Giải thích về các loại tản nhiệt: Làm mát thụ động và chủ động, Hướng dẫn lựa chọn vật liệu và vật liệu

Bộ tản nhiệt kéo nhiệt ra khỏi các thiết bị điện tử để chúng chạy mát hơn, bền hơn và tránh tắt máy do nhiệt. Mặc dù có rất nhiều hình dạng trên thị trường nhưng hầu hết mọi thiết kế đều được chia thành hai nhóm-thụ động và chủ động-và được xác định cụ thể hơn bởi vật liệu, hình dạng vây và quy trình sản xuất.

Hướng dẫn này sẽ tìm hiểu cách hoạt động của từng loại, so sánh nhôm và đồng, giải thích khi nào ống dẫn nhiệt và buồng hơi có được vị trí của chúng, đồng thời cung cấp cho bạn cách thực tế để xác định kích thước và chọn tản nhiệt bằng cách sử dụng một phép tính điện trở-nhiệt duy nhất. Nếu bạn chỉ nhớ một điều: hãy ghép tản nhiệt với tải điện, luồng không khí, giới hạn tiếng ồn và vỏ bọc thực tế của bạn-chứ không phải với bảng thông số kỹ thuật được đo ngoài trời.

Hai loại chính: Làm mát thụ động và chủ động

Bộ tản nhiệt thụ động truyền nhiệt chỉ bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu tự nhiên và bức xạ-không có quạt, không có máy bơm, không có bộ phận chuyển động. Bộ tản nhiệt chủ động bổ sung thêm một cơ chế cấp nguồn, thường là quạt và thường kết hợp nó với ống dẫn nhiệt hoặc buồng hơi để truyền nhiệt nhanh hơn nhiều. Dòng sản phẩm phù hợp phụ thuộc vào lượng nhiệt tỏa ra, không gian, khả năng chịu tiếng ồn và chi phí.

Theo hướng dẫn sơ bộ, tải dưới khoảng 15–20 W là phù hợp để làm mát thụ động, 20–50 W nằm trong vùng màu xám phụ thuộc vào luồng không khí và vỏ bọc, còn trên 50–100 W, bạn thường cần quạt, ống dẫn nhiệt hoặc thiết kế kết hợp.

Tản nhiệt thụ động hoạt động như thế nào

Nhiệt để lại một bộ phận thông qua vật liệu giao diện nhiệt vào đế tản nhiệt, lan truyền qua kim loại và cuối cùng truyền vào không khí xung quanh. Bởi vì các thiết kế thụ động phụ thuộc vào không khí ấm bốc lên và không khí mát hơn thay thế nó, nên hiệu suất của chúng rất nhạy cảm với định hướng và mức độ mở của vỏ bọc. Một tản nhiệt được gắn theo chiều dọc có thể đối lưu tốt hơn đáng kể so với cùng một bộ phận được gắn phẳng và sự khác biệt giữa một băng ghế mở và một tủ kín có thể dễ dàng tăng gấp đôi khả năng chịu nhiệt hiệu quả.

Thiết kế thụ động phổ biến

• Tản nhiệt dạng cánh tản nhiệt sử dụng các cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng mỏng để tăng thêm diện tích bề mặt. Chúng là mặc định cho mô-đun LED, thiết bị mạng và vỏ công nghiệp.
• Bộ tản nhiệt dạng vây{0}}có chân cắm sử dụng dãy chân cắm thẳng đứng và có khả năng xử lý tốt khi không thể đoán trước được hướng luồng khí vì không khí có thể đi qua từ nhiều góc độ.
• Bộ tản nhiệt khối xếp chồng hoặc khối đặc thay đổi kích thước để lấy độ chắc chắn và được chọn khi độ tin cậy quan trọng hơn độ nhỏ gọn.

Khoảng cách giữa các vây là chi tiết mà mọi người thường mắc sai lầm nhất. Đóng các vây quá chặt và không khí ấm đọng lại giữa chúng, làm nghẹt đối lưu tự nhiên; mở chúng ra và bạn có được luồng không khí nhưng lại mất tổng diện tích bề mặt. Các thiết kế thụ động sống và chết dựa trên sự cân bằng này.

Nhôm và đồng

Nhôm chiếm ưu thế trong các sản phẩm thương mại vì nó mang lại sự cân bằng tốt nhất về hiệu suất, trọng lượng và chi phí.-Nhôm ép đùn đặc biệt tiết kiệm cho đèn LED, viễn thông và thiết bị công nghiệp. Đồng được dành riêng cho các nguồn nhiệt có mật độ-tập trung cao, nơi lợi thế lan tỏa của nó phù hợp với trọng lượng và giá cả. Nhiều bộ phận hiệu suất cao-phân chia sự khác biệt bằng đế bằng đồng và các cánh tản nhiệt bằng nhôm.

