Радиаторы для полупроводниковых приборов

Во время работы мощные полупроводниковые приборы выделяют в окружающую среду определенную теплоту. Если не позаботиться об их охлаждении, транзисторы и диоды могут выйти из строя из-за перегрева рабочего кристалла. Обеспечение нормального теплового режима транзисторов (и диодов) - одна из важных задач. Для правильного решения этой задачи нужно иметь представление о работе радиатора и технически грамотном его конструировании.

Как известно, любой нагретый предмет охлаждаясь отдает тепло окружающей среде. Пока количество тепла, выделяющегося в транзисторе, больше отдаваемого им среде - температура корпуса транзистора будет непрерывно возрастать. При некотором ее значении наступает так называемый тепловой баланс, то есть равенство количеств рассеиваемого и выделяемого тепла. Если температура теплового баланса меньше максимально допустимой для транзистора - он будет надежно работать. Если эта температура выше допустимой максимальной температуры - транзистор выйдет из строя. Для того, чтобы тепловой баланс наступал при более низкой температуре, необходимо увеличить теплоотдачу транзистора.

Известны три способа передачи тепла: Теплопроводность, Лучеиспускание и Конвекция. Теплопроводность воздуха обычно мала - этим значением при расчете радиатора можно пренебречь. Доля тепла, рассеиваемая лучеиспусканием значительна лишь при высоких температурах (несколько сотен градусов по Цельсию), поэтому этой величиной при относительно низких температурах работы транзисторов (не более 60-80 градусов) также можно пренебречь. Конвекция - это движение воздуха в зоне нагретого тела, обусловленное разностью температур воздуха и тела. Количество тепла, отдаваемого нагретым предметом, пропорционально разности температур предмета и воздуха, площади поверхности и скорости воздушного потока, омывающего тело.

В молодости я столкнулся с оригинальным решением отвода тепла от мощных выходных транзисторов. Транзисторы (тогда для построения усилителей применяли транзисторы типа П210) на длинных проводах находились вне корпуса. К корпусу были прикручены две пластиковые баночки с водой, а транзисторы лежали в них. Таким образом было обеспечено "водяное" эффективное охлаждение. Когда вода в баночках нагревалась - ее просто заменяли на холодную... Вместо воды можно использовать минеральное (жидкое) или трансформаторное масло... Сейчас промышленность начала серийно выпускать водяные системы охлаждения процессоров и видеокарт компьютеров - по принципу автомобильных радиаторов (но это - уже, на мой взгляд, экзотика...).

Для обеспечения эффективного отвода тепла от кристалла полупроводника применяют теплоотводы (радиаторы). Познакомимся с некоторыми из конструкций радиаторов.

На приведенных рисунках показаны четыре разновидности теплоотводов.

Простейшим из них является пластинчатый радиатор. Площадь его поверхности равна сумме площадей двух сторон. Идеальной формой такого теплоотвода является круг, далее идут квадрат и прямоугольник. Пластинчатый радиатор целесообразно применять при небольших мощностях рассеивания. Устанавливаться такой радиатор должен вертикально, в противном случае - эффективная площадь рассеяния снижается.

Усовершенствованный пластинчатый теплоотвод представляет собой набор из нескольких пластин, загнутых в разные стороны. Этот радиатор при площади поверхности равной простейшему пластинчатому имеет меньшие габариты. Устанавливается такой теплоотвод аналогично пластинчатому. Количество пластин может быть различным - в зависимости от необходимой поверхности. Площадь рассеивания такого радиатора равна сумме площадей всех загнутых участков пластин, плюс площадь поверхности центральной части. Это тип радиатора имеет и недостатки: пониженную эффективность отвода тепла от всех пластин, а также невозможность получения идеально прямой поверхности в местах соединения пластин между собой.

Для изготовления пластинчатых радиаторов следует использовать пластины с толщиной не менее 1,5 (лучше - 3) миллиметров.

Ребристый радиатор - обычно цельнолитой, либо фрезерованный - может быть с одно или двухсторонним оребрением. Двухстороннее оребрение позволяет увеличить площадь поверхности. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей поверхности всех пластин и сумме площади поверхности основного тела радиатора.

