Un radiator este una dintre cele mai fundamentale componente utilizate pentru răcirea dispozitivelor electronice. Ori de câte ori o sursă de căldură nu poate disipa căldura eficient prin propria conducție și necesită o răcire mai eficientă, un radiator este utilizat pentru a transfera căldura departe de sursă și a o disipa prin conducție și convecție optimizate.

Radiatoarele sunt utilizate pe scară largă în electronica de putere, echipamentele de telecomunicații, servere, iluminatul cu LED-uri, electronica auto și dispozitivele industriale.

structura de bază a unui radiator de căldură

Un radiator tipic este alcătuit în principal din două părți:

• baza

• până

Baza este de obicei o suprafață plană care intră în contact direct cu sursa de căldură. Funcția sa este de a transfera căldura din punctul fierbinte și de a o distribui uniform pe aripioare.

Aripioarele sunt proiectate pentru a mări suprafața totală a radiatorului. Acestea pot fi fabricate într-o gamă largă de geometrii și sunt de obicei poziționate vertical față de bază pentru a maximiza disiparea căldurii.

Scopul principal de proiectare al unui radiator este de a maximiza suprafața, permițând transferul unei cantități mai mari de căldură în aerul din jur.

materiale pentru radiator

Cu foarte puține excepții, radiatoarele sunt fabricate din metale conductoare termic, cel mai frecvent aluminiu sau cupru.

aluminiu

aluminiul este cel mai utilizat material pentru radiatoare.

• conductivitate termică: 235 w/mk

• ușor

• rentabil

• ușor de fabricat

Aceste caracteristici fac din aluminiu ideal pentru soluții de radiatoare ușoare și economice.

cupru

Cuprul este un alt material popular pentru radiatoare.

• conductivitate termică: ~400 w/mk

• capacitate mai mare de transfer de căldură

Deși cuprul este mai greu și mai scump, este adesea necesar în aplicații termice de înaltă performanță.

convecție naturală vs. convecție forțată

Radiatoarele sunt de obicei clasificate în două categorii în funcție de condițiile de curgere a aerului.

convecție naturală (răcire pasivă)

Radiatoarele pasive se bazează exclusiv pe fluxul de aer natural pentru a elimina căldura.

acestea sunt concepute pentru:

• maximiza suprafața

• permite aerului să circule în mod natural

• funcționează fără componente active suplimentare

Radiatoarele pasive sunt utilizate în mod obișnuit în dispozitivele electronice de mică putere.

convecție forțată (răcire activă)

Radiatoarele active folosesc ventilatoare sau suflante pentru a forța aerul prin aripioare.

Acest flux de aer forțat creează turbulențe, crescând semnificativ eficiența transferului de căldură și performanța de răcire.

Soluțiile active de răcire sunt utilizate pe scară largă în:

• servere

• electronică de putere

• sisteme de calcul de înaltă performanță

tipuri comune de radiatoare

Mai multe tehnologii de fabricație sunt utilizate pentru a produce radiatoare, fiecare potrivită pentru diferite cerințe și aplicații termice.

1. radiatoare ștanțate (la nivel de placă)

Radiatoarele ștanțate sunt produse din tablă metalică folosind procese progresive de ștanțare. Fiecare etapă de ștanțare adaugă caracteristici și detalii pe măsură ce metalul trece prin matriță.

Aceste radiatoare sunt de obicei proiectate pentru anumite tipuri de pachete electronice pentru a asigura o potrivire optimă pe plăcile cu circuite imprimate (PCB).

Acestea pot funcționa în mod pasiv sau pot include un ventilator pentru a crește fluxul de aer pe placă.

avantaje

• Ideal pentru aplicații de putere redusă (0–5w)

• asamblare rapidă și simplă

• cost redus de fabricație

• scalabil pentru producția de volum mare

• disponibil pentru multe tipuri de pachete

dezavantaje

• nu este potrivit pentru aplicații peste 5w

• dimensiune limitată (în general sub 50 mm)

• conceput pentru a răci un singur dispozitiv

2. radiatoare din aluminiu extrudat

Extrudarea este una dintre cele mai populare și rentabile metode de fabricație a radiatoarelor.

Dimensiunile radiatoarelor extrudate variază în funcție de aplicație. Versiunile mai mici sunt utilizate pentru răcirea la nivel de placă, în timp ce cele mai mari sunt concepute pentru gestionarea termică a puterii medii.

Acestea pot fi optimizate atât pentru răcire pasivă, cât și pentru răcire activă, în funcție de geometria și spațierea aripioarelor.

