При разборке некоторых электронных устройств, таких как компьютерные хосты или бытовая техника, внутри всегда присутствует металлический блок. Этот блок служит радиатором и одним из важнейших компонентов, обеспечивающих общее теплоотведение электронного устройства. Без него накопленное тепло не могло бы отводиться и обмениваться с внешней средой.
Что такое радиатор?
Радиатор — это устройство, предназначенное для отвода тепла, выделяемого оборудованием, для поддержания его нормальной работы. В основном применяется к основным компонентам, таким как центральные процессоры и графические процессоры (видеокарты). В зависимости от метода охлаждения радиаторы подразделяются на несколько типов: воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение и охлаждение на основе тепловых трубок. Основными материалами являются медные и алюминиевые сплавы, хотя также используются неметаллические материалы, такие как графен, теплопроводящие пластики и керамика (например, карбид кремния, нитрид бора).
Рассеивание тепла достигается за счет синергетического действия теплопроводности, конвекции и излучения. Производственные процессы включают такие технологии, как экструзия алюминия и соединение меди и алюминия. Конструкция и форма ребер напрямую влияют на эффективность теплоотвода.
Типы радиаторов
Радиаторы различаются по материалу и геометрии конструкции. Ниже мы рассмотрим несколько распространённых типов радиаторов.
Радиатор со сложенными ребрами
Складчатые рёбра изготавливаются методом прогрессивной штамповки. Затем рёбра приклеиваются к основанию, образуя радиатор, с помощью теплопроводящей эпоксидной смолы, пайки, сварки или аналогичных металлургических соединений. Преимущество радиаторов с фальцевыми рёбрами заключается в возможности комбинирования алюминия и меди, что позволяет адаптировать характеристики радиатора к конкретному применению. Если необходимо распределить тепло по большому основанию радиатора, можно использовать медь благодаря её высокой теплопроводности, а рёбра радиатора можно изготовить из алюминия благодаря его малому весу и стоимости.
Радиатор со скошенными ребрами
Радиаторы со скошенными ребрами изготавливаются из цельного куска материала (меди или алюминия) и изготавливаются на специализированном станке для скошенных рёбер с высокоточной резкой, что позволяет создавать плотные, высокие и сверхдлинные структуры с рёбрами. Радиаторы со скошенными ребрами позволяют преодолеть ограничения, накладываемые толщиной и соотношением сторон традиционных радиаторов, что позволяет создавать радиаторы с плотными рёбрами. Ребра и основание являются «монолитными» (цельными). Поскольку основание и ребра объединены в единое целое, дополнительное тепловое сопротивление отсутствует. В сочетании с высокой чистотой скошенного материала, эффективность радиаторов со скошенными ребрами значительно выше, чем у паяных радиаторов, а эффективность теплопроводности достигает уровня, сопоставимого с эффективностью экструдированных профилей.
Процесс скалывания применяется также в недавно получивших большую популярность микроканальных жидкостных охлаждающих пластинах, служащих для увеличения удельной поверхности теплообмена и усиления эффекта конвективного теплообмена.
Технологический процесс изготовления радиаторов со скошенными ребрами выглядит следующим образом:
- Подготовка сырья: профили обычно выбираются на основе требований к теплоотводу, чтобы максимально сэкономить сырье.
- Инструментальная обработка/Формовка: Формы создаются в соответствии с размерами изделия, что позволяет изготавливать одно или несколько изделий на одной форме; операции могут быть непрерывными или поэлементными.
- Обработка на станках с ЧПУ: сюда входит фрезерование ненужных участков, фрезерование канавок под уплотнительные кольца и т. д.
- Процесс стачивания: Процесс стачивания выполняется с помощью станка с ЧПУ.
- Зубофрезерование (правка): выполняется с помощью операций на зубофрезерном станке.
- Вторичная обработка: в соответствии с чертежами изделия она включает в себя фрезерование кромочных ребер, сверление отверстий в центре, создание зазоров (прорезей), летучих резцов, обработку резьбовых отверстий и создание элементов креплений (гнезд пряжки) и т. д.
- Обработка поверхности: анодирование, гальванопокрытие и т. д.
Алюминиевый экструдированный радиатор
Радиаторы из алюминиевого профиля отличаются эстетичным внешним видом, малым весом, превосходными тепловыми характеристиками и хорошим энергосберегающим эффектом. Поверхность готовых алюминиевых профильных радиаторов обрабатывается анодным оксидированием для повышения коррозионной стойкости, износостойкости и эстетической привлекательности алюминия . Экструдированные алюминиевые радиаторы обычно используются для мощных тепловых компонентов и систем. Технология позволяет создавать сложные ребристые конструкции с помощью пресс-форм. Эти сложные ребра значительно увеличивают площадь поверхности рассеивания тепла, одновременно снижая затраты и время, связанные с механической обработкой алюминиевых блоков.
Связанный ребристый радиатор
Теплоотводы с приклеенными ребрами обычно изготавливаются с использованием процесса сборки, включающего прикрепление слоя тонких металлических ребер к основанию или подложке.
