Termal Tasarım - Walmate Thermal

Termal tasarım nedir?

Termal tasarım, termal yönetim planlamasının ilk aşamasında uygulanan sistematik bir tasarım yaklaşımı olarak tanımlanabilir. Özünde, güvenilir teorik veriler üretme nihai hedefiyle kapsamlı bilgisayar destekli simülasyon analizleri yürütmek için gelişmiş yazılım araçlarından yararlanmak yatar. Uygulamada bu yöntem, ısı emicilerin malzeme ve yapısal parametreleri, sıvı soğutma plakalarının akış kanalı tasarımı, fanların dönüş hızı ve hava hacmi ile malzeme özellikleri, ısı kaynağı yoğunluğu ve çevre koşulları gibi termal performansı etkileyen temel değişkenleri belirleyerek başlar. Mühendisler daha sonra bu çeşitli parametreleri simülasyon yazılımı içinde ayarlayarak gerçek dünyadaki çalışma ortamlarını taklit eden birden fazla sanal senaryo oluşturur; örneğin, farklı Isı emici yerel sıcaklıklara göre boyutlar veya soğutma sıvısı akış hızlarının kombinasyonunu değiştirmek sıvı soğutma plakaları ve fan çalışma gücü, sistemin genel ısı dağıtım verimliliğindeki değişiklikleri gözlemlemek için kullanılır.

Termal tasarımın amacı.

Termal tasarımın amacı, çipin aşırı ısınmasına ilişkin potansiyel riskleri belirlemek ve en uygun çözümleri bulmaktır. Ürün prototiplemesini desteklemek için yazılım hesaplamaları kullanmayı, sonuçları son testlerle doğrulamayı ve bu bulgulara dayanarak daha fazla iyileştirme yapmayı içerir. Ancak birçok mühendis, özellikle de yeni başlayanlar, termal tasarım ve simülasyon yapmanın nedenleri konusunda net değildir. Genellikle hedefleri ve gereksinimleri anlamadan yalnızca görevleri tamamlamak için çalışmaya başlarlar. Bu yaklaşım, gerekli koşulların kaçırılması veya yanlış yöntemlerin kullanılması gibi sorunlara yol açarak önemli ölçüde zaman kaybına neden olur. Sonuç olarak, sonuçlarının geçerliliğini bile sorgulayabilirler. Dolayısıyla, elektronik ürünler için termal tasarımın nihai amacı, teorik hesaplamalar, simülasyon analizleri ve deneysel testler yoluyla en uygun proje çözümünü sürekli olarak geliştirmektir. Bu, elektronik ürünlerin uzun vadede istikrarlı çalışmasını sağlayarak, bileşenlerin aşırı ısınmasından kaynaklanan ekipman arızalarını önler.

Isıl tasarımın önemi ve değeri.

Başka bir deyişle, neden termal tasarım simülasyon analizi yapmamız gerekiyor? Bu, temel olarak üç açıdan kendini gösterir: maliyetleri düşürmek, araştırma ve geliştirme döngülerini kısaltmak ve ürün güvenilirliğini ve rekabet gücünü artırmak. Maliyetleri düşürmek, esas olarak ileri geri örnekleme maliyetlerini ve tekrarlanan testlerin zaman maliyetini azaltmakla kendini gösterir. Araştırma ve geliştirme döngüsünü kısaltın, ısı dağılımı çözümlerini (kanal düzeni ve malzeme seçimi gibi) sanal ortamlarda hızla doğrulayın ve örnekleme sürelerini azaltın. Bir işletme, tekrarlanan deneme üretimine gerek kalmadan simülasyon yoluyla termal kaçak koruma süresini 58 saniyeden 220 saniyeye çıkardı. Ürün güvenilirliğini ve rekabet gücünü artırın. Tasarım kusurları veya seçim sorunları varsa, bunun anormal ekipman çalışmasına yol açacağını biliyoruz. Tasarım kusurlarını önceden anlayabilir, ekipman içindeki elektronik bileşenlerin termal olarak zayıf noktalarını belirleyebilir ve tasarımlarını optimize edip iyileştirebilirsek, ürünün zorlu ortamlardaki güvenilirliğini ve rekabet gücünü büyük ölçüde artıracaktır.

