방열판 설계 기본 사항:요인 및 계산

방열판은 기계 및 전기 회로에서 간과하기 가장 쉬운 구성요소입니다. 그러나 방열판이 매우 중요한 기능을 하기 때문에 하드웨어를 설계할 때는 그렇지 않습니다. CPU, 다이오드, 트랜지스터를 포함한 거의 모든 기술은 열 성능을 저하시키고 작동을 비효율적으로 만들 수 있는 열 에너지를 생성합니다.

방열 문제를 극복하기 위해 다양한 유형의 방열판은 다양한 요소를 처리하고 최적의 온도에서 작동하도록 설계되었습니다.

기술(특히 나노 기술)의 급속한 발전과 가능한 한 컴팩트하고 효율적인 제품을 만들기 위해 올바른 방열판 설계는 전기 제품을 제조하는 동안 견제와 균형이 되었습니다. 따라서 이 기사에서는 방열판의 세부 사항 및 설계 고려 사항에 대해 설명합니다.

방열판이란 무엇입니까?

방열판은 다른 구성 요소에서 과도한 열을 제거하는 장치입니다. 집적 회로에서 방열판은 원치 않는 열을 발산하기 위해 열전도율이 높은 재료로 만들어집니다. 표면적을 확장하고 더 차가운 공기나 액체가 표면적을 가로질러 통과할 수 있도록 합니다.

푸리에의 법칙에 따르면 열은 더 뜨거운 곳에서 더 차가운 곳으로 전달됩니다. 이 법칙에 따른 Heat sink는 온도 구배를 통해 작동합니다. 전기 부품에서 발생하는 원치 않는 열을 전도 또는 자연 대류와 같은 열 전달 방식을 통해 더 차가운 공기나 유체로 전달합니다.

방열판 유형

방열판 설계를 식별하는 첫 번째 단계는 구성 유형을 결정하는 것입니다. 두 가지 인기 있는 방열판 유형이 있습니다.

수동 방열판

패시브 방열판은 기존 옵션이며 자연 기류를 사용합니다. 자연 대류는 구성 요소에서 열을 멀리 이동시키는 방열판을 가로질러 설정됩니다. 작동 비용이 저렴하고 작동에 추가 전력이 필요하지 않습니다.

활성 방열판

능동 방열판은 더 효율적이고 강력하지만 열 전달을 가능하게 하기 위해 공기 또는 유체를 사용하는 강제 대류가 필요합니다. 방열판 근처에서 팬과 같은 전기 구동 장치를 사용하기 때문에 쉽게 식별할 수 있습니다.

방열판 중 하나를 선택하면 디자인이 다양해집니다. 예를 들어 팬에 의존하는 능동 방열판은 수동 전도체와 동일한 양의 열을 발산하기 위해 더 작은 표면적과 더 가벼운 재료가 필요합니다.

방열판 설계의 요소 및 고려 사항

모든 방열판은 동일한 일반 원리로 작동합니다. 먼저 구성 요소에서 열이 생성되고 방열판은 해당 열의 소산을 돕습니다. 부품이나 회로에 부착된 방열판은 전도나 히트 파이프를 통해 열을 받습니다. 방열판 재료의 열전도율은 이 과정에 상당한 영향을 미칩니다.

다음으로, 전체 방열판 내에서 열전달이 발생합니다. 패시브 열 교환기 또는 방열판은 열원 근처에서 더 뜨겁고 다른 쪽 끝으로 갈수록 더 차가워집니다. 이러한 자연 전도가 표면을 가로질러 열을 고르지 않게 전달하기 때문입니다.

그 후 열은 자연 대류와 강제 대류를 통해 발산됩니다. 방열판 표면 바로 위를 통과하는 공기 또는 유체는 확산을 통해 발생된 열을 제거하고 주변 공기로 전달합니다.

지금까지는 재료, 형상 및 냉각수 유형을 비롯한 많은 요인이 방열판 성능에 영향을 미친다는 것이 분명합니다. 방열판을 설계하기 전에 이러한 매개변수를 고려해야 합니다.

1. 열 저항

열 저항은 단순히 온도 구배를 통해 이동할 때 생성된 열이 직면하는 결합된 열 저항으로 정의할 수 있습니다. 여기에는 방열판 어셈블리 내의 열 저항, 마찰, 냉각수와 열 교환기 표면 사이의 저항으로 인한 열 에너지 낭비가 포함됩니다.

열 저항 값을 사용하여 열 저항을 계산할 수 있습니다. 부품 및 IC에 대한 가장 효과적인 열 저항을 찾는 데 매우 유용합니다.

2. 자료 유형

방열판 디자인은 선택한 재료에 크게 영향을 받습니다. 방열판의 인기 있는 재료에는 AA 6063-T6과 같은 알루미늄 합금 및 구리 텅스텐 또는 구리-몰리브덴이 있습니다. 구리 방열판은 열전도성과 내식성이 우수하지만 알루미늄보다 무겁고 가격이 비쌉니다. 또한, 랩그로운 다이아몬드인 CVD(Chemical Vapor Diamonds)는 격자 구조 내의 진동으로 인해 발생하는 열전도율로 인해 사용됩니다.

