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열 분산기는 국지적인 소스에서 더 큰 표면적에 걸쳐 열을 확산시키거나 때로는 보조 열 교환기, 방열판으로 전달하거나 주변 공기로 분산시켜 중요한 구성 요소의 과열을 방지하는 열 전도성이 높은 재료로 만들어진 물체입니다. 이러한 방열 장치는 일반적으로 구리, 알루미늄, 흑연 또는 다이아몬드로 만들어집니다. 금속 열 분산기, 증기 챔버 및 히트 파이프와 같은 상 변화 장치, 공극을 채우는 열 전달 화합물을 포함한 다양한 유형의 열 분산기는 다양한 응용 분야에서 열 전달 효율을 극대화하도록 설계되었습니다. 열 분산기는 무엇보다도 컴퓨터 프로세서, 모바일 장치 및 자동차 전자 장치에 일반적으로 사용됩니다. 이 기사에서는 열 분산기가 무엇인지 검토하고 프로젝트를 완료하는 데 필요한 정보를 얻을 수 있도록 다양한 유형과 응용 프로그램을 설명합니다.
열 분산기는 더 높은 온도의 소스에서 추가 열 교환기 또는 주변 공기와 같은 더 차가운 매체로 열을 분산시키는 것을 촉진하는 물체입니다. 열 분산기는 전자 및 전기 시스템에 자주 사용됩니다. 또한 HVAC 시스템, 온수기, 발전소 및 기타 산업용 응용 분야에도 일반적으로 사용됩니다.
열 분산기 그림
열 분산기는 전자 및 산업 시스템의 중요 구성 요소 과열을 방지하는 중요한 장치입니다. 과열은 두 가지 방식으로 전자 장치의 성능에 해를 끼칩니다. 온도가 증가함에 따라 저항률이 떨어지는 반도체의 성능과 나머지 전자 시스템에 대한 전자 부품의 금속 연결 성능이 저하됩니다. 이로 인해 하드 드라이브와 프로세서 속도가 느려집니다. 방출되지 않고 너무 많은 열이 발생하면 과도한 열로 인해 컴퓨터 시스템이 충돌하고 구성 요소가 손상될 수 있습니다.
열 분산기는 열원의 열 에너지를 보조 열 교환기 또는 냉각 매체로 전달하여 작동합니다. 이는 열 전도성이 높은 고체 재료 조각을 사용하거나 기화 잠열에 의존하는 히트 파이프나 증기 챔버에서 발견되는 상 변화 메커니즘을 활용하여 달성할 수 있습니다.
고체 열 분산기에서 열은 금속 블록을 통해 소스에서 멀리 전도됩니다. 상변화 스프레더(예:히트 파이프)는 가열되면 기화되는 작동 유체로 부분적으로 채워진 밀봉된 진공 챔버를 사용합니다. 유체는 열을 흡수하여 열원 근처의 증발기 부분에서 기화됩니다. 그런 다음 이 증기는 열 파이프나 증기 챔버를 통해 보조 열 교환기로 이동하여 열원에서 열을 운반합니다. 그런 다음 증기는 더 차가운 내부 표면에 응축되어 주기를 반복합니다.
열 분산기에는 아래 나열된 구성 요소 중 하나 이상이 포함되어 있습니다.
기본 재료는 고온 소스에서 보조 열 교환기로 열을 전달하는 열 분산기의 기본 시트, 블록 또는 간격 채우기 구조를 형성합니다. 기본 재료는 열전도율이 높아야 합니다. 따라서 구리, 알루미늄, 흑연, 다이아몬드를 선택하는 것이 좋습니다.
열 인터페이스 재료(TIM)는 열 전달을 개선하기 위해 열 분산기와 열 발생 장치 사이에 배치되는 물질입니다. TIM은 일반적으로 금속 산화물, 은 또는 흑연 필러가 포함된 실리콘 기반 열 그리스 또는 열 페이스트입니다.