Walmate, müşterilerinin ısı emici termal tasarımını yapmalarına yardımcı olabilir.

Müşterilerimize termal tasarım hizmetleri sunma kapasitesine sahibiz ısı alıcılarıGenellikle, bir müşteri bir çip seçtiğinde, mühendisleri bize çipin watt cinsinden termal gücü gibi özelliklerini sağlayabilir. Mühendislerimiz daha sonra uygun ısı emici çözümünü belirlemek için teorik hesaplamalar yapar. Isı emicinin boyutu büyük ölçüde bu hesaplamalar tarafından belirlenir. Yüksek güç tüketimine sahip çipler için genellikle zorlanmış konveksiyon çözümlerini değerlendiririz. Tersine, düşük güç tüketimli çipler için doğal konveksiyon tasarımları genellikle yeterlidir. Bu teorik hesaplamalar sayesinde, ısı emicinin gerekli uzunluğunu, genişliğini, yüksekliğini ve yüzey alanını yaklaşık olarak belirleyebiliriz. Ardından, tasarlanan ısı emiciyle eşleştirildiğinde çipin ulaşacağı maksimum sıcaklığı hesaplamak için farklı hava akış hızlarını ve basınçlarını simüle ederiz. Bu teorik tasarım yaklaşımı, müşterilerin fiziksel prototiplerle gereksiz deneme yanılmalardan kaçınarak önemli ölçüde geliştirme süresinden ve maliyetlerinden tasarruf etmelerine yardımcı olur.

Walmate, müşterilerinin sıvı soğutma plakası termal tasarımı yapmasına yardımcı olabilir.

Benzer şekilde, aşağıdakileri içeren bir termal çözüm de tasarlayabiliriz: sıvı soğutma plakaları Müşteriler için. Bir müşterinin çipi, geleneksel ısı emicilerle eşleştirilmiş soğutma kapasitesini aşan son derece yüksek güç seviyelerinde çalıştığında fan, suyun yüksek özgül ısı kapasitesinden yararlanarak sıvı soğutma plakalarına yöneliyoruz. Bu tasarım, su veya soğutma sıvısının sıvı soğutma plakasının iç kısmında dolaşmasını sağlayarak büyük miktarda ısıyı etkili bir şekilde aktarır ve dağıtır: Çip tarafından üretilen ısı, soğutma sıvısı tarafından emilir ve ardından biriken termal enerjiyi uzaklaştırmak için bir su pompasıyla pompalanır. Bu tür sıvı soğutma plakalarını tasarlarken, uygun bir çözüm geliştirmek için teorik güç gereksinimlerinden yola çıkıyoruz; bu çözüme, çipin hemen altındaki alanda mikrokanalların tasarımı da dahildir. Tekrarlanan parametre ayarlamaları ve simülasyonlar sayesinde, müşteri tarafından belirlenen hedef sıcaklığa ulaşabiliyoruz. Bu yaklaşım aynı zamanda önemli ölçüde maliyet ve geliştirme süresinden tasarruf sağlıyor. Bu nedenle, özellikle bu tür bileşenlerin yüksek üretim maliyetleri göz önüne alındığında, termal tasarım sıvı soğutma plakası geliştirmede çok önemlidir. Simülasyon ve analiz için yazılım kullanarak, araştırma ve geliştirme giderlerini önemli ölçüde azaltabilir, süreci hem verimli hem de uygun maliyetli hale getirebiliriz.

Termal tasarım SSS

Isı emici termal tasarımı nasıl yapılır?