Tản nhiệt hoạt động: Quạt, ống dẫn nhiệt và buồng hơi

Tản nhiệt hoạt động đơn giản nhất là một khối có vây có quạt. Luồng khí cưỡng bức thay thế sự đối lưu tự nhiên chậm và có thể cắt giảm đáng kể khả năng cản nhiệt. Lựa chọn quạt không chỉ dừng lại ở lưu lượng luồng khí:

Quạt hướng trục di chuyển không khí dọc theo trục trục và phù hợp với-bố cục mở, máy tính để bàn, bộ nguồn, tủ công nghiệp. Kích thước phổ biến là 80 mm và 120 mm.

Quạt ly tâm (quạt gió) tạo ra áp suất tĩnh cao hơn nên đẩy không khí qua các cánh tản nhiệt dày đặc hoặc các kênh bị hạn chế tốt hơn-máy chủ và các thùng kín.

Tản nhiệt hoạt động đơn giản nhất là một khối có vây có quạt. Luồng khí cưỡng bức thay thế sự đối lưu tự nhiên chậm và có thể cắt giảm đáng kể khả năng cản nhiệt.

Lựa chọn quạt không chỉ dừng lại ở lưu lượng luồng khí:

• Quạt hướng trục di chuyển không khí dọc theo trục trục và phù hợp với-bố cục mở, máy tính để bàn, bộ nguồn, tủ công nghiệp. Kích thước phổ biến là 80 mm và 120 mm.
• Quạt ly tâm (quạt gió) tạo ra áp suất tĩnh cao hơn nên đẩy không khí qua các cánh tản nhiệt dày đặc hoặc các kênh bị hạn chế tốt hơn-máy chủ và các thùng kín.

Hai con số quan trọng khi chỉ định một chiếc quạt: CFM (lượng không khí di chuyển) và áp suất tĩnh (nó ép không khí đó qua lực cản tốt như thế nào). Các lớp vây dày đặc cần áp suất tĩnh cao; vây mở cần ít hơn. RPM cao hơn sẽ làm mát tốt hơn nhưng ồn ào hơn, đó là lý do tại sao hầu hết các hệ thống sử dụng điều khiển xung điện để thay đổi nhiệt độ chống lại tiếng ồn. Trong phòng khách hoặc văn phòng, mục tiêu hiếm khi là luồng không khí tối đa-mà là tỷ lệ làm mát-trên-tiếng ồn tốt nhất.

Khi ống dẫn nhiệt và buồng hơi giúp ích

Ống dẫn nhiệt di chuyển nhiệt bằng cách thay đổi pha: chất lỏng hoạt động bay hơi gần đầu nóng, di chuyển đến đầu làm mát, ngưng tụ và tản nhiệt trở lại. Điều đó mang lại cho nó khả năng dẫn điện hiệu quả vài nghìn W/m·K-vượt xa đồng nguyên khối-nên nó có thể truyền nhiệt từ một điểm phát sóng chật hẹp đến một ngăn xếp vây lớn hơn,{3}}thông gió tốt hơn. Buồng hơi cũng hoạt động tương tự nhưng tỏa nhiệt theo hai chiều, lý tưởng cho các khuôn lớn như GPU và CPU có công suất cao.

Ống dẫn nhiệt không thay thế vây; họ cho chúng ăn. Nguyên tắc chung:

• Nhiệt tập trung trong một khu vực nhỏ, hoặc nhiệt phải di chuyển ra xa nguồn → ống dẫn nhiệt thường thắng.
• Diện tích bề mặt lớn và mật độ nhiệt thấp → tản nhiệt dạng vây lớn thường tiết kiệm hơn.
• Thiết bị điện tử nhỏ gọn,{0}}công suất cao → ống dẫn nhiệt hoặc buồng hơi thường được yêu cầu.

Điểm yếu của chúng thường không phải ở bản thân đường ống mà ở các mối hàn hoặc mối hàn đồng, vì vậy các nhà cung cấp chất lượng dựa vào việc kiểm tra rò rỉ và kiểm tra mối nối. Ống dẫn nhiệt công nghiệp-được chế tạo tốt thường có tuổi thọ hàng chục nghìn giờ.

Hình học Sản xuất và Vây

Cách chế tạo bộ tản nhiệt đặt ra chi phí, độ dày vây tối thiểu và mật độ bề mặt có thể đạt được.