핀은 열원으로부터 대류 기반 냉각에 사용할 수 있는 표면적을 늘리는 열 분산기 기본 본체의 돌출부입니다. 주변 공기는 핀 사이를 흐르며 대류를 통해 핀과 시스템에서 열을 추가로 제거합니다. 핀은 일반적으로 알루미늄이나 구리와 같은 경량의 고전도성 금속으로 만들어지지만 베이스와 동일한 재료일 필요는 없습니다.
히트 파이프는 열 전도성 외부 구조, 심지 및 작동 유체로 구성된 폐쇄형 파이프입니다. 히트 파이프의 한쪽 끝은 냉각될 구역에 위치하며 열을 흡수합니다. 이 열은 히트 파이프 내부 벽에 있는 심지의 액체를 증발시킵니다. 생성된 가스는 파이프 중앙을 따라 응축기 섹션으로 이동하고, 여기서 더 차가운 벽이 심지의 증기를 재응축합니다. 그러면 모세관 현상이 해당 액체를 뜨거운(증발기) 영역으로 다시 끌어당겨 밀봉된 파이프 내에서 냉각 유체가 지속적으로 순환하게 됩니다.
팬은 일반적으로 방열판 또는 방열판에 근접하거나 통합되어 있습니다. 팬은 강제 대류로 인해 열을 더 효과적으로 방출하는 데 도움이 됩니다.
일부 전자 제품에는 열 분산기 구성 요소를 위한 공간이 없습니다. 따라서 열을 발산하기 위해 구리나 알루미늄으로 만든 크고 평평한 인클로저가 사용됩니다. 인클로저는 일반적으로 진동이 심한 환경이나 환경으로부터 전자 장치를 보호해야 하는 응용 분야에서 작동하는 전자 장치에 사용됩니다.
열 분산기의 유형은 아래 목록에 설명되어 있습니다.
금속 열 분산기는 일반적으로 구리 또는 알루미늄으로 제작됩니다. 그들은 전자제품과 산업용 응용분야에 자주 사용됩니다. 다른 유형의 열 분산기에 비해 주요 장점은 제조가 쉽고 열을 효율적으로 분산시킬 수 있다는 것입니다. 금속 열 분산기의 몇 가지 단점은 더 무거울 수 있고(특히 구리) 열 전도성은 높지만 구리가 더 비싸다는 것입니다.
흑연 열 분산기는 일반적으로 소비자 가전, 자동차 전자 제품, 배터리에 사용됩니다. 흑연 열 분산기의 주요 장점은 금속 열 분산기에 비해 가볍다는 것입니다. 또한 효율성도 동일하며 때로는 열 확산(면 내)에서 금속을 능가할 수 있으며 좁은 공간에서도 사용할 수 있습니다. 가장 큰 단점은 부서지기 쉽다는 것입니다. 또한 알루미늄보다 비싼 경우가 많지만 일반적으로 구리-다이아몬드 복합재나 고급 소재보다 가격이 저렴합니다.
증기 챔버는 열 전도성 금속, 심지 및 작동 유체로 만들어진 히트 파이프와 같은 열 교환 장치입니다. 이는 평면형 히트 파이프로 생각할 수 있습니다. 증기 챔버에는 액체가 소스로부터 열을 흡수하는 증발기 섹션이 있습니다. 이로 인해 액체가 가스로 변환되어 응축기 영역으로 이동합니다. 그런 다음 냉각되어 액체로 재형성되며 모세관 현상에 의해 장치의 고열 끝부분으로 다시 순환됩니다. 증기 챔버는 모바일 장치나 노트북과 같이 좁고 제한된 공간에서 자주 사용됩니다. 증기 챔버의 가장 큰 장점은 좁은 공간에서도 사용할 수 있고 많은 양의 열을 효율적으로 발산한다는 것입니다. 한 가지 단점은 단단한 금속 옵션에 비해 비용이 더 비싸고 Z 방향 열 전달이 제한된다는 것입니다.
