Das optimale Design von Kühlkörpern, insbesondere für Geräte mit hoher thermischer Belastung wie MOSFETs und IGBTs, ist entscheidend für den effizienten Betrieb dieser Geräte und zur Vermeidung vorzeitiger Komponentenausfälle. Dies erfordert eine Kombination aus Lüftern und Kühlkörpern, um leistungsstarke Geräte, die große Wärmemengen abführen, ausreichend zu kühlen.
In der praktischen Wärmetechnik hängt die Reduzierung des thermischen Massenwiderstands bei erzwungener Konvektion stark davon ab, die Rippendichte mit einem lokalen statischen Druckabfall in Einklang zu bringen. Bei Winshare Thermal verwenden wir diese mathematisch-analytischen Grundlagen, um eine erste Dimensionierung durchzuführen, bevor wir mit der numerischen Strömungsmechanik (CFD) fortfahren. So stellen wir sicher, dass Ihr Gehäusedesign jeden vom Kühlventilator gelieferten Kubikfuß pro Minute (CFM) maximiert.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird häufig eine Abdeckung oder ein Kanal verwendet, um den Luftstrom des Lüfters in den Kühler zu leiten und so einen Luftstrom um den Kühler herum zu verhindern, wodurch die effektive Kühlleistung der Kombination aus Lüfter und Kühlkörper verringert wird .
Abbildung 1: Kühlkörper- und Lüfterdesign ohne Bypass
Der optimale Kühlkörperabstand und der daraus resultierende Wärmewiderstand für die in Abbildung 1 gezeigte Lüfter-/Kühlerkombination können mithilfe einiger Formeln direkt berechnet werden, um schnell die erforderliche Kühlkörpergröße abzuschätzen.
Es ist jedoch nicht möglich, den Lamellenabstand eines Kühlkörpers unter der Annahme einer konstanten Durchflussrate oder Volumenstromrate zu optimieren. Die Luftströmungsgeschwindigkeit zwischen den Lamellen wird durch den Lamellenabstand und ihre Anzahl anhand von Gleichung 1 bestimmt. Diese Formel besagt, dass der Luftvolumenstrom, der sich dem Kühler nähert, derselbe ist wie der Luftvolumenstrom, der durch den Kühler strömt, da es keinen Bypassstrom um den Kühler herum gibt.
Abbildung 2: Abmessungen der Luftkühlrippen
Vf Rippen: Luftgeschwindigkeit zwischen den
V:Volumenstrom in den Kühler
H f =Hb:Flossenhöhe
S: Abstand zwischen den Rippen
N f :Anzahl der Flossen
Je kleiner der Lamellenabstand ist s, desto höher ist die Luftgeschwindigkeit V f zwischen den Lamellen. Je höher der Luftdurchsatz ist, desto besser ist die Kühlwirkung des Kühlkörpers. Wenn Sie die Größe des Kühlkörpers optimieren möchten, sollte der Abstand zwischen den Lamellen einen kleinen Wert haben, da der Luftdurchsatz mit abnehmendem Lamellenabstand zunimmt und auch die Kühlwirkung zunimmt. In praktischen Anwendungen wird der Luftstrom durch Ventilatoren oder Gebläse bereitgestellt. Die Durchflussrate ist nicht konstant und wird durch den Anstieg des Druckabfalls des Kühlkörpers begrenzt, wenn der Kühlkörperabstand s kleiner wird.
1. Annahmen zur Kühlkörperkonstruktion
Um die Analyse zu vereinfachen und erhebliche Berechnungsfehler zu vermeiden, gehen wir von folgenden Annahmen aus:
A. Die aus der Rippendicke resultierende Oberfläche t und der Basisdicke b ist deutlich kleiner als die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers.
B. Die Wärmequelle hat die gleiche Länge und Breite wie der Kühlkörper und befindet sich in der Mitte des Kühlkörpersockels.
C. Die Wärmequelle und die Basis des Kühlkörpers stehen in vollem Kontakt mit dem Lüfter oder Gebläse.
D. Der gesamte Luftstrom strömt durch den Kühler.
e. Im Vergleich zur Konvektion ist die Strahlungswärmeübertragung gering und kann vernachlässigt werden.
F. Der Luftstrom durch den Kühler ist laminar und gleichmäßig. Die Dicke des Kühlkörpers ist im Vergleich zum Abstand s zwischen den Kühlkörpern gering.