Самым эффективным из всех перечисленных является штыревой (или игольчатый) радиатор. При минимальном объеме такой радиатор имеет максимальную эффективную площадь рассеивания. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей каждого штырька и площади основного тела.

Также существуют теплоотводы с принудительной подачей воздуха (пример - кулер процессора в вашем компьютере). Эти теплоотводы при небольшой площади поверхности радиатора способны рассеивать в окружающую среду значительные мощности (к примеру - процессор среднего быстродействия Р-1000 выделяет, в зависимости от загрузки 30-70 ватт тепловой энергии). Недостаток таких теплоотводов - повышенный шум при эксплуатации и ограниченный срок работы (механический износ вентилятора).

Материалом для радиаторов обычно служит алюминий и его сплавы. Лучшей эффективностью обладают теплоотводы, выполненные из меди, но вес и стоимость таких радиаторов выше, чем у алюминиевых.

Полупроводниковый прибор крепится на теплоотвод при помощи специальных фланцев. Если необходимо изолировать прибор от радиатора - применяются различные изоляционные прокладки. Применение прокладок снижает эффективность передачи тепла от кристалла, поэтому, если есть возможность - лучше изолировать теплоотвод от шасси конструкции. Для более эффективного отвода тепла поверхность, которая соприкасается с полупроводниковым прибором, должна быть ровной и гладкой. Для повышения эффективности применяют специальные термопасты (например "КПТ-8"). Применение термопаст способствует уменьшению теплового сопротивления участка "корпус - теплоотвод" и позволяет несколько понизить температуру кристалла. В качестве прокладок используют слюду, различные пленки из пластмассы, керамику. В свое время мной было получено авторское свидетельство по способу изолирования корпуса транзистора от теплоотвода. Суть данного метода заключается в следующем: Поверхность теплоотвода покрывается тонким слоем термопасты (например типа КПТ-8), на поверхность пасты наносится (методом насыпания) слой кварцевого песка (я использовал песок из плавкого предохранителя), далее излишек песка удаляется стряхиванием и транзистор плотно прижимается при помощи хомута, изготовленного из изоляционного материала. При заводских испытаниях данного метода "прокладка" выдерживала кратковременно подачу напряжения в 1000 вольт (от мегометра).

Некоторые зарубежные мощные транзисторы выпускаются в изолированном корпусе - такой транзистор можно крепить непосредственно к теплоотводу без применения каких либо прокладок (но это не исключает применения термопаст!).

Источником тепла в системе транзистор-радиатор-окружающая среда является коллекторный P-N переход. Весь путь тепла в этой системе можно разделить на три участка: переход - корпус транзистора, корпус транзистора - теплоотвод, теплоотвод - окружающая среда. Вследствие неидеальности передачи тепла температуры перехода, корпуса транзистора и окружающей среды существенно отличаются. Это происходит потому, что тепло на своем пути встречает некоторое сопротивление, называемое тепловым сопротивлением. Это сопротивление равно отношению разности температур на границах участка к рассеиваемой мощности. Сказанное можно проиллюстрировать примером: по справочнику тепловое сопротивление переход-корпус транзистора П214 равно 4 градуса Цельсия на ватт. Это означает, что в случае рассеивания на переходе мощности в 10 ватт, переход будет "теплее" корпуса на 4*10=40 градусов! Если учесть при этом тот факт, что максимальная температура перехода равна 85 градусам, то станет ясно, что температура корпуса при указанной мощности не должна превышать 85-40= 45 градусов Цельсия. Наличие теплового сопротивления радиатора является причиной существенного различия температуры его участков, разноудаленных от места установки транзистора. Это означает, что в активной отдаче тепла участвует не вся поверхность радиатора, а лишь часть ее, которая имеет наиболее высокую температуру и поэтому наилучшим образом омывается воздухом. Эта часть и называется эффективной поверхностью радиатора. Она будет тем больше, чем выше теплопроводящая способность радиатора. Теплопроводящая способность радиатора зависит от свойств материала из которого изготовлен теплоотвод и его толщины. Вот поэтому для изготовления теплоотводов используют медь или алюминий.

Полный расчет радиатора - очень трудоемкий процесс. Для грубого расчета можно использовать следующие данные: Для рассеивания 1 ватта тепла, выделяемого полупроводниковым прибором, достаточно использовать площадь теплоотвода, равную 30 квадратным сантиметрам.

