جریان گرما معادل جریان جریان است و اختلاف دما معادل اختلاف ولتاژ است. واحد مقاومت حرارتی درجه سانتیگراد بر وات (°C/W) است. مقاومت حرارتی کمتر نشان دهنده عملکرد بهتر انتقال حرارت است.

اجزای یک سینک حرارتی باله ای انباشته شده

یک هیت سینک باله ای انباشته معمولاً از یک صفحه پایه و یک سری باله تشکیل شده است که در بالای صفحه پایه چیده شده اند. صفحه پایه در تماس مستقیم با منبع حرارتی مانند ریزپردازنده یا ترانزیستور قدرت است و گرما را از منبع به پره ها هدایت می کند. باله ها سطح در دسترس برای انتقال حرارت به هوای اطراف را افزایش می دهند و در نتیجه راندمان خنک کننده را افزایش می دهند.

محاسبه مقاومت حرارتی یک سینک حرارتی باله ای انباشته شده

مقاومت حرارتی یک هیت سینک پره انباشته را می توان با در نظر گرفتن مقاومت های حرارتی جداگانه صفحه پایه و پره ها و همچنین مقاومت حرارتی تماس بین منبع گرما و صفحه پایه محاسبه کرد.

1. تماس با مقاومت حرارتی ($R_{contact}$)

مقاومت حرارتی تماس در سطح مشترک بین منبع گرما و صفحه پایه هیت سینک رخ می دهد. این ناشی از بی نظمی های میکروسکوپی روی سطوح در تماس است که باعث ایجاد شکاف های هوایی می شود که مانع انتقال حرارت می شود. مقاومت حرارتی تماس را می توان با استفاده از مواد رابط حرارتی (TIM)، مانند گریس حرارتی یا پدهای حرارتی کاهش داد.

مقاومت حرارتی تماس را می توان با استفاده از فرمول زیر تخمین زد:

$R_{contact}=\frac{\Delta T_{contact}}{Q}$

که در آن $\Delta T_{contact}$ اختلاف دما در سطح رابط تماس است و $Q$ نرخ انتقال حرارت است.

2. مقاومت حرارتی صفحه پایه ($R_{base}$)

مقاومت حرارتی صفحه پایه مقاومت در برابر انتقال حرارت از طریق صفحه پایه هیت سینک است. این بستگی به خواص مواد صفحه پایه، ضخامت آن و سطح مقطع موجود برای انتقال حرارت دارد.

مقاومت حرارتی صفحه پایه را می توان با استفاده از قانون هدایت گرما فوریه محاسبه کرد:

$R_{base}=\frac{L_{base}}{k_{base}A_{base}}$

که $L_{base}$ ضخامت صفحه پایه، $k_{base}$ هدایت حرارتی مواد صفحه پایه، و $A_{base}$ سطح مقطع صفحه پایه عمود بر جهت جریان گرما است.

3. مقاومت حرارتی باله ($R_{fin}$)

مقاومت حرارتی باله، مقاومت در برابر انتقال حرارت از صفحه پایه به هوای اطراف را از طریق پره ها نشان می دهد. محاسبه مقاومت حرارتی باله پیچیده تر از مقاومت حرارتی صفحه پایه است، زیرا شامل انتقال حرارت از سطح باله به هوا توسط همرفت و تابش می شود.

راندمان باله ($\eta_{fin}$) یک پارامتر مهم در محاسبه مقاومت حرارتی باله است. راندمان پره به عنوان نسبت نرخ انتقال حرارت واقعی از باله به حداکثر نرخ انتقال حرارت ممکن در صورتی که کل سطح باله در دمای پایه باشد، تعریف می‌شود.

مقاومت حرارتی باله را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

$R_{fin}=\frac{1}{hA_{fin}\eta_{fin}}$

که در آن $h$ ضریب انتقال حرارت همرفتی است، $A_{fin}$ مساحت کل باله ها، و $\eta_{fin}$ راندمان باله است.

بازده باله ها را می توان با استفاده از فرمول های مختلف بسته به شکل و هندسه باله ها محاسبه کرد. برای یک باله مستطیلی، کارایی باله را می توان با استفاده از فرمول زیر تخمین زد:

$\eta_{fin}=\frac{\tanh(mL_{fin})}{mL_{fin}}$

که $m=\sqrt{\frac{2h}{k_{fin}t_{fin}}}$، $L_{fin}$ طول باله، $k_{fin}$ هدایت حرارتی مواد باله، و $t_{fin}$ ضخامت باله است.

