Welke elektronica heeft koellichamen?
Feb 25, 2023|
Warmteafvoer van elektronische componenten is een van de fundamentele problemen waarmee ontwerpers en installateurs van een grote verscheidenheid aan consumenten- en industriële apparatuur worden geconfronteerd. Of het nu gaat om vermogensomvormers, die in bijna elk apparaat aanwezig zijn, of om processors, microcontrollers, enz., de ontwikkeling van koellichamen, het eenvoudigste maar cruciale element dat verantwoordelijk is voor de thermische regeling van elektronische componenten, hangt af van technologische ontwikkelingen. Meestal fungeert het als een warmtewisselaar, waardoor het stralingsoppervlak wordt vergroot en de warmte efficiënter naar de omgeving wordt afgevoerd.
Koellichamen zijn gemaakt van verschillende materialen, maar de meest gebruikte zijn goede thermische geleiders zoals koper of aluminium, die ook het voordeel hebben dat ze licht van gewicht zijn, zodat ze niet significant bijdragen aan het gewicht van het eindproduct, dat is vooral waar in mobiele toepassingen belangrijk. Het kan ook gemakkelijk machinaal worden bewerkt. Dit betekent dat we in het geval van niet-standaard toepassingen een generiek koellichaam kunnen kopen en de grootte eenvoudig kunnen aanpassen aan de behoeften van een specifiek project. In veel gevallen is dergelijke machinale (of zelfs handmatige) bewerking echter beperkt tot het tappen van de gaten met de juiste schroefdraad om het koellichaam op zijn plaats te monteren/vast te zetten.
Wat is warmteafvoer van elektronische koellichamen?
Een grote uitdaging bij het ontwerpen van elektronica is thermisch beheer. De gegenereerde warmte hoopt zich op in de behuizing en kan elektronische componenten beschadigen. Deze oververhitting vermindert niet alleen de levensverwachting, maar kan ook leiden tot productstoringen. Deze is geschikt voor kleine handhelds, controllers of zwaardere buitenapparatuur. Het thermisch gedrag van dergelijke componenten vereist altijd speciale aandacht van de ontwerper en kan niet worden genegeerd.
Hoe ontwerp je elektronische koellichamen?
Gemeenschappelijke ontwerpelementen die gericht zijn op het verbeteren van de warmteoverdrachtsmogelijkheden van elektronica door middel van geleiding, zijn onder meer:
Thermisch interfacemateriaal (TIM)
Deze materialen worden gebruikt als vulmaterialen in de opening tussen de warmtebron en het koellichaam. Ze hebben doorgaans een hoge thermische geleidbaarheid, waardoor de warmteoverdracht door het hele systeem efficiënt kan worden beheerd.
Koellichaam
Een koellichaam is een metalen onderdeel dat in contact staat met een warmtebron en dat warmte voornamelijk door geleiding, soms door convectie of straling, afvoert. Aluminium of koper wordt meestal gebruikt als koellichaam omdat de thermische geleidbaarheid van deze metalen hoog is en recht evenredig is met de efficiëntie van de warmteafvoer. Omdat warmteoverdracht via het oppervlak plaatsvindt, zijn koellichamen speciaal ontworpen in verschillende vormen om een groot oppervlak te garanderen.
Hitte pijp
Heatpipes zijn afgedichte koperen of aluminium buizen of buizen die vloeistof bevatten. De vloeistof absorbeert warmte van het hete oppervlak, kookt en komt in dampvorm.
Thermo-elektrische module
Thermo-elektrische modules zijn apparaten die het Peltier-effect gebruiken om componenten te verwarmen of af te koelen, afhankelijk van de toepassing van elektrische stroom op het apparaat. Deze worden altijd gebruikt met een koellichaam, anders kan het apparaat oververhit raken en defect raken.
Thermisch vet of lijm
Thermisch geleidende lijmen of vetten zijn een andere unieke technologie voor warmteoverdracht. Een van de belangrijkste voordelen is dat ze componenten met elkaar verbinden die niet mechanisch kunnen worden verbonden.
Het is duidelijk dat ontwerpers veel opties hebben. Het is echter niet eenvoudig om de juiste combinatie van componenten te bepalen om een betrouwbare en efficiënte koeling te garanderen en het product zo compact mogelijk te houden. Dit is waar simulaties waardevolle inzichten kunnen opleveren.
Thermische simulatie
Een van de beste methoden die een ontwerper kan gebruiken om dit probleem op te lossen, is door thermische simulaties uit te voeren op de elektronicabehuizing voordat het daadwerkelijke product wordt vervaardigd. Dergelijke simulaties kunnen helpen bij het vinden van antwoorden op veel belangrijke vragen: hoe efficiënt is het koelsysteem? Welke mogelijke ontwerpwijzigingen moeten worden doorgevoerd? Hoe beïnvloedt het gekozen materiaal het warmteoverdrachtsgedrag? Er zijn er nog veel meer, afhankelijk van de aard van uw product.
De noodzaak om veiligere en compactere elektronische apparaten te maken, daagt ingenieurs over de hele wereld uit om buitengewone ontwerpen te maken. In het traditionele ontwerpproces is de enige manier om de duurzaamheid van een nieuw elektronisch product te garanderen, het uitvoeren van talloze ontwerpherhalingen totdat aan alle criteria is voldaan. Dit betekent veel fysieke prototypes en een tijdrovend en duur fysiek testproces.
Naast het aantal ontwerpiteraties is ook het stadium waarin een ontwerpwijziging moet worden doorgevoerd van belang; hoe eerder in het proces, hoe kosteneffectiever het is om de ontwerpwijziging door te voeren. Later in deze fase wordt de reikwijdte van mogelijke ontwerpwijzigingen drastisch kleiner en zijn alleen kleine incrementele ontwerpwijzigingen mogelijk.