Обозначение диода	Макс. темпер. окр. среды	Площадь радиатора





КД202А,КД202В		БЕЗ РАДИАТОРА
КД202Д,КД202Ж
КД202К,КД202М

КД202Б,КД202Г
КД202Е,КД202И
КД202Л,КД202Н

В журнале "Радиоаматор-Конструктор" была опубликована статья неизвестного автора по методике упрощенного расчета радиаторов. .

Литература

Во время работы полупроводникового прибора в его кристалле выделяется мощность, которая приводит к разогреву последнего. Если тепла выделяется больше, чем рассеивается в окружающем пространстве, то температура кристалла будет расти и может превысить максимально допустимую. При этом его структура будет необратимо разрушена.

Следовательно, надежность работы полупроводниковых приборов во многом определяется эффективностью их охлаждения . Наиболее эффективным является конвективный механизм охлаждения, при котором тепло уносит поток газообразного или жидкого теплоносителя, омывающего охлаждаемую поверхность.

Чем больше охлаждаемая поверхность, тем эффективнее охлаждение, и поэтому мощные полупроводниковые приборы нужно устанавливать на металлические радиаторы, имеющие развитую охлаждаемую поверхность. В качестве теплоносителя обычно используется окружающий воздух.

По способу перемещения теплоносителя различают :

естественную вентиляцию;
принудительную вентиляцию.

В случае естественной вентиляции перемещение теплоносителя осуществляется за счет тяги, возникающей возле нагретого радиатора. В случае принудительной вентиляции перемещение теплоносителя осуществляется с помощью вентилятора. Во втором случае можно получить большие скорости потока и, соответственно, лучшие условия охлаждения.

Тепловые расчеты можно сильно упростить, если использовать тепловую модель охлаждения (рис. 18.26) Здесь разница между температурой кристалла T J и температурой среды Т A вызывает тепловой поток, движущийся от кристалла к окружающей среде, через тепловые сопротивления R JC (кристалл - корпус), R CS (корпус - радиатор) и R SA (радиатор - окружающая среда).

Рис 18.26. Тепловая модель охлаждения

Тепловое сопротивление имеет размерность °С/Вт. Суммарное максимальное тепловое сопротивление R JA на участке кристалл - окружающая среда можно найти по формуле:

где Р ПП - мощность, рассеиваемая на кристалле полупроводникового прибора, Вт.

Тепловое сопротивление R JC и R CS указывается в справочных данных на полупроводниковые приборы. Например, согласно справочным данным, на транзистор IRFP250N, его тепловое сопротивление на участке кристалл- радиатор равно R JC + R CS = 0,7 + 0,24 = 0,94 °С/ Вт.

Это означает, что если на кристалле выделяется мощность 10 Вт, то его температура будет на 9,4 °С больше температуры радиатора.

Тепловое сопротивление радиатора можно найти по формуле:

На рис. 18.27 приводятся графические зависимости между периметром сечения алюминиевого радиатора и его тепловым сопротивлением для естественного (красная линия) и принудительного (синяя линия) охлаждения воздушным потоком.

По умолчанию считается, что :

Если условия охлаждения отличаются от принятых по умолчанию, то необходимую поправку можно внести, воспользовавшись графиками на рис. 18.28 - рис. 18.30.

Рис. 18.27. Зависимости между сечением алюминиевого радиатора и его тепловым сопротивлением

Рис. 18.28. Поправочный коэффициент на разницу температуры радиатора и окружающей среды

Рис. 18.29. Поправочный коэффициент на скорость воздушного потока

Рис. 18.30. Поправочный коэффициент на длину радиатора

Для примера рассчитаем радиатор, обеспечивающий охлаждение транзистора ЭРСТ, состоящего из 20-ти транзисторов типа IRFP250N. Расчет радиатора можно вести для одного транзистора, а затем полученный размер увеличить в 20 раз.

Так как на ключевом транзисторе рассеивается суммарная мощность 528 Вт, то на каждом транзисторе IRFP250N рассеивается мощность 528/20 = 26,4 Вт. Радиатор должен обеспечивать максимальную температуру кристалла транзистора не более +110 °С при максимальной температуре окружающей среды +40 °С.