열 저항의 영향을 받는 기타 열 발생 장치에는 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리가 포함되며 이러한 배터리에서 열을 전달하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 열 폭주가 연쇄 반응이 배터리를 파괴합니다. 전도성이 더 높은 탄소 섬유 방열판은 자동차 산업에 열 관리 솔루션을 제공합니다.

3. 방열판 핀

핀은 방열판에서 주변 온도로 열 전달을 허용하는 방열판의 구성 요소입니다. 모양과 위치는 방열판이 에너지를 전달하는 방식에 크게 영향을 미칠 수 있으며 이러한 핀의 크기와 수는 효율성을 결정합니다.

3.1 지느러미의 배열, 모양, 크기 및 위치

핀은 공기와 같은 냉각 유체가 방열판을 통과하여 방열을 허용하는 곳입니다. 따라서 방열판 구성에서는 배열과 크기가 중요합니다. 이러한 요소를 강화하면 더 나은 열 분산과 더 쉬운 열 흐름으로 이어질 수 있습니다. Science Direct에 대한 연구에서 한 보고서의 결과는 모양이 방열판의 열 관리에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해 논의했습니다.

"결과는 원형 핀이 방열판의 열 성능을 향상시키고 열 저항을 다른 두 형태보다 25% 및 12% 낮춘 것으로 나타났습니다." – 열 공학 사례 연구

3.2 핀 효율성

서버와 같은 광범위한 기술 장치의 전기 부품은 과도한 열을 발생시킵니다. 열 전달이 느리면 성능과 수명이 단축될 수 있습니다. 히트 파이프와 액체 냉각은 큰 잠재력을 가지고 있지만 안정적이고 지속적으로 열을 발산하기 위해서는 핀형 열교환기가 필수적입니다.

핀은 전기 부품의 전력 손실을 위해 표면을 확장하고 두께, 높이 및 열 저항과 같은 요소는 핀 효율에 영향을 미칩니다. 효율을 높이기 위해 열경계층을 얇게 하고, 열전도율이 높은 소재로 만들어진 방열판 자체와 공기의 방향을 최적의 각도로 설정했다.

4. 열 인터페이스 재료

방열판은 전기 부품 및 회로에 부착되어야 합니다. 이때 열교환기와 일반적인 전기 부품 사이의 계면을 열 인터페이스 재료라고 합니다.

열 인터페이스 저항은 방열판의 효율성과 표면 거칠기를 감소시킬 수 있으며 갇힌 공기와 공극은 열 접촉 저항을 증가시킬 수 있습니다. 당연히 이러한 계면의 결점으로 인해 열전달이 불량하고 열저항을 낮추기 위해 상변화 물질과 같은 다양한 열 계면 물질이 사용된다. 공기가 제거되고 빈 공간이 채워지면 부품의 열 저항이 감소하여 완전한 접촉을 보장합니다.

5. 방열판 부착 방법

방열판은 기계 부품을 비롯한 다양한 장소에서 사용됩니다. 방열판 부착물을 선택하면 최대 전력 손실을 크게 개선하고 더 많은 열 에너지를 방출할 수 있습니다. 널리 사용되는 방법에는 열 테이프, 에폭시, 클립 및 푸시 핀이 있습니다.

방열판 설계의 많은 요소가 부착물의 선택에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 중량이 큰 방열판은 열 테이프로 지지할 수 없습니다. 에폭시는 열 관리 솔루션에서 탁월한 선택이지만 비용이 많이 들고 적용하는 데 기술이 필요합니다.

방열판 설계:열 저항 계산

방열판 디자인은 의도한 용도에 맞는 기하학적 구조와 기능을 완성합니다. 그러나 방열판이 열을 얼마나 잘 발산하는지 성능을 평가하려면 몇 가지 열 저항 계산이 필요합니다.

알아야 할 용어:

T_접합 :최대 접합 작동 온도

T_주변 :주변 공기 온도

_질문 :열 발생

T_{접합 케이스} :접합 대 케이스 저항

T_{인터페이스} :계면 재료 저항

T_방열판 :방열판 열저항

총 열 저항은 접합부에서 케이스로의 열 흐름에 대한 저항, 계면 재료 열 저항 및 방열판과 주변 공기 사이의 저항입니다.

위의 계산은 또한 설계 단계에서 서로 다른 재료와 인터페이스를 비교하고 구성 요소의 최대 작동 온도와 일치하는 적절한 열 저항을 찾는 데 사용됩니다.

방열판 디자인:크기 계산

방열판 크기 조정의 첫 번째 단계는 방열판의 치수를 결정하는 것입니다. 치수가 설정되면 다음 단계는 방열판 계산기로 단순화된 몇 가지 계산을 따르는 것입니다.

• 대류열 찾기

_{품질 관리} =2hA(T_comtent – T_주변 )

어디

A =HL + t(2H + L)

h =1.42[( T_comtent – T_주변 )/H ] ＾0.25

_{품질 관리} :2hA( T_compent – T_주변 )

• A₂에서 대류열을 찾아 열을 발산할 수 있는 또 다른 표면이 있음을 알 수 있습니다.