Bir ısı emici için termal analiz tasarlanırken, genellikle bunun doğal taşınım mı yoksa zorlanmış taşınım mı olduğunun açıklığa kavuşturulması gerekir. Doğal taşınım durumunda, ısı emici, ışınımsal ısı alışverişi için kullanılan kanatçıklar arasındaki boşluğu tam olarak hesaba katmalıdır. Bu arada, yerçekimi ve radyasyonu da parametre olarak dikkate almalıyız. Bu nedenle, termal tasarımda bu iki parametre - yerçekimi ve termal radyasyon - büyük önem taşır. Tipik olarak, ısı emicinin yüzeyi siyah olmalı ve emisivitesi genellikle 0.8 olarak ayarlanmalıdır. Öte yandan, zorlanmış taşınımlı bir ısı emici için, fanın PQ eğrisi sistemin içe aktarılan modeli kullanılarak analiz edilmelidir. Bu senaryoda, radyasyon ve yerçekiminin ısı emici için dikkate alınmasına gerek yoktur. Özetle, bu iki faktör genellikle bir ısı emici tasarlanırken en önemli hususlardır.

Sıvı soğutma plakası termal tasarımı nasıl yapılır?

Sıvı soğutmalı bir plaka tasarlarken, genellikle malzemesini ve mikro kanallara ihtiyaç olup olmadığını göz önünde bulundurmamız gerekir; bu, sınırlı alandaki güç yoğunluğuna göre belirlenir. Basitçe söylemek gerekirse, 100x100'lük bir alanın 1 kilowatt'ın üzerinde bir termal gücü idare etmesi gerekiyorsa, ısı kaynağının alt kısmında mikro kanal tasarımı şarttır. Bu, soğutma sıvısının mikro kanallarla tam ısı alışverişi yapmasını ve büyük miktarda ısıyı etkili bir şekilde dağıtmasını sağlar. Bu nedenle, sıvı soğutmalı bir plaka tasarımında akış kanalı tasarımı önemli bir husustur. Ayrıca, özellikle iki önemli parametreye dikkat ederek akış kanalının toplam uzunluğunu da hesaba katmak gerekir: basınç farkı ve akış direnci. Bu parametreler, son kullanıcının soğutucusu için hayati önem taşır. Sonuç olarak, optimum bir tasarıma ulaşmak için bu üç unsuru (malzeme, mikro kanal gerekliliği ve akış kanalıyla ilgili parametreler) kapsamlı bir şekilde değerlendirmemiz gerekir.

Isı borusu ısı emici termal tasarımı nasıl yapılır?

Bir ısı borulu ısı emici tasarlarken, genellikle ısıtma gücünü belirlememiz ve uygun çaplarda ısı boruları seçmemiz gerekir. Örneğin, 6 mm, 8 mm veya 9.52 mm gibi çaplar yaygın olarak kullanılır. Güç düşükse ve alan nispeten büyükse (yani ısı borularını düzenlemek için yeterli alan varsa), genellikle dış çapı 6 mm olan ısı boruları seçebiliriz. Alan sınırlıysa, 9.5 mm gibi daha büyük çaplı ısı boruları seçmemiz gerekir. Bunun nedeni, farklı çaplardaki ısı borularının etkin uzunluk içinde farklı miktarlarda ısı taşıyabilmesidir. Bu nedenle, ısı borularının ısıl iletkenliğini ayarlarken, deneyime dayanarak, bunu 12,000 - 15,000 W/(m·K) olarak belirleriz. Bu, pratik uygulamalardaki parametre değerlerine oldukça yakındır ve çok az fark vardır. Tek fark, gerçek uygulamalarda yerçekiminin etkisinin olmasıdır. Bu nedenle, ısı borularının ısı simülasyonu ile gerçek durum arasında nispeten büyük bir fark vardır. Bu nedenle, tasarım sürecinde bu durumdan mümkün olduğunca kaçınılmalıdır. Yerçekiminin ısı boruları üzerindeki etkisi, daha sonraki pratik kullanımlarda erken aşamada dikkate alınmalıdır.