Найдем тепловое сопротивление R JA для одного транзистора IRFP250N:

Теперь найдем тепловое сопротивление радиатора :

Зная максимальную температуру кристалла и тепловое сопротивление на участке кристалл-радиатор, определим максимальную температуру радиатора:

По графику (рис. 18.28) определим поправочный коэффициент Кт на разницу температуры радиатора и окружающей среды:

Для охлаждения радиатора используется вентилятор типа 1,25ЭВ-2,8-6-3270У4, имеющий производительность 280 м3/ч. Чтобы вычислить скорость потока, нужно разделить производительность на сечение воздуховода, продуваемого вентилятором.

Если воздуховод имеет площадь поперечного сечения:

то скорость воздушного потока будет равна:

По графику (рис. 18.29) определим поправочный коэффициент K v на реальную скорость воздушного потока:

Допустим, что в нашем распоряжении имеется большое количество готовых радиаторов, имеющих периметр сечения 1050 мм и длину 80 мм. По графику (рис. 18.30) определим поправочный коэффициент K L на длину радиатора:

Чтобы найти общую поправку, перемножим все поправочные коэффициенты:

С учетом поправок, радиатор должен обеспечивать тепловое сопротивление :

С помощью графика (рис. 18.27) найдем, что для одного транзистора требуется радиатор с периметром сечения 200 мм. Для группы из 20-ти транзисторов IRFP250N радиатор должен иметь периметр сечения не менее 4000 мм. Так как имеющиеся в распоряжении радиаторы имеют периметр 1050 мм, то придется объединить 4 радиатора.

На диоде ЭРСТ рассеивается меньшая мощность, но из конструктивных соображений для него можно использовать аналогичный радиатор.

Зачастую производители охладителей указывают площадь поверхности радиатора, а не периметр и длину.

Чтобы из предлагаемой методики получить площадь радиатора, достаточно умножить длину радиатора на его периметр S P = 400 8 = 3200 см2.

В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон - ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы - так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.

Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.

Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни - больше, другие - меньше. Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного. Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь. Так сказать, облегчить его страдания.

Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки. Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь - количество секций. Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату. Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется.

Рассмотрим устройство транзистора.

На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3 . Он подключается к выводам 4 . Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5 . У фланца есть отверстие 6 для установки на радиатор.

Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха - это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.

Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу - фланец. Фланец - это как одна-единственная секция у батареи - жарить жарит, а тепла воздуху не передается - маленькая площадь контакта. Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще "парочку секций", то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.

Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:

Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами. Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже. Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.

Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I , где P - выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I - сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.

Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.

У нас появились две штуки - это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7 . Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.

Расскажу о двух важных параметрах - это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора - Rпк и между корпусом транзистора и радиатором - Rкр. Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса. Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько - показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу. Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт - то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов.

К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.
А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7. У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится. Единственная причина использовать прокладку - если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.

Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла - не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2 градуса на ватт. Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов. Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!

Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.

Охлаждение бывает двух типов - конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение - мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет. Принудительное охлаждение - это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот. Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.

Как распознать радиатор - для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.

Смотрим фотографии.

Первый радиатор - для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос - в их эффективности.
У радиаторов есть 2 параметра - это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон. Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет.

Пример:
радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.
Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.

Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт. Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше. А уменьшить его можно по-разному - для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе - не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий). Не рекомендуется красить радиатор краской: краска - лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!

В приложении есть небольшая программа , в которой можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.

Схема блока питания.

Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт. Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов. Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.

Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.

Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200. Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла. Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.

Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см - это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности - дольше 10часов. Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее. А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв.см.

А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!

Приведена методика, на примере процессора Intel Pentium4 Willamette 1.9 ГГц и кулера B66-1A производства компании ADDACorporation, описывающая порядок расчета ребристых радиаторов, предназначенных для охлаждения тепловыделяющих элементов РЭА с принудительной конвекцией и плоскими поверхностями теплового контакта мощностью до 100 Вт. Методика позволяет произвести практический расчет современных высокоэффективных малогабаритных устройств для отвода тепла и применить их ко всему спектру устройств радиоэлектроники нуждающихся в охлаждении.

