Każdy działający system – czy to elementy mechaniczne, czy urządzenia elektryczne – generuje ciepło z powodu tarcia lub oporu. Gdy ciepło to koncentruje się w systemie, może spowodować uszkodzenie. Aby temu przeciwdziałać, do systemu przymocowuje się element mechaniczny, zwany radiatorem. Wymienia on ciepło z otaczającym środowiskiem i pomaga systemowi utrzymać temperaturę.
Ten techniczny blog bada konstrukcję i działanie radiatorów, jakie materiały są używane do ich produkcji i jak są one wytwarzane w przemyśle. Zakończymy artykuł, dzieląc się kilkoma znanymi przykładami zastosowań, w których używa się radiatorów.
Co to jest radiator?
Radiator to element mechaniczny przymocowany do źródła ciepła, który pasywnie przekazuje ciepło do cieczy, takiej jak powietrze lub chłodziwo . Źródłem ciepła mogą być procesory, karty graficzne, tranzystory mocy lub silniki, których odsłonięta powierzchnia styka się z radiatorem, natomiast cieczą jest otaczające powietrze lub ciekły czynnik chłodzący.
Radiator jest wykonany z metali przewodzących ciepło, które pobierają ciepło z urządzenia lub systemu i wymieniają je z otaczającym środowiskiem. Zasada działania opiera się na dużej odsłoniętej powierzchni radiatora, która zwiększa szybkość transferu ciepła.
Projekt i działanie radiatora
Aby skutecznie odprowadzać ciepło od źródła ciepła, radiator jest zaprojektowany z większą powierzchnią, aby zmaksymalizować kontakt z otaczającym płynem. Jest to powszechnie osiągane poprzez konstrukcję żebrowaną, w której cienkie, płaskie lub zakrzywione płyty (żebra) rozciągają się od podstawy radiatora. Każdy aspekt tej konstrukcji jest krytyczny dla transferu ciepła.
Rozważmy typowy radiator o niestandardowej długości L, szerokości W i wysokości H. Odstęp między żebrami oznaczany jest jako „t”, a odstęp między żebrami to „s”.
Po podłączeniu do systemu, transfer odbywa się poprzez konwekcję, przewodzenie i promieniowanie (w niewielkim stopniu). Po pierwsze, ciepło jest przenoszone poprzez przewodzenie ze źródła ciepła do podstawy radiatora poprzez bezpośredni kontakt. Gdy ciepło dociera do żeberek, jest przenoszone do otaczającego powietrza lub chłodziwa poprzez konwekcję. Część ciepła jest wypromieniowywana do otoczenia w postaci energii podczerwonej. Chociaż przyczynia się to w mniejszym stopniu niż przewodzenie i konwekcja, staje się znaczące w systemach wysokotemperaturowych.
Przenoszenie ciepła, które odbywa się poprzez konwekcję, jest niezwykle ważne w chłodzeniu systemu. Przenoszenie to w dużej mierze zależy od powierzchni (żeberek i powierzchni). Oto, jak powierzchnia i rozpraszanie ciepła są ze sobą powiązane:
P=h⋅A⋅ΔT
Gdzie:
h: współczynnik przenikania ciepła (zależny od właściwości płynu i warunków przepływu)
A: Efektywna powierzchnia (żebra i podstawa łącznie)Δ𝑇: Różnica temperatur między powierzchnią radiatora a otaczającym go płynem
Δ𝑇: Różnica temperatur między powierzchnią radiatora a otaczającym go płynem
Ponieważ transfer ciepła odbywa się z różnych przekrojów, lepiej jest przeanalizować indywidualny transfer ciepła, a następnie go zsumować. Oto kilka równań, które pokazują transfer konwekcyjny:
Podobnie, transfer promieniowania (choć niewielki) można określić za pomocą następujących równań:
Znajdowanie liczby i szerokości płetw
Kluczowym zagadnieniem projektowym jest określenie liczby wymaganych żeber. Poprzez obliczenie transferu ciepła przez konwekcję i promieniowanie, liczbę żeber można wyprowadzić, korzystając z prawa zachowania energii, które mówi, że energia generowana przez źródło musi być równa energii rozpraszanej przez radiator. Ta zależność daje nam:
Materiały do produkcji radiatorów
Jak wspomniano wcześniej, radiator jest przeznaczony do metali o wysokiej przewodności cieplnej, szczególnie aluminium i miedzi.