_{품질 관리} =2시간₂ A₂ (T_comtent – T_주변 )

어디에

A₂ =L[2( H – b) + sb] + tL

s =2.71 [ gβ(T_comtent – T_주변 )/Lαv  ]

• 복사를 통해 방출되는 열을 찾습니다.

대류와 마찬가지로 열은 두 표면의 복사를 통해 빠져나갈 수 있습니다.

_Qr =2ϵσA₁ ( T ⁴ _보상 – T ⁴ _주변  )

_2분기 =2ϵσA₂ ( T ⁴ _보상 – T ⁴ _주변  )

어디

A₂ =L(t + s) + 2(tH + sb)

• 마지막으로 지느러미 수는 다음과 같습니다.

_Fn =1 + [(_Q  – _Qr2 – _Qc2 ) / (_Qr1 + _Qc1 )]

• 각 지느러미의 너비는 다음과 같습니다.

W =(N – 1) + Nt

방열판의 응용

방열판은 열을 발생시키는 곳에서 사용되며 작동 온도를 최대 허용 온도 내로 유지하기 위해 지속적으로 조절해야 합니다. 전기 장치에서 방열판은 LED와 트랜지스터를 볼 수 있는 거의 모든 곳에서 볼 수 있습니다. 이는 과열 없이 실온 환경에서 계속 작동하도록 하기 위한 것입니다.

방열판의 적용은 주로 열을 전도하는 속도에 의해 특징지어집니다. 따라서 온도 상승이 작업에 위험이 되는 공정에는 더 높은 열전도율 재료가 사용됩니다.

CPU

컴퓨터를 사용하고 CPU 칩을 오버클럭하면 상당한 열이 발생합니다. CPU에 열적으로 결합된 방열판은 이 열을 저장하여 칩에서 빠르게 제거할 뿐만 아니라 표면을 가로질러 전달하여 결국 주변 공기로 발산합니다.

전력 증폭기

전력 트랜지스터에서 생성된 열은 전류 누출로 이어질 수 있습니다. 컬렉터 전류의 이러한 상승은 결국 소비 전력을 증가시켜 온도를 더욱 높일 수 있습니다. 이것은 트랜지스터를 파괴하는 열 폭주 루프로 이어질 수 있습니다. 방열판은 표면을 통해 생성된 열을 빠르게 전달하여 손상을 방지합니다.

광전자공학

구성 요소 자체가 작동 온도를 조절할 수 없기 때문에 방열판은 일반적으로 LED와 함께 사용됩니다.

방열판 설계를 위한 일반적인 제조 방법

효과적인 방열판 설계를 생성하기 위해 엔지니어는 재료 선택과 같은 다양한 요소를 고려해야 하며 알루미늄은 방열판 제조에 사용되는 가장 일반적인 재료입니다. 이 섹션에서는 알루미늄 방열판을 제조하는 가장 일반적인 3가지 방법에 대해 설명합니다.

방열판 압출

압출 공정은 높은 생산량, 적은 투자, 짧은 개발 주기 및 낮은 생산 비용을 특징으로 하는 단순한 방열판 설계에 적합합니다.

일반적으로 사용되는 알루미늄 압출 재료는 열전도율이 좋은 알루미늄 6063입니다. 작동 원리는 알루미늄 잉곳을 고압에서 520-540℃로 가열하여 알루미늄 액체가 홈이 있는 압출 금형을 통해 흐르게 하여 방열판 배아를 만드는 것입니다. 그런 다음 방열판 배아, 프로필 홈 및 기타 가공을 우리가 흔히 볼 수 있는 방열판 핀으로 잘라냅니다.

CNC 가공 방열판

CNC 가공에는 터닝, 드릴링, 밀링 및 연삭과 같은 다양한 프로세스가 포함됩니다. 이 공정은 부품의 구조, 판 성형, 방열판 홈 가공, 바닥면 드레싱 등과 같은 대부분의 구조 부품의 사용에 따라 유연하게 적용될 수 있습니다. 이 방법은 특히 복잡한 형상의 방열판 설계에 적합합니다. .

다이 캐스팅 방열판

다이캐스팅 알루미늄 방열판 알루미늄의 원리는 사출 성형과 유사합니다. 알루미늄 합금의 원료는 고압에서 액체에 용해되고 액체 재료는 금형에 빠르게 채워집니다. 모델에 따르면 다이캐스팅 기계가 작동하기 시작했고 냉각 및 후속 처리를 거쳐 일회성 다이캐스팅 성형을 단량체 방열판으로 만들었습니다. 이 프로세스는 얇거나 조밀하거나 복잡한 방열판 핀 디자인에 통합될 수 있습니다.

결론

더 많은 기술 발전이 이루어지고 프로세스를 더 유용하게 만드는 더 나은 솔루션이 발견됨에 따라 방열판의 사용은 계속 확장될 것입니다. 방열판의 디자인도 더욱 다양화되고 맞춤화될 것입니다.

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