Параметры, задаваемые в исходных данных:

P = 67 Вт, мощность выделяемая охлаждаемым элементом;

q с = 296 °К, температура среды (воздуха) в градусах Кельвина;

q пред = 348 °К, предельная температура кристалла;

q р = nn °K , средняя температура основания радиатора (вычисляется в процессе расчета);

H = 3 10 -2 м, высота ребра радиатора в метрах;

d = 0,8 10 -3 м, толщина ребра в метрах;

b = 1,5 10 -3 м, расстояние между ребрами;

l м = 380 Вт/(м °К), коэффициент теплопроводности материала радиатора;

L =8,3 10 -2 м, размер радиатора вдоль ребра в метрах;

B = 6,9 10 -2 м, размер радиатора поперек ребер;

А = 8 10 -3 м, толщина основания радиатора;

V ³ 2 м/сек, скорость воздуха в каналах радиатора;

Z = 27, число ребер радиатора;

u р = nn K , температура перегрева основания радиатора, вычисляется в процессе расчета;

e р = 0,7, степень черноты радиатора.

Предполагается, что источник тепла расположен по центру радиатора.

Все линейные размеры измеряются в метрах, температура в градусах Кельвина, мощность в ваттах, а время в секундах.

Конструкция радиатора и необходимые для расчетов параметры показана на Рис.1.

Рисунок 1.

Порядок расчета.

1. Определяем суммарную площадь сечения каналов между ребрами по формуле:

S к = (Z - 1)·b · H

Для принятых исходных данных - S к = (Z - 1)·b ·H = (27-1) ·1,5 10 -3 ·3 10 -2 = 1,1 10 -3 м 2

Для центральной установки вентилятора, воздушный поток выходит через две торцевые поверхности и площадь сечения каналов удваивается и равняется 2,2 10 -3 м 2 .

2. Задаемся двумя значениями температуры основания радиатора и проводим расчет для каждого значения:

q р = { 353 (+80°С) и 313 (+40°С)}

Отсюда определяется температура перегрева основания радиатора u р относительно окружающей среды.

u р = q р - q с

Для первой точки u р = 57°К, для второй u р = 17°К.

3. Определяем температуру q , необходимую для расчета критериев Нуссельта (Nu ) и Рейнольдса (Re ):

q = q с + P / (2 · V · S к · r · C р)

где: q с – температура окружающего воздуха, среды,

V – скорость воздуха в каналах между ребрами, в м/сек;

S к – суммарная площадь поперечного сечения каналов между ребрами,в м 2 ;

r - плотность воздуха при температуре q ср, в кг/м 3 ,

q ср = 0,5 (q р + q с) ;

C р – теплоемкость воздуха при температуре q ср, в Дж/(кг х °К);

P – мощность отводимая радиатором.

Для принятых исходных данных - q = q с + P /(2·V ·S к ·r ·C р) = 296 К+67/(2·2м/сек·1,1 10 -3 м 2 ·1,21·1005) = 302,3°К (29,3°С)

* Величина, для данного ребристого радиатора с центральной установкой вентилятора, V из расчетов 1,5 - 2,5 м/сек (См. Приложение 2), из публикаций [Л.3] около 2 м/сек. Для коротких, расширяющихся каналов, как например у кулера Golden Orb скорость охлаждающегося воздуха может достигать 5 м/сек.

4. Определяем величины критериев Рейнольдса и Нуссельта, необходимые для расчета коэффициента теплоотдачи ребер радиатора:

Re = V ·L /n

где: n - коэффициент кинематической вязкости воздуха приq с, м 2 /с из Приложения1, таблица 1.

Для принятых исходных данных - Re = VL/ n = 2·8,3 10 -2 / 15,8 10 -6 = 1,05 10 4

Nu = 0,032 Re 0,8

Для принятых исходных данных - Nu = 0,032 Re 0,8 = 0,032 (2,62 10 4) 0,8 = 52,8

5. Определяем коэффициент конвективного теплообмена ребер радиатора:

a к = Nu · l в / L Вт / (м 2 К)

где, l - коэффициент теплопроводности воздуха (Вт/(м град)), при q с из Приложения 1, таблица1.

