Радиаторы

Радиаторы для электротехнической продукции: классификация, материалы, расчет и применение

Радиатор (теплоотвод) – пассивный элемент системы охлаждения, предназначенный для рассеивания тепловой мощности, выделяемой полупроводниковым или другим электронным компонентом, в окружающую среду. Основная функция – обеспечение допустимого температурного режима работы прибора путем увеличения эффективной площади теплообмена и организации конвективного (естественного или принудительного) потока воздуха или контакта с другой охлаждающей средой. Эффективность радиатора напрямую влияет на надежность, КПД и срок службы силовых ключей (IGBT, MOSFET, тиристоров, диодов), стабилизаторов, процессоров управления в преобразовательной технике, источниках питания, частотных приводах и других энергетических установках.

Физические основы теплопередачи в радиаторах

Процесс отвода тепла от компонента в окружающую среду через радиатор является многостадийным и описывается понятием общего теплового сопротивления (R_th, °C/Вт или K/Вт). Полное тепловое сопротивление цепи «p-n-переход – окружающая среда» (R_th(j-a)) складывается из последовательных сопротивлений:

R_th(j-c) – тепловое сопротивление «переход-корпус» прибора. Определяется конструкцией полупроводникового элемента и является паспортной величиной, заданной производителем.
R_th(c-r) – тепловое сопротивление контакта «корпус прибора – радиатор». Зависит от качества поверхностей, усилия прижима, наличия и типа теплопроводящего интерфейса (паста, прокладка, клей).
R_th(r-a) – тепловое сопротивление самого радиатора «основание – окружающая среда». Ключевая характеристика, которую минимизируют при проектировании теплоотвода.

Расчетная формула для определения перегрева перехода относительно окружающей среды: ΔT_j = P

R_th(j-a), где P – рассеиваемая мощность. Температура перехода T_j не должна превышать максимально допустимую, указанную в даташите (обычно +125°C…+175°C).

Классификация и конструктивные особенности радиаторов

По способу изготовления

Экструдированные алюминиевые. Наиболее распространенный тип. Изготавливаются методом продавливания разогретого алюминиевого сплава (чаще всего АД31) через профильную матрицу. Характеризуются продольными ребрами постоянного сечения. Доступны в виде стандартных профилей различной высоты и ширины, которые затем нарезаются и механически обрабатываются. Оптимальны по соотношению цена/производительность для большинства применений.
Литые. Производятся методом литья под давлением из алюминиевых или, реже, цинковых сплавов. Позволяют создавать сложные трехмерные формы с разнонаправленными ребрами, интегрированными крепежными элементами и кожухами. Часто используются для серийных изделий, где важна сложная форма.
Составные (складывательные, навивные). Состоят из множества тонких алюминиевых пластин (ламелей), которые насаживаются или навиваются на тепловодящее основание (тепловую трубку или медную сердцевину). Обеспечивают очень большую площадь поверхности при малом аэродинамическом сопротивлении. Применяются в мощных системах с принудительным обдувом.
Штампованные. Изготавливаются штамповкой из листовой меди или алюминия. Имеют низкую стоимость, но и ограниченную эффективность из-за малой толщины и площади. Используются для маломощных компонентов.
Фрезерованные (сконструированные). Высокотехнологичные радиаторы, изготавливаемые на станках с ЧПУ из цельных алюминиевых заготовок. Позволяют достичь рекордных характеристик за счет оптимизации формы и толщины ребер, но имеют высокую стоимость. Применяются в специализированной высоконагруженной аппаратуре.

По типу охлаждения

Естественное воздушное охлаждение (Natural Convection). Конвекция воздуха происходит за счет разности плотностей нагретых и холодных масс. Требует радиаторов с большим расстоянием между ребрами (обычно 6-10 мм) для беспрепятственной циркуляции. Ребра ориентируются вертикально. Характеризуется низким уровнем шума и абсолютной надежностью.
Принудительное воздушное охлаждение (Forced Convection). Воздушный поток создается вентилятором. Позволяет в разы увеличить теплоотвод при тех же габаритах. Ребра делают более частыми (шаг 2-4 мм) для увеличения площади. Необходим расчет аэродинамического сопротивления и подбор вентилятора по статическому давлению.
Жидкостное охлаждение. Радиатор (водяная холодная плита) отводит тепло в протекающую через него жидкость (чаще всего воду или антифриз). Используется в сверхмощных преобразователях, тяговых приводах, высокоплотных источниках питания. Обеспечивает на порядок более высокую эффективность по сравнению с воздушным.

Материалы для радиаторов

Выбор материала определяется его теплопроводностью, плотностью, обрабатываемостью и стоимостью.

Материал	Теплопроводность, Вт