Aluminium
Aluminium jest popularnym wyborem na radiatory ze względu na bardzo niską gęstość i opłacalność. Ponadto ma wyższą przewodność cieplną niż większość metali.
Spośród stopów aluminium stop 1050 ma wyższą przewodność cieplną, wynoszącą około 229 W/mK, ale jest miękki mechanicznie. Stopy aluminium 6061 i 6063 mają gorszą przewodność cieplną (przewodność cieplna wynosi około 170-180 W/mK), ale są mocniejsze mechanicznie.
Ogólnie rzecz biorąc, radiatory aluminiowe są powszechnie stosowane w elektronice użytkowej, oświetleniu LED i podzespołach samochodowych, gdzie waga stanowi kluczowy czynnik.
Miedź
Miedź jest o około 60% bardziej przewodząca niż aluminium, z przewodnością cieplną około 400 W/mK, co czyni ją jednym z najlepszych dostępnych przewodników cieplnych. Jej doskonałe zdolności rozpraszania ciepła są kluczowe w zastosowaniach o wysokiej wydajności, takich jak elektronika mocy, centra danych, przemysł lotniczy i wojskowy.
Mimo że miedź jest cięższa i droższa od aluminium, jej wysoka efektywność w zakresie przewodzenia ciepła uzasadnia jej stosowanie w zastosowaniach, w których istotne jest utrzymanie wysokiej temperatury.
Cynk
W przeciwieństwie do dwóch pozostałych cynk nie ma wyższej przewodności cieplnej, ale raczej przyzwoitą. Jest jednak bardzo płynny i można go łatwo odlewać ciśnieniowo w dowolnym kształcie. Ponadto ma wysoką odporność na uderzenia i zapewnia systemowi ekranowanie EMI i RFI – wszystko to sprawia, że jest dobrym kandydatem do produkcji radiatorów.
Rodzaje radiatorów
Radiator zazwyczaj ma prostą podstawę z wieloma żebrami wystającymi z powierzchni. Układ, kształt i orientacja tych żeber różnią się w zależności od zastosowania. Poniżej przedstawiono kilka typowych typów w oparciu o ich geometrię:
Radiatory z żebrami pinowymi
Radiatory żeberkowe składają się z pinów wystających poza powierzchnię podstawy, z największą powierzchnią rozpraszania ciepła. Piny mogą być cylindryczne, kwadratowe, prostokątne, a nawet stożkowe, aby zoptymalizować rozpraszanie ciepła w zależności od ograniczeń konstrukcyjnych. Są one szczególnie skuteczne w warunkach niskiego przepływu powietrza lub wielokierunkowego ruchu powietrza.
Radiator żebrowy płaski/płytowy
Płaskie lub płytowo-żebrowe radiatory mają prostokątne płyty rozciągające się od powierzchni. Żebra te są wyrównane w konfiguracji równoległej, co czyni je wysoce wydajnymi w scenariuszach, w których przepływ powietrza jest jednokierunkowy, takich jak wymuszone systemy chłodzenia powietrzem.
Ogrzewanie płetwy fletowej
Radiator z żebrami w kształcie żłobka charakteryzuje się unikalną geometrią, w której żebra są wytłaczane lub składane w kształt przypominający żłobek, co tworzy puste/półzamknięte kanały. Radiatory z żebrami w kształcie żłobka są idealne do zastosowań wymagających wysokiej wydajności chłodzenia przy wymuszonej konwekcji, takich jak elektronika mocy i napędy przemysłowe.
Okrągły radiator żebrowy
Okrągły radiator żebrowy ma żebra rozmieszczone promieniowo wokół okrągłej podstawy. Taka geometria zapewnia równomierne rozpraszanie ciepła na całym obwodzie i jest szczególnie skuteczna w obsłudze wielokierunkowego przepływu powietrza. Taka geometria sprawdziłaby się najlepiej w przypadku silników elektrycznych i elementów obrotowych, takich jak wentylatory lub turbiny.