4. مقاومت حرارتی کل ($R_{total}$)

مقاومت حرارتی کل هیت سینک پره انباشته حاصل مجموع مقاومت حرارتی تماس، مقاومت حرارتی صفحه پایه و مقاومت حرارتی باله است:

$R_{total}=R_{contact}+R_{base}+R_{fin}$

عوامل موثر بر مقاومت حرارتی سینک حرارتی باله ای انباشته شده

عوامل متعددی می توانند بر مقاومت حرارتی سینک حرارتی باله ای انباشته تاثیر بگذارند، از جمله:

خواص مواد

رسانایی حرارتی صفحات پایه و مواد پره تاثیر قابل توجهی بر مقاومت حرارتی دارد. مواد با رسانایی حرارتی بالاتر، مانند مس و آلومینیوم، معمولا در سینک های حرارتی برای کاهش مقاومت حرارتی استفاده می شوند. به عنوان مثال، مس دارای رسانایی حرارتی حدود 400 W/(m·K) است، در حالی که آلومینیوم دارای رسانایی حرارتی در حدود 200 W/(m·K) است. شما می توانید ما را کشف کنیدسینک حرارتی فورج سرد مسیوهیت سینک های زیپ دار آلومینیومیبرای گزینه های با کارایی بالا

هندسه باله

شکل، اندازه و فاصله باله ها می تواند بر راندمان انتقال حرارت تأثیر بگذارد. پره هایی با سطح بزرگتر و نسبت ابعاد (نسبت طول به ضخامت) بیشتر معمولاً عملکرد انتقال حرارت بهتری دارند. با این حال، افزایش بیش از حد چگالی باله می تواند منجر به کاهش جریان هوا بین پره ها شود که می تواند مقاومت حرارتی را افزایش دهد.

جریان هوا

ضریب انتقال حرارت همرفتی ($h$) به شدت تحت تأثیر نرخ جریان هوا و سرعت در اطراف هیت سینک است. سرمایش هوای اجباری، مانند استفاده از فن، می تواند ضریب انتقال حرارت همرفتی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد و مقاومت حرارتی را کاهش دهد.

فشار تماس

اعمال فشار تماس مناسب بین منبع حرارت و صفحه پایه می تواند به کاهش مقاومت حرارتی تماس کمک کند. این را می توان با استفاده از سخت افزار نصب مناسب، مانند پیچ ​​یا گیره به دست آورد.

اهمیت محاسبه دقیق مقاومت حرارتی

محاسبه دقیق مقاومت حرارتی یک هیت سینک پره انباشته به چند دلیل ضروری است:

بهینه سازی طراحی

با محاسبه مقاومت حرارتی، مهندسان می توانند طراحی هیت سینک، از جمله انتخاب مواد، هندسه پره ها و شرایط جریان هوا را برای دستیابی به عملکرد خنک کننده مطلوب بهینه کنند.

قابلیت اطمینان جزء

مدیریت حرارتی مناسب برای قابلیت اطمینان و طول عمر قطعات الکترونیکی بسیار مهم است. با اطمینان از اینکه سینک حرارتی دارای مقاومت حرارتی به اندازه کافی کم است، دمای قطعات الکترونیکی را می توان در محدوده عملکرد ایمن حفظ کرد.

هزینه - اثربخشی

محاسبه دقیق مقاومت حرارتی می تواند به انتخاب مقرون به صرفه ترین راه حل هیت سینک کمک کند. با اجتناب از طراحی بیش از حد هیت سینک، می توان در هزینه های غیر ضروری بدون به خطر انداختن عملکرد خنک کننده صرفه جویی کرد.

نتیجه گیری

محاسبه مقاومت حرارتی یک هیت سینک پره انباشته یک کار پیچیده اما ضروری در مدیریت حرارتی است. مهندسان با درک اجزای هیت سینک، عوامل موثر بر مقاومت حرارتی و روش های محاسبه مقاومت حرارتی فردی، می توانند مناسب ترین سینک حرارتی را برای کاربردهای خود طراحی و انتخاب کنند.

به عنوان تامین کننده قابل اعتماد سینک های حرارتی Stacked Fin، ما طیف گسترده ای از محصولات سینک حرارتی با کیفیت بالا را ارائه می دهیم.سینک حرارتی لحیم کاری، برای رفع نیازهای متنوع مشتریانمان. اگر به محصولات ما علاقه مند هستید یا برای محاسبه مقاومت حرارتی یک هیت سینک برای کاربرد خاص خود به کمک نیاز دارید، لطفاً برای تهیه و بحث های بیشتر با ما تماس بگیرید.

مراجع

• Incropera، FP، و DeWitt، DP (2002). مبانی انتقال حرارت و جرم جان وایلی و پسران
• هولمن، جی پی (2002). انتقال حرارت مک گراو - هیل.