Unter der Annahme, dass ein laminarer Luftstrom durch den Kühler für die meisten kommerziellen Kühler-Lüfter-Kombinationen funktioniert. In der Elektronik spielt das Lüftergeräusch eine wichtige Rolle. Daher wird die Lüftergeschwindigkeit absichtlich reduziert, um erhebliche Geräusche beim Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung zu vermeiden.
2. Berechnen Sie den Lüfterstrom
Der erste Schritt beim Entwurf eines Kühlkörpers besteht darin, den Betriebspunkt der Kombination aus Lüfter und Kühlkörper zu bestimmen. Wenn ein Lüfter oder Gebläse mit einem Kühler verwendet wird, hängt die Leistung des Lüfters von der Konstruktion des Kühlers ab.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, weist jeder Lüfter eine einzigartige Druck-/Strömungskurve auf, bei der die Durchflussrate umgekehrt proportional zum Druckabfall am Lüfter ist. Kühler haben auch eine Druck-/Strömungskurve, die proportional zum Druckabfall am Kühler ist, wie in Abbildung 3 dargestellt. Der Durchfluss durch die Lüfter-/Kühlerkombination ist der Schnittpunkt der Druck-/Strömungskurven von Lüfter und Kühler.
Abbildung 3: Kurven des Lüfter- und Kühlerdrucks im Verhältnis zum Durchfluss
Lüfterkurven werden im Allgemeinen vom Lüfterhersteller bereitgestellt und sind normalerweise äußerst nichtlinear. In vielen Fällen sind die einzigen von ihnen bereitgestellten Ventilatorleistungsdaten der maximale Durchfluss und der maximale Druckabfall. Um Durchflussberechnungen zu vereinfachen und Situationen zu berücksichtigen, in denen nur maximaler Durchfluss und maximaler Druckabfall bereitgestellt werden, kann eine einfache lineare Näherung der Lüfterkurve in Gleichung 2 ausgedrückt werden. In den meisten Fällen liefert diese lineare Näherung der Lüfterkurve eine vernünftige Schätzung der Lüfterleistungskurve.
ΔP max : Maximaler Druckabfall des Ventilators
V max : Maximaler Volumenstrom des Ventilators
Bei mehreren nebeneinander (parallel) eingesetzten Ventilatoren ergibt sich der maximale Volumenstrom V max des Ventilators aus dem maximalen Volumenstrom eines Ventilators multipliziert mit der Anzahl der Ventilatoren.
Der Spannungsabfall am Kühlkörper ist in Gleichung 3 dargestellt:
Die Luftdichte ρ wird aus der Umgebungslufttemperatur berechnet.
Der hydraulische Durchmesser D h des Kanals zwischen den Rippen kann mit 2s angenähert werden . Die Variablen K c und K e sind die Druckverlustkoeffizienten aufgrund der Kontraktion bzw. Expansion des in den Kühler eintretenden bzw. austretenden Luftstroms. Die Formeln für diese Druckverlustkoeffizienten sind eine Funktion der Frontfläche σ=s/(s + t) und basieren auf dem Diagramm in Referenz 1.
Der scheinbare Reibungskoeffizient fapp basiert auf dem in Referenz [2] entwickelten Modell:
, stellt die Reynolds-Zahl des Flüssigkeitskanals dar, wobei nu die kinematische Viskosität der Kühlluft ist.
Der 
Produktterm berücksichtigt den Reibungskoeffizienten, der sich aus einer voll entwickelten laminaren Strömung zwischen den Kühlerlamellen ergibt. Eine voll entwickelte Strömung findet typischerweise in extrem langen Kanälen oder bei niedrigeren Flüssigkeitsgeschwindigkeiten statt, bei denen das Strömungsgeschwindigkeitsprofil völlig konstant bleibt.
Um den praktischen Betriebspunkt von Lüfter und Kühler zu bestimmen (den genauen aerodynamischen Schnittpunkt, an dem die Druckkurve des Lüfters mit der Strömungswiderstandskurve des Kühlers übereinstimmt), werden Gleichung 2 und Gleichung 3 angeglichen, sodass die unbekannte Volumenstromvariable (V-Punkt) genau bestimmt werden kann.
3.Optimieren Sie den Lamellenabstand
Berechnen Sie den Lamellenabstand S opt , der eine maximale Wärmeübertragung ermöglicht, mithilfe von Gleichung 9, wobei μ und α die Viskosität bzw. die thermische Diffusivität von Luft sind. Diese Formel wurde von Bejan et al. vorgeschlagen. in Ref. 3.