Kırpılmış kanatlı ısı emici termal tasarımı nasıl yapılır?

Yivli kanatlı bir ısı emici tasarlanırken malzeme önemli bir husustur. Örneğin, 1060 alüminyumun ısıl iletkenliği genellikle 240 W/(m·K) olarak ayarlanırken, 6063 alüminyumun ısıl iletkenliği genellikle 187 W/(m·K)'dir. Dolayısıyla, optimum parametreleri bulmak için kanatların kalınlığını, yüksekliğini ve aralığını optimize etmemiz gerekir. Isı emicinin 1 kilowatt gibi çok yüksek güçlerle başa çıkması gerekiyorsa, kanat kalınlığı teorik olarak 1.0 mm'den büyük olmalıdır. Kanat yüksekliği aşırı boyut nedeniyle 100 mm'yi aştığında, kanatların altından üstüne ısı transferini sağlamak için yeterli kalınlığa ihtiyaç vardır. Bu gibi durumlarda, kanat kalınlığını genellikle 1.5 mm olarak ayarlıyor ve ardından aralığı buna göre ayarlıyoruz. Teorik olarak, tasarımda optimum kanat aralığı 1.0 mm ile 2.5 mm arasında olabilir, ancak pratikte, ısının kanatçıkların tepesine iletilmesini sağlamak için 1.5 mm kalınlık gereklidir. Elbette, doğru bir ısı emici tasarımı, pratik uygulamalara dayalı kapsamlı veri analizi gerektirir.

Tipik termal tasarım seviyeleri nelerdir?

Termal tasarım simülasyonları genellikle dört seviyeye ayrılır. İlki, büyük kabinler veya ekipmanlar gibi tüm sistemin termal analizine odaklanan sistem seviyesi simülasyonudur ve genel sıcaklık alanı ile akışkan akış alanının simülasyonunu ve analizini içerir. Bu tür bir analiz genellikle karmaşıktır. Örneğin, önemli miktarda ısı üreten büyük bir invertör kabiniyle çalışırken, simülasyonun her bir ısı kaynağının tüm sistem üzerindeki etkisini dikkate alması gerekir. Bir sonraki aşama, kart seviyesi veya modül seviyesi simülasyondur. Bu genellikle tek bir soğutucudaki ısı dağılımının analizini, bir modül içindeki sıcaklık analizini ve bileşenlerin sıcaklık simülasyonunu ifade eder. Buradaki anahtar nokta, yüksek güçlü büyük modüllerin termal analizine odaklanmaktır. Ardından PCB seviyesi simülasyon gelir. Bu simülasyon genellikle PCB üzerindeki bakır izlerinin yerleşimini ve kart üzerindeki yongaların sıcaklığını simüle etmeyi içerir. Başka bir deyişle, bir PCB tasarlanırken, kartın altındaki iz yönlendirmesinin rasyonalitesi ve her bir bileşenin yerleşimi analiz edilir. PCB üzerinde bir bakır film olduğundan, tasarım çok yoğunsa, oluşan ısı diğer bileşenleri etkileyecektir. Bu nedenle, makul bir PCB simülasyon analizi, PCB yerleşimini düzgün bir şekilde düzenlemelerine yardımcı olabileceği için elektronik mühendisleri için çok faydalıdır. Sonuncusu IC seviyesi simülasyondur. Bu seviye, bir çipin içindeki sıcaklık alanının, yani bir çip içindeki ısı üreten bileşenlerin dağılımının analizine odaklanır ve bu da paketleme mühendisleri için çok önemlidir. Bu aşamada üst üste bindirilmiş binlerce çipin ürettiği ısıyı analiz edebilirler. Ancak, IC seviyesi veya çip seviyesi simülasyonu, ön tasarım mühendisleri için çok zordur. Bunun nedeni, paketleme fabrikalarının genellikle çipin içindeki gerçek güç gibi parametreleri sağlamamasıdır. Yalnızca Intel, IBM, IMD veya NVIDIA gibi endüstri devleri bu tür analizleri gerçekleştirir. Genel olarak, gerçekleştirdiğimiz simülasyonların çoğu IC seviyesinde, PCB seviyesinde, modül seviyesinde ve sistem seviyesindedir. Her mühendisin farklı odak alanları vardır, bu nedenle iş öncelikleri de değişir.