Для принятых исходных данных - a к = Nu· l в / L = 52,8 · 2,72 10 -2 / 8,3 10 -2 = 17,3

6. Определяем вспомогательные коэффициенты:

m = (2 · a к / l м · d ) 1/2

определяем значение mh и тангенса гиперболического th (mh ).

Для принятых исходных данных - m = (2 · a к / l м · d ) 1/2 = (2 · 17,3 /(380 · 0,8 10 -3)) 1/2 = 10,6

Для принятых исходных данных - m·H = 10,6 · 3 10 -2 = 0,32; th (m·H ) = 0,31

7. Определяем количество тепла, отдаваемое конвекцией с ребер радиатора:

P рк = Z · l м · m · S р · u р · th(m·H)

где: Z – число ребер;

l м = коэффициент теплопроводности металла радиатора, Вт/(м · °К);

m – см. формулу 7;

S р – площадь поперечного сечения ребра радиатора, м 2 ,

S р = L · d

u р – температура перегрева основания радиатора.

S р = L · d = 8,3 10 -2 · 0,8 10 -3 = 6,6 10 -5 м 2

P рк = Z · l м · m · S р · u р · th (m ·H ) = 27 · 380 · 10,6 · 6,6 10 -5 · 57 · 0,31 = 127 Вт.

8. Определяем среднюю температуру ребра радиатора:

q ср = (q р /2) [ 1 + 1 / ch (m ·H )]

где: ch (mH ) – косинус гиперболический.

Для принятых исходных данных - q ср = (q р /2) [ 1 + 1 / ch (m ·H )] = (353/2) =344°K (71°С)

*Величина тангенса и косинуса гиперболических вычисляется на инженерном калькуляторе путем последовательного выполнения операций “hyp ” и “tg ” или ”cos ”.

9. Определяем лучистый коэффициент теплообмена:

a л = e р · f (q ср, q с) · j

f (q ср, q с) = 0,23 [ 5 10 -3 (q ср + q с)] 3

Для принятых исходных данных - f (q ср, q с) = 0,23 [ 5 10 -3 (q ср + q с)] 3 = 0,23 3 = 7,54

Коэффициент облученности:

j = b / (b + 2h )

j = b / (b + 2H ) = 1,5 10 -3 / (1,5 10 -3 + 3 10 -2) = 0,048

a л = e р f (q ср, q с) j = 0,7 х 7,54 х 0,048 = 0,25 Вт/м 2 К

10. Определяем площадь поверхности излучающей тепловой поток:

S л = 2 L [ (Z -1) · (b + d ) + d ] +2 H · L · Z (м 2)

Для принятых исходных данных - S л = 2 L [(Z -1) · (b + d ) + d ] +2 H · L · Z = 0,1445 м 2

11. Определяем количество тепла отдаваемое через излучение:

P л = a л · S л (q ср - q с)

Для принятых исходных данных - P л = a л S л (q ср - q с) = 0,25 · 0,1445 · (344 – 296) = 1,73 Вт

12. Общее количество тепла отдаваемое радиатором при заданной температуре радиатора q р = 353К:

P = P рк + P л

Для принятых исходных данных - P = P рк + P л = 127 + 1,73 = 128,7 Вт.

13. Повторяем вычисления для температуры радиатора q р = 313К, и строим по двум точкам тепловую характеристику рассчитанного радиатора. Для этой точки Р=38Вт. Здесь по вертикальной оси откладывается количество тепла отдаваемое радиатором P р , а по горизонтальной температура радиатора q р .

Рисунок 2

Из полученного графика определяем для заданной мощности 67Вт, q р = 328 °К или 55°С.

14. По тепловой характеристике радиатора определяем что при заданной мощности P р =67Вт, температура радиатора q р =328,5°С. Температуру перегрева радиатора u р можно определяем по формуле 2.

Она равна u р = q р - q с = 328 – 296 = 32°К.

15. Определяем температуру кристалла и сравниваем её с предельным значением установленным производителем

q к = q р + Р (r пк + r пр) °К = 328+67(0,003+0,1)=335 (62°С),

q р – температура основания радиатора для данной расчетной точки,

Р – результат вычисления по формуле 14,

r пк - тепловое сопротивление корпус процессора - кристалл, для данного теплового источника равна 0,003 К/Вт

r пр – тепловое сопротивление корпус-радиатор, для данного теплового источника равна 0,1К/Вт (с теплопроводящей пастой).