Radiatoarele extrudate la nivel de placă sunt utilizate în mod obișnuit pentru componente precum:

• BGA

• FPGA

Procesul de extrudare începe cu o matriță de profil care definește structura aripioarelor, spațierea și dimensiunile bazei. Aluminiul încălzit este apoi împins prin matriță pentru a crea un profil lung, care este ulterior tăiat la lungimea dorită și prelucrat ulterior.

avantaje

• ideal pentru aplicații de putere medie

• producție rentabilă

• extrem de scalabil pentru producția de masă

• personalizare ușoară

• construcție dintr-o singură piesă cu rezistență termică redusă

dezavantaje

• nu este potrivit pentru aplicații de putere foarte mare

• limitări de dimensiune (aproximativ 58 cm lățime și 119 cm lungime)

• Profilele mari pot avea limitări de finisare

3. radiatoare cu aripioare șlefuite

Dezlipirea este un proces de prelucrare care formează aripioare direct dintr-un bloc metalic solid. Straturile subțiri sunt feliate de la bază și pliate în sus pentru a crea aripioare.

Deoarece aripioarele și baza sunt formate din aceeași bucată de material, nu există îmbinări sau interfețe, ceea ce reduce rezistența termică.

Acest proces permite, de asemenea, obținerea unor aripioare foarte subțiri și a unei densități mari a acestora, crescând semnificativ suprafața totală.

Spre deosebire de extrudare, șlefuirea nu necesită scule dedicate, ceea ce reduce costurile sculelor și permite prototiparea mai rapidă.

avantaje

• eficiență ridicată de răcire

• aripioare subțiri și densitate mare a aripioarelor

• costuri mai mici ale sculelor

• economic pentru radiatoarele de cupru

dezavantaje

• nu este ideal pentru aplicații de putere extrem de mare

• limitări de dimensiune

• aripioarele subțiri pot fi mai fragile

• mai puțin potrivit pentru volume de producție foarte mari

4. radiatoare cu aripioare lipite și aripioare brazate

Radiatoarele cu aripioare lipite constau din două componente principale:

• o bază (extrudată sau prelucrată mecanic)

• aripioare individuale atașate folosind adeziv termoconductor, epoxid sau lipire

Aripioarele sunt de obicei ștanțate din tablă subțire de metal, în timp ce baza poate fi extrudată, turnată sub presiune sau prelucrată mecanic.

Tehnologii termice suplimentare, cum ar fi conductele de căldură sau camerele de vapori, pot fi, de asemenea, integrate în bază pentru a îmbunătăți performanța.

Radiatoarele cu aripioare lipite oferă o flexibilitate mai mare în design și permit o densitate mai mare a aripioarelor într-o amprentă mai mică.

avantaje

• design compact pentru aplicații cu spațiu limitat

• performanță termică ridicată

• potrivit pentru convecție forțată

• distanțare strânsă a aripioarelor

• raporturi de aspect ridicate ale aripioarelor

• integrare flexibilă a designului

• costuri mai mici ale sculelor

dezavantaje

• nu este ideal pentru medii cu vibrații ridicate

• nu este potrivit când rezistența termică necesară este sub 0,01°C/w

5. radiatoare cu aripioare cu fermoar

Lamelele cu fermoar sunt fabricate dintr-o serie de lamele din tablă ștanțată individual, care sunt pliate și interconectate.

aceste aripioare pot fi aranjate în oricare dintre următoarele moduri:

• canale închise pentru flux de aer direcționat

• configurații deschise pentru flux de aer multidirecțional

Stiva de aripioare este de obicei atașată la baza radiatorului sau la conductele de căldură prin lipire, brazare sau lipire epoxidică.

Acest design oferă o stabilitate mecanică excelentă și o flexibilitate ridicată pentru soluții termice integrate.

avantaje

• performanță termică ridicată

• ideal pentru aplicații cu flux de aer forțat

• integrare flexibilă a designului

• cost redus al sculelor

• ușor

• poate îmbunătăți eficiența conductelor de căldură

• stabilitate mecanică îmbunătățită

dezavantaje

• unele limitări pentru cerințe extrem de scăzute de rezistență termică

6. radiatoare cu aripioare pliate

Aripioarele pliate sunt create prin îndoirea foilor subțiri de metal în forme complexe pentru a mări suprafața.

Aceste aripioare sunt de obicei lipite sau lipite pe o bază pentru a forma ansamblul final al radiatorului. Tehnologia aripioarelor pliate poate fi utilizată și în soluțiile cu plăci reci lichide.

avantaje

• suprafață crescută

• eficiență ridicată a aripioarelor

• compatibil cu mai multe materiale

• structură ușoară

dezavantaje

• funcționează cel mai bine atunci când fluxul de aer este canalizat direct prin aripioare

• costuri de producție mai mari în unele cazuri

7. radiatoare turnate sub presiune

Radiatoarele turnate sub presiune sunt produse ca structuri dintr-o singură piesă folosind metal topit injectat în matrițe personalizate.

Această metodă de fabricație este ideală pentru producția de volum mare și permite geometrii complexe care ar fi dificil de realizat prin alte procese.

După turnare, sunt necesare lucrări minime de prelucrare și finisare pentru a obține produsul final.

avantaje

• ideal pentru producția de volum mare

• potrivit pentru forme complexe

• rezistență termică scăzută sau aproape zero

dezavantaje

• costuri inițiale ridicate pentru scule și matrițe