Bir ısı emicinin termal tasarımı nasıl optimize edilir?

Bir ısı emicinin tasarım optimizasyonu genellikle, ısı emici tabanının kalınlığını belirlemek için çipin gücüyle başlar; bu da kritik önem taşır. Güç yüksek olduğunda (1 kilovatın üzerinde), taban kalınlığı 12-15 mm'den fazla olmalıdır. Ardından, kanatçıkların kalınlığını, yüksekliğini ve sayısını optimize etmek de aynı derecede önemlidir. Örneğin, kanatçık uzunluğu 300 mm'yi aşarsa, kanatçıkları ortadan ikiye bölmek teorik olarak tavsiye edilir. Bu, türbülanslı bir hava akışı oluşturarak ısı dağıtım verimliliğini artırır. Bir diğer önemli husus ise hava kanalının optimizasyonudur: kanal içindeki rüzgar direncini azaltmak ve önemli miktarda hava hacmi israfına neden olacak hava akışı kısa devrelerini (girdap oluşumu gibi) önlemek. Ayrıca, giriş ve çıkış açıklıklarının boyutu ve konumu, özellikle sistem düzeyinde önemlidir. İyi tasarlanmış bir açıklık, hava akışının verimli bir şekilde geçmesini sağlayarak tüm sistemde makul bir sıcaklığın korunmasına yardımcı olur. Ancak açılış boyutunun toz önleme gibi diğer çevresel faktörler de göz önünde bulundurulması gerekir, bu da onu karmaşık bir tasarım süreci haline getirir.

Termal tasarım sırasında sıvı soğutmalı bir plaka nasıl optimize edilir?

Bir sıvı soğutma plakasının tasarımını optimize ederken ve simüle ederken, genellikle soğutma sıvısı, akışkan, sıvı soğutma plakası ve su pompası dahil olmak üzere tüm soğutma sistemini dikkate almak gerekir. İlk parametre uygun bir soğutma sıvısı seçimini içerir. Su ile karıştırılmış etilen glikol, su ile karıştırılmış propilen glikol, su ile karıştırılmış etanol, sıvı metaller veya saf su gibi seçenekler genellikle dikkate alınır. Soğutma sıvısı seçimi, tüm sirkülasyon sistemi için çok önemlidir. Yapısal olarak, ısı değişim performansı gerekliliklerini hesaba katmamız gerekir. Yani, giriş ve çıkış arasındaki akış hızı ve sıcaklık farkı gibi belirlenen koşullar altında, ısı değişim verimliliğini artırmayı hedefliyoruz. Ayrıca, sıvı soğutma plakası yüzeyinin basınç dayanımı ve yapısal mukavemet gereklilikleri de dikkate alınmalıdır. Tasarım sürecinde, sıvı soğutma plakasının kalınlığı için optimizasyon yapılmalıdır. Korozyon önleme ve sızıntı önleme gereklilikleri gibi diğer faktörler de dikkate alınmalıdır. Termal tasarım sırasında, soğuk plakanın kapak ve üst/alt uç yüzeylerinin tasarımı dikkate alınmalıdır. Sızdırmazlık şeridi kullanılıyorsa, mukavemeti göz önünde bulundurulmalı; kaynak işlemi söz konusu olduğunda ise gerçek işleme zorluğu değerlendirilmelidir. Son olarak, makul bir tasarım şeması geliştirilmeli ve maliyetleri düşürmek için optimum üretim süreçleri benimsenmelidir. Tüm bu faktörler termal tasarımda dikkate alınmalıdır.

Hakkımızda

işletmelerimiz

Isı yönetimi

Teknolojileri