Aktywne i pasywne radiatory
Radiatory są zazwyczaj określane jako pasywne urządzenia wymiany ciepła, ponieważ odprowadzają ciepło naturalnie, bez konieczności zewnętrznego zasilania. Jednak aktywne radiatory wykorzystują dodatkowe elementy, takie jak wentylatory lub dmuchawy, aby zwiększyć szybkość rozpraszania ciepła poprzez zwiększenie przepływu powietrza przez żebra.
Dla porównania, pasywne radiatory wykorzystują wyłącznie naturalną konwekcję do wymiany ciepła z otoczeniem.
Jak powstają radiatory: Metody produkcji
Radiatory mogą być wykonane za pomocą różnych technik cięcia i formowania metalu. Najpopularniejszymi są frezowanie, wytłaczanie, skrawanie i odlewanie ciśnieniowe.
Obróbka CNC (frezowanie)
Frezowanie to proces obróbki ubytkowej, który precyzyjnie wycina skomplikowane szczeliny między żebrami i umożliwia tworzenie złożonych kształtów geometrycznych i wzorów. Ta metoda jest szczególnie odpowiednia do produkcji małoseryjnej lub niestandardowych radiatorów o geometrii, której nie można uzyskać za pomocą innych procesów produkcyjnych.
Wytłaczanie
Ekstruzja to jedna z najpopularniejszych metod produkcji aluminiowych radiatorów . Polega ona na przetłoczeniu rozgrzanego wlewka aluminium przez matrycę w celu uzyskania ciągłego profilu o pożądanym kształcie przekroju poprzecznego. Proces ten jest wydajny i ekonomiczny w produkcji masowej, szczególnie w przypadku materiałów ciągliwych, takich jak aluminium 1050.
Skoki
Skiving to proces cięcia, który polega na wycinaniu cienkich żeber z pojedynczego bloku metalu, zazwyczaj miedzi lub aluminium. Ta technika jest stosowana do produkcji radiatorów płytowo-żebrowych z cieńszymi i ściślej upakowanymi żebrami, co byłoby trudne do osiągnięcia poprzez obróbkę skrawaniem lub wytłaczanie.
Die Casting
Odlewanie ciśnieniowe polega na wtryskiwaniu stopionego metalu do wnęki formy pod wysokim ciśnieniem w celu formowania złożonych kształtów. Proces ten jest najbardziej odpowiedni dla materiałów takich jak stopy cynku i aluminium. Odlewane ciśnieniowo radiatory są powszechnie stosowane w produkcji wielkoseryjnej ze względu na niski koszt jednostkowy.
Zastosowania radiatorów
Radiator jest częścią każdego mechanicznego i elektrycznego urządzenia, którego używamy w naszym codziennym życiu – od silników samochodowych po smartfony. Oto lista urządzeń, w których znajdują się radiatory:
- Elektronika użytkowa:Smartfony, tablety, laptopy, konsole do gier, dekodery
- Komputery i serwery:Procesory, procesory graficzne, zasilacze
- Systemy oświetlenia LED:Żarówki LED, oprawy
- Telekomunikacja:Routery, przełączniki, wzmacniacze
- Elektronika samochodowa:Jednostki sterujące silnika, reflektory LED, systemy informacyjno-rozrywkowe
- Maszyny przemysłowe:Napędy silnikowe, robotyka, urządzenia produkcyjne
- Elektronika mocy:Inwertery, przetworniki, zasilacze
Dodaj Richconn do projektowania niestandardowych radiatorów
Każdy nowo zaprojektowany system wymaga niestandardowego radiatora, który idealnie odprowadza ciepło z otoczenia. Usługi frezowania CNC umożliwiają projektowanie niestandardowych radiatorów.
At RichConn, mamy dedykowane urządzenie do frezowania wyposażone w frezarki do 5 osi. Nasi doświadczeni technicy mogą obrabiać miedź i aluminium z tolerancjami do 0.002 mm.
Niezależnie od tego, czy potrzebujesz jednej części, czy partii produktów, podejmujemy się wszelkiego rodzaju projektów. Skontaktuj się z nami i otrzymaj swój niestandardowy radiator w ciągu kilku dni.