Về mặt hình học, các cánh tản nhiệt (tấm) thẳng giúp giảm áp suất thấp và tỏa sáng khi có thể dự đoán được hướng luồng khí, khiến chúng trở thành lựa chọn tự nhiên cho các hệ thống-không khí cưỡng bức. Vây chốt chịu được luồng không khí hỗn loạn, nhiều{2}}hướng nhưng tạo ra nhiều lực cản hơn nên chúng có thể hoạt động kém hơn trong luồng không khí yếu. Ngoài kiểu vây, kết quả điều khiển bốn tham số: khoảng cách vây, độ dày, chiều cao và hình dạng cạnh-khoảng cách hẹp sẽ tăng thêm diện tích nhưng hạn chế không khí, các vây cao hơn sẽ tăng thêm diện tích nhưng tăng lực cản và các cạnh tròn giúp giảm tổn thất do nhiễu loạn.

Định cỡ tản nhiệt: Phép tính bạn cần

Mọi lựa chọn đều bắt đầu từ điện trở nhiệt, được đo bằng độ trên mỗi watt. Thấp hơn là tốt hơn.

R_th= ΔT ` Công suất

trong đó ΔT là mức tăng nhiệt độ tối đa được phép so với môi trường xung quanh và Công suất là nhiệt mà thành phần tiêu tán.

Ví dụ 1 - mô-đun nhúng 10 W

Cho phép tăng 40 độ: R_th = 40 ÷ 10 = 4 độ /W. Một bộ tản nhiệt thụ động bằng nhôm được thiết kế tốt-có thể giải quyết vấn đề này trong một không gian mở với luồng không khí vừa phải.

Ví dụ 2 - CPU máy tính để bàn 95 W

Cho phép tăng 50 độ: R_th = 50 ÷ 95 ≈ 0,53 độ /W. Bộ phận thụ động sẽ cần diện tích bề mặt lớn và luồng không khí dồi dào để đạt được điều đó, vì vậy bộ làm mát chủ động có quạt hoặc ống dẫn nhiệt là giải pháp thiết thực.

Để tham khảo, các bộ tản nhiệt thụ động thường có nhiệt độ khoảng 1–5 độ/W tùy thuộc vào kích thước, trong khi các thiết kế chủ động thường đạt 0,1–1 độ/W vì luồng khí cưỡng bức sẽ nhân lên sự đối lưu. Luôn hoàn tất việc kiểm tra vớinhiệt độ thành phần tối đa=môi trường xung quanh + Công suất × R_th, bởi vì tủ nóng 40 độ để lại ít lợi nhuận hơn nhiều so với phòng thí nghiệm 25 độ.

Hướng dẫn lựa chọn nhanh

Cài đặt, giao diện nhiệt và lắp đặt

Ngay cả một bộ tản nhiệt tuyệt vời cũng thất bại nếu khớp nối nhiệt kém. Đường dẫn chạy chip → vật liệu giao diện nhiệt → đế → vây → không khí và mọi liên kết đều tăng thêm điện trở.

• Dán nhiệtlấp đầy những khoảng trống vi mô; bôi một lớp mỏng, đều lên bề mặt sạch-quá nhiều cũng tệ như quá ít.
• Miếng đệm nhiệtxử lý các bề mặt không bằng phẳng và cung cấp cách điện, với chi phí điện trở cao hơn khi dày.
• Vật liệu thay đổi giai đoạnmềm khi sử dụng và thường giữ tốt hơn dầu mỡ trong nhiều chu trình nhiệt.

Các phương pháp lắp phổ biến-kẹp lò xo, vít điều khiển-mô-men xoắn, giá đỡ hoặc keo nhiệt-đều nhằm mục đích tạo ra áp suất ổn định, chính xác. Vít tải lò xo-rất phổ biến vì chúng giữ lực kẹp qua các chu kỳ giãn nở. -thắt chặt quá mức và bạn có nguy cơ làm nứt gói hàng; dưới-thắt chặt và lực cản tiếp xúc tăng lên.

Độ tin cậy và bảo trì

Đây là lúc khả năng làm mát thụ động có lợi thế rõ ràng: không có bộ phận chuyển động, các chế độ lão hóa thực sự duy nhất của nó là suy giảm giao diện, ăn mòn, tích tụ bụi và mỏi khi lắp đặt. Một bộ tản nhiệt bằng nhôm âm thanh có thể phục vụ trong một thập kỷ hoặc hơn.