Der optimale Lamellenabstand S opt ist eine Funktion des Lüfterdruckabfalls ΔP fan und des Kühlkörperdruckabfalls ΔP hs . Der Druck des gesamten Systems bestimmt das Durchflussbild durch den Kühler, und dieser Durchfluss beeinflusst die Wärmeübertragungsrate des Kühlers.
Ersetzen Sie den Rippenabstand s in Gleichung 8 durch Gleichung 9 und bestimmen Sie das Strömungsbild des Systems durch Lösen der resultierenden Gleichung.
Bitte beachten Sie, dass, obwohl Gleichung 8 löst ΔP fan und ΔP hs gleich , nur Gleichung 2 ΔP fan verwendet werden sollte, wenn die Strömung in Gleichung 9 berechnet wird. ΔP hs in Gleichung 3 hängt vom Lamellenabstand ab s, daher ist die Verwendung von ΔP hs in Gleichung 9 zur Lösung der Strömungsrate mathematisch unlösbar.
4.Berechnen Sie den Wärmewiderstand des Kühlkörpers
Aus der Lösung von Gleichung 8 kennen wir das Strömungsbild und die Strömungsgeschwindigkeit V f durch den Kühlkörper und können die Wärmeübertragungsrate und den Wärmewiderstand des Kühlkörpers bestimmen.
Berechnen Sie den durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten hf des Kühlkörpers mithilfe der Gleichungen 10, 11, 12, 13 und 14 in Referenz 4.
wobei k die Wärmeleitfähigkeit der Luft ist.
P r ist die Prandtl-Luftzahl. Über den typischen Betriebstemperaturbereich von Kühlkörpern zur elektronischen Kühlung kann ein Wert von 0,71 verwendet werden.
Daher beträgt der Gesamtwärmewiderstand R hs des Kühlkörpers:
Die benetzte Oberfläche eines Kühlers, A hs , ist die Fläche, die mit der durch den Kühler strömenden Luft in Kontakt steht.
Der erste Term in Gleichung 15 ist der Wärmewiderstand des Kühlkörpers und der Term nach dem Pluszeichen ist der Wärmewiderstand an der Basis des Kühlkörpers.
Von theoretischen Gleichungen zur fabrikdirekten Fertigung
Während analytische Formulierungen eine hervorragende mathematische Grundlage für die Schätzung des optimalen Lamellenabstands bieten, sind erzwungene Konvektionssysteme in der Praxis selten perfekt in Kanälen enthalten. Im praktischen Hardware-Einsatz kann die Umgehung des Luftstroms (Luft, die durch die Lücken zwischen dem Kühlkörper und dem äußeren Gehäusegehäuse entweicht) die berechnete Kühleffizienz um bis zu 30 % bis 50 % verschlechtern.
Daher erfordert der Übergang von einer einfachen linearen Berechnung zu einem zuverlässigen Industrieprodukt eine spezielle Fertigung und empirische Validierung. Als IATF 16949-zertifizierter Pionier für thermische Lösungen schließt Winshare Thermal die Lücke zwischen Theorie und Massenproduktion.
Unsere hauseigenen Designlabore raten nicht nur mit Formeln; Wir integrieren die genauen Ihres Lüfters P-Q-Kennlinien in fortschrittliche Ansys Icepak- und FloTherm-Simulationen, um gleichzeitig die Lamellengeometrie, die Grundplattendicke und die Kanalabdeckungen zu optimieren. Unabhängig davon, ob Ihr Projekt Aluminium-Strangpressteile mit hohem Übersetzungsverhältnis, präzisionsgeschälte Kupferrippen oder hochzuverlässige Kühlrippen mit geklebten Rippen erfordert, kümmern wir uns um die gesamte Pipeline vom Design bis zur Fertigung in unseren modernen Produktionsanlagen in China und Thailand.
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Geben Sie unten Ihre maximale Wärmelast (Watt), verfügbare Lüftermodellspezifikationen oder rohe 3D-CAD-Dateien ein. Unsere engagierte Thermotechnik-Gruppe liefert innerhalb von 24 Stunden eine umfassende, kostenlose Design for Manufacturing (DFM)-Bewertung und ein wettbewerbsfähiges Fabrikangebot.