히트 파이프는 관형 또는 편평한 열 전도성 금속, 심지 및 작동 유체로 만들어진 열 확산 장치입니다. 유체의 이동 및 상 변화는 열원에서 2차 열 교환기 또는 주변 공기로의 열 전달을 촉진합니다. 그들은 일반적으로 전자 및 산업 응용 분야에 사용됩니다. 주요 장점은 저전력 애플리케이션에 가장 적합하고 많은 구성 요소가 있는 시스템을 설계할 때 뛰어난 유연성을 제공한다는 것입니다. 단점은 극도로 높은 열 유속 응용 분야에서 제한된 성능과 심지 설계에 따른 잠재적인 방향 문제를 포함합니다(현대식 소결 심지는 이를 완화하지만). 비용은 복잡성에 따라 다릅니다.
복합 열 분산기는 기본 소스에서 열을 제거하기 위해 함께 작동하는 여러 재료로 구성됩니다. 이들은 일반적으로 열 전도성 금속과 붕소 비화물 또는 흑연과 같은 열 전도성이 높은 재료입니다. 이러한 열 분산기는 일반적으로 무게가 중요하고 전력 수요가 높은 전자 제품에 사용됩니다. 복합 열 분산기는 장치에 너무 많은 무게를 추가하지 않고도 열을 효과적이고 효율적으로 제거할 수 있습니다. 그러나 복잡한 재료 통합과 틈새 제조 공정으로 인해 가격이 더 비쌉니다.
열 분산기의 일부 응용 분야는 다음과 같습니다.
열 분산기는 작동 중 과열을 방지하기 위해 컴퓨터 프로세서에 자주 사용됩니다. 열 분산기는 일반적으로 프로세서 표면에 직접 장착되어 소스에서 열을 빠르게 흡수하고 분산시킵니다. 프로세서가 과열되면 구성 요소가 영구적으로 손상되고 수명이 단축되며 성능이 저하될 수 있습니다.
열 분산기는 과열을 방지하고 열 성능과 안정성을 향상시키기 위해 메모리 모듈(Random Access Memory 또는 RAM 스틱)에 사용됩니다. 구리 또는 알루미늄으로 만들어진 방열판은 메모리 모듈이 배치되는 제한된 공간으로 인해 일반적으로 전체 RAM 스틱을 둘러쌉니다.
대형 LED 투광 조명과 머리 위 조명은 에너지 효율적이지만 여전히 많은 열을 발생시킵니다. 과열되면 수명과 효능이 감소할 수 있습니다. LED 조명은 일반적으로 인쇄 회로 기판(PCB)에 고정됩니다. 이러한 PCB는 종종 알루미늄 코어를 통합하거나 열 비아 및 베이스플레이트를 사용하여 스프레더 역할을 합니다. 열 분산기는 주변 공기로 열을 전달하여 LED 구성 요소의 과열을 방지합니다.
전력 전자 공학은 전자 장치를 사용하여 전력을 제어하고 변환하는 것입니다. 고전력 전기 회로, 스위치 및 구성 요소는 더 높은 전류를 전달하고 그 과정에서 더 많은 열을 발생시키도록 설계되었습니다. 열 분산기는 과열을 방지하기 위해 전력 전자 장치에 사용되며, 이를 통해 더 높은 전력 밀도, 성능, 신뢰성 및 서비스 수명을 갖춘 전자 장치를 설계할 수 있습니다.
자동차에 더 많은 전자 장치가 탑재됨에 따라 전력 수요가 증가하고 이에 따라 열 발생도 증가합니다. HVAC, 인포테인먼트 시스템 및 대시보드 장비는 모두 자동차에 일반적으로 포함되는 전자 장치입니다. 열 분산기는 발열 구성 요소에서 열을 제거하여 과열을 방지하고 성능을 저하시킵니다.
오늘날 모바일 장치의 성능으로 인해 과열을 방지하고 최적의 성능과 수명을 보장하려면 열 분산기가 필수적입니다. 열 분산기는 모바일 장치 내의 제한된 공간으로 인해 장치의 기능을 구동하는 PCB 또는 섀시의 구조에 통합된 흑연 또는 증기 챔버 층의 역할을 합니다. 열은 열 분산기를 통해 장치의 외부 쉘로 전달된 다음 자연 대류를 통해 주변 공기로 방출됩니다.
열 분산기 성능에 영향을 미치는 요소는 아래에 설명되어 있습니다.
열전도율이란 물질이 열을 전도하는 능력을 말합니다. 열 분산기는 구리나 알루미늄과 같은 전도성이 높은 재료로 만들어집니다. 열원에서 열을 빠르게 흡수하고 분산시킬 수 있습니다. 이는 보다 효율적인 냉각으로 이어집니다. 열전도율이 높을수록 일반적으로 열 확산 장치가 더 효과적이라는 의미입니다.
열 저항은 재료 또는 온도 구배를 통한 열 전달에 대한 저항이며 열전도율의 역수로 간주됩니다. 스프레더 재료 내의 열 저항이 더 높은 것은 바람직하지 않지만 시스템 수준 열 저항(TIM 및 인터페이스 포함)은 주로 실제 성능에 영향을 미칩니다.
열 전달은 고온 영역에서 저온 영역으로의 에너지 이동에 따라 달라집니다. 열 분산기는 주 열원에서 열을 흡수하므로 해당 열을 보조 열 교환기나 대기로 전달해야 합니다. 열 분산기의 표면적이 클수록 열을 환경으로 전달할 기회가 많아지고 점원에서 더 많은 열을 계속 흡수할 수 있습니다.
방열판 설계는 핀 수, 핀 형상 및 핀 배치와 관련됩니다. 핀이 많을수록 열 방출이 향상될 수 있지만 공기 흐름과 간격이 최적화된 경우에만 가능합니다. 핀이 너무 많으면 실제로 공기 흐름을 제한하여 열을 가둘 수 있습니다.
열 분산기는 TIM을 통해 구성 요소에 부착됩니다. TIM의 열 저항은 인터페이스 표면의 불규칙성으로 인해 열 분산기 효율을 감소시킬 수 있습니다. 빈 공간과 갇힌 공기는 열 저항을 증가시키고 열 분산기 효율성에 부정적인 영향을 미칩니다.
팬의 공기 흐름은 열 분산기의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 팬이 강제 대류를 통해 전자 인클로저에서 따뜻한 공기를 제거하는 데 도움이 될 수 있기 때문입니다. 이는 온도 구배를 향상시키고 대류 열 전달 효율을 높입니다.
유체 유량과 유체 온도는 열 분산기의 열 저항과 열 방출 효과에 영향을 미칩니다. 주변 공기 흐름 특성(속도, 난류, 방향) 및 주변 온도는 열 발산에 영향을 미칩니다. 환기가 잘 되지 않거나 외부 온도가 높은 환경에서는 열 분산기의 효율성이 크게 떨어집니다.
열 분산기의 장점은 다음과 같습니다:
열 분산기의 일부 제한 사항은 다음과 같습니다.
RAM의 열 분산기는 표준 소비자급 시스템에 꼭 필요한 것은 아니지만 고성능 또는 오버클럭 설정에 도움이 될 수 있습니다. 최신 RAM은 부하가 높거나 오버클럭된 경우 상당한 열을 발생시킬 수 있으며, 적절한 냉각이 이루어지지 않으면 열 조절이나 불안정성이 발생할 수 있습니다.
열 분산기는 일반적으로 국부적인 핫스팟을 줄이고 전반적인 열 방출 효율을 향상시키기 위해 집중된 소스에서 열을 측면으로 분산시키는 장치입니다.
방열판은 일반적으로 대류(강제 공기 흐름 유무에 관계 없음)를 통해 주변 환경으로 열을 방출하기 위해 표면적을 늘리는 수동 열 교환기입니다.
방열판과 열 분산기는 동일한 열 목표를 향해 노력하지만 서로 다른 기능을 수행합니다. 즉, 열 분산기는 열을 분산시키고 방열판은 열을 방출합니다. 방열판은 방열판의 하위 집합이 아닙니다. 서로 보완적이지만 별개입니다.
이 기사에서는 열 분산기를 소개하고, 그것이 무엇인지 설명하고, 해당 구성 요소와 응용 분야에 대해 논의했습니다. 열 분산기에 대해 자세히 알아보려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.
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딘 맥클레먼츠
Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.
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