Việc làm mát tích cực sẽ bổ sung thêm các điểm hỏng hóc-mòn vòng bi quạt, lỗi động cơ, tắc nghẽn bụi và hỏng bộ điều khiển. Tuổi thọ quạt thông thường dao động từ khoảng 20.000–40.000 giờ đối với vòng bi ống lót cho đến 70.000–150.000 giờ đối với quạt{10}bóng kép công nghiệp (50.000 giờ tương đương khoảng 5,7 năm sử dụng liên tục). Trong môi trường nhiều bụi, hãy vệ sinh cánh tản nhiệt và cánh quạt định kỳ 6–12 tháng một lần, vì bụi tích tụ có thể làm tăng khả năng cản nhiệt lên 20–50 % và làm nghẹt luồng không khí. Đối với các hệ thống-quan trọng hoặc hoạt động 24/7 hoặc thực hiện nhiệm vụ, quạt dự phòng hoặc{23}}có thể thay thế nóng và thiết kế kết hợp-cánh tản nhiệt thụ động lớn có-quạt tốc độ thấp chỉ quay khi tải tối đa-thường mang lại sự kết hợp tốt nhất giữa sự yên tĩnh, đáng tin cậy và hiệu năng.

Khung lựa chọn đơn giản

1. Tính toán lượng nhiệt tỏa ra theo watt.
2. Đặt mức tăng nhiệt độ tối đa cho phép.
3. Tính nhiệt trở cần thiết.
4. Kiểm tra không gian có sẵn và các hạn chế lắp đặt.
5. Đánh giá luồng không khí bao vây và giới hạn tiếng ồn.
6. Chọn thụ động, chủ động hoặc kết hợp-sau đó xác thực bằng thử nghiệm nhiệt thực tế chứ không chỉ thông số kỹ thuật-ngoài trời.
7.  

Phần kết luận

Không có bộ tản nhiệt "tốt nhất" nào mà chỉ có bộ tản nhiệt phù hợp với mục tiêu về năng lượng, không gian, luồng không khí, tiếng ồn và độ tin cậy của bạn. Thiết kế thụ động giành được sự im lặng và tuổi thọ ở mức tải thấp đến trung bình; thiết kế chủ động và kết hợp giải phóng mật độ nhiệt cao của bộ xử lý hiện đại; và các ống dẫn nhiệt hoặc buồng hơi thu hẹp khoảng cách khi nhiệt tập trung hoặc phải di chuyển. Hãy bắt đầu từ phép tính-điện trở nhiệt, xem vỏ bọc thực tế của bạn khác biệt bao nhiêu so với băng ghế thử nghiệm và thường sẽ tự đưa ra lựa chọn.

Câu hỏi thường gặp

Hai loại tản nhiệt chính là gì?

Bị động và chủ động. Bộ tản nhiệt thụ động dựa vào sự đối lưu và bức xạ tự nhiên mà không có bộ phận chuyển động; tản nhiệt hoạt động thêm một quạt (và thường là ống dẫn nhiệt) để tạo luồng không khí và loại bỏ nhiệt nhanh hơn.

Cái nào tốt nhất cho PC hoặc thiết bị đa phương tiện im lặng tại nhà?

Đối với các hệ thống có công suất thấp, không ồn thì bộ tản nhiệt thụ động lớn là lý tưởng. Để có hiệu suất cao hơn, một thiết bị kết hợp có quạt-quay lớn, chậm thường mang lại khả năng làm mát-cân bằng-tiếng ồn tốt hơn so với làm mát thụ động thuần túy.

So sánh tản nhiệt nhôm và đồng?

Đồng dẫn nhiệt tốt gần gấp đôi nhôm nhưng nặng hơn và đắt hơn khoảng ba lần. Nhôm thắng về chi phí, trọng lượng và khả năng sản xuất nên nó chiếm ưu thế trong các sản phẩm thương mại.

Khi nào làm mát thụ động là đủ?

Nói chung là dưới khoảng 15–20 W, đặc biệt với khả năng định hướng tốt và luồng gió thoáng. Từ 20 đến 50 W tùy thuộc vào vỏ; thường cần làm mát chủ động hoặc kết hợp trên 50 W.

Điện trở nhiệt (R_th)?

Nó đo mức độ hiệu quả của tản nhiệt loại bỏ nhiệt, được biểu thị bằng mức tăng nhiệt độ trên mỗi watt (độ /W). Tính yêu cầu theo ΔT `Power; giá trị thấp hơn có nghĩa là làm mát tốt hơn.

Khi nào tôi nên thêm ống dẫn nhiệt hoặc buồng hơi?

Khi nguồn nhiệt tập trung hoặc không gian chật hẹp, hoặc khi nhiệt phải được chuyển đi trước khi nó có thể bị tiêu tan. Chúng làm tăng thêm chi phí nhưng có thể làm giảm đáng kể khả năng chịu nhiệt.