Полученный результат ниже определенной производителем предельной температуры, и близко данным [Л.2] (порядка 57°С). При этом температура перегрева кристалла относительно окружающего воздуха в приведенных расчетах 32°С, а в [Л.2] 34°С.

В общем виде, тепловое сопротивление между двумя плоскими поверхностями при применении припоев, паст и клеев:

r = d к · l к -1 · S конт -1

где: d к – толщина зазора между радиатором и корпусом охлаждаемого узла, заполненного теплопроводящим материалом в м,

l к – коэффициент теплопроводности теплопроводящего материала в зазоре Вт/(м К),

S конт – площадь контактной поверхности в м 2 .

Приближенное значение r кр при достаточной затяжке и без прокладок и смазок равно

r кр = 2,2 / S конт

При применении паст, тепловое сопротивление падает примерно в 2 раза.

16. Сравниваем q к с q пред , мы получили радиатор обеспечивающий q к = 325°K , меньше q пред = 348°К, - заданный радиатор обеспечивает с запасом тепловой режим узла.

17. Определяем тепловое сопротивление рассчитанного радиатора:

r = u р / P (°К/Вт)

r = u р / P (°/Вт) = 32/67 = 0,47°/Вт

Выводы:

Рассчитанный теплообменник обеспечивает отвод тепловой мощности 67Вт при температуре окружающего воздуха до 23°С, при этом температура кристалла 325 °К (62°С) не превышает допустимую для данного процессора 348°К (75°С).

Применение специальной обработки поверхности для увеличения отдачи тепловой мощности через излучение на температурах до 50°С оказалось неэффективно и не может быть рекомендовано, т.к. не окупает затрат.

Хотелось бы, чтобы данный материал помог Вам не только рассчитать и изготовить современный малогабаритный высокоэффективный теплообменник, подобный тем, что широко применяются в компьютерной технике, но и грамотно принимать решения по применению подобных устройств, применительно к Вашим задачам.

Приложение 1.

Константы для расчета теплообменника.

Таблица 1

q с, К (°С)	l *10 -2 Вт/(м К)	n * 10 6 м 2 /сек	Ср Дж/(кг*К)	r , кг/м 2
273 (0)td>	2,44	13,3	1005	1,29
293 (20)	2,59	15,1	1005	1,21

373 (100)	3,21	23,1	1009	0,95

Значения констант для промежуточных значений температур, в первом приближении, можно получить построив графики функций для указанных в первом столбце температур.

Приложение 2.

Расчет скорости движения воздуха охлаждающего радиатор.

Скорость движения теплоносителя при вынужденной конвекции в газах:

V = Gv /S к

Где: Gv – объемный расход теплоносителя, (для вентилятора 70х70, S пр = 30 см 2 , 7 лопастей, P эм = 2,3Вт, w = 3500 об/мин, Gv = 0,6-0,8 м 3 /мин. или реально 0,2-0,3 или V = 2м/сек),

S к – свободная для прохода площадь поперечного сечения канала.

Учитывая, что площадь проходного сечения вентилятора 30 см 2 , а площадь каналов радиатора 22 см 2 , скорость продувки воздуха определяется меньшим, и будет равна:

V = Gv /S = 0,3 м 3 /мин / 2,2 10 -3 м 2 =136 м/мин = 2,2 м/сек.

Для расчетов принимаем, 2 м/сек.

Литература:

Справочник конструктора РЭА, под ред.. Р.Г.Варламова, М, Советское радио, 1972;

Справочник конструктора РЭА, под ред.. Р.Г.Варламова, М, Советское радио, 1980;

http://www.ixbt.com/cpu/ , Кулеры для Socket 478, сезон весна-лето 2002, Виталий Криницин , Опубликовано - 29 июля 2002 г;

http://www.ixbt.com/cpu/ , Измерение скоростей воздуха за охлаждающими вентиляторами и кулерами, Александр Цикулин, Алексей Рамейкин, Опубликовано - 30 августа 2002 г.

Подготовил в 2003 году по материалам Л.1 и 2

По способу перемещения теплоносителя различают :