Общая схема технологического процесса изготовления радиаторов с клееными ребрами выглядит следующим образом:
- Подготовка: основание и ребра, обычно изготовленные из алюминия или меди, тщательно очищаются, чтобы обеспечить успешный процесс склеивания.
- Приклеивание: рёбра затем приклеиваются к основанию с помощью клея, например, эпоксидной смолы или термотрансферного компаунда. Клей обычно равномерно наносится на основание, а рёбра устанавливаются сверху, прижимая их для обеспечения надёжного соединения.
- Отверждение: Затем клеевой материал отверждается, как правило, путем нагревания или воздействия ультрафиолетового (УФ) света, образуя прочное соединение между ребрами и основанием.
- Сборка: Если для радиатора требуются дополнительные компоненты, такие как монтажное оборудование или интерфейсные материалы, на этом этапе производятся корректировки компонентов.
Теплоотвод с застежкой-молнией
Этот тип радиатора сочетает в себе алюминиевые ребра и тепловые трубки. В алюминиевых ребрах проделываются отверстия в соответствии с конструкцией, в них вставляются тепловые трубки заданных размеров, после чего производится их склеивание и сварка. Преимущество заключается в использовании эффекта фазового перехода тепловой трубки для повышения общей эффективности теплопередачи радиатора. Кроме того, внешние алюминиевые ребра значительно увеличивают площадь поверхности теплообмена на единицу объема, быстро рассеивая тепло в окружающую среду посредством конвективного теплообмена.
Конечно, существует множество других типов радиаторов, не рассмотренных здесь. Однако упомянутые выше типы чаще всего используются в современных электронных устройствах.
Применение радиаторов
Теплоотводы применяются повсеместно: от крупных отраслей, таких как аэрокосмическая промышленность, электроэнергетика, металлургия, фотоэлектричество, железнодорожный транспорт, автомобилестроение и базовые станции связи, до небольших устройств, таких как микросхемы, серверы, потребительская электроника и бытовая техника. Везде, где есть электричество, обязательно требуется усиленный теплоотвод.
Радиатор является чрезвычайно важным компонентом системы охлаждения, особенно в наиболее критически важных на сегодняшний день серверах для вычислений с искусственным интеллектом. В контексте общего охлаждения системы, структурная целостность и тепловые характеристики радиатора являются важнейшими факторами, определяющими долгосрочную и стабильную работу серверного модуля.
Жидкостные охлаждающие пластины считаются итеративной и усовершенствованной формой радиаторов, использующей эффект конвективного теплопереноса жидкости для более быстрого отвода тепла от источника. Структура ребер радиатора используется в популярных микроканальных жидкостных охлаждающих пластинах, где структура ребер значительно более точна. Зазор между ребрами обычно составляет менее 1 мм, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности обработки.
Материалы радиатора
Основными материалами являются медь и алюминиевые сплавы, причем медь доминирует в секторе высокопроизводительных систем терморегулирования. Радиаторы из алюминиевых сплавов в основном используются в крупномасштабных экологических приложениях, где требования к теплопередаче относительно невысокие, но к структурной целостности и легкости выше, например, в электроэнергетических системах, фотоэлектрических системах, автомобильной промышленности и базовых станциях связи. В последнее время появились новые металлокомпозитные материалы, включая алюминий на основе графена, алмазно-алюминиевые композиты и алмазно-медные композиты.
Производство радиаторов
В настоящее время основными методами производства являются обработка на станках с ЧПУ и фрезеровка. Эти методы обеспечивают значительные преимущества с точки зрения эффективности производства и стоимости для радиаторов средних и больших размеров. Однако они испытывают трудности с обработкой высокоточных микрорадиаторов и сложных конструкционных радиаторов из-за чрезмерно высоких требований к пресс-формам и очень высоких затрат на оснастку.
Для сверхтонких радиаторов с ребрами, таких как микроканальные охлаждающие пластины, где зазоры между каналами составляют менее 1 мм или даже достигают 0.1 мм, необходимо использовать технологию 3D-печати металлом. Технология 3D-печати металлом обеспечивает прорыв в области тепловых характеристик благодаря возможности создания сложных структур, специально оптимизированных для отвода тепла. Например, в тепловых решениях для высокопроизводительных ускорителей вычислений с использованием искусственного интеллекта она позволяет создавать конформные, нестандартные структуры, плотно прилегающие к поверхности кристалла. Увеличивая площадь теплообмена, оптимизируя конструкцию каналов потока и улучшая перемешивание жидкости, эта технология обеспечивает высокоэффективный отвод тепла, снижает энергопотребление насоса и эффективно предотвращает локальный перегрев.
Кроме того, для радиаторов со сложной структурой традиционные методы механической обработки приводят к громоздкой оснастке и подготовке, что снижает эффективность производства и увеличивает затраты. Технология 3D-печати металлом идеально решает эту проблему и в последнее время достигла значительных успехов в разработке решений для печати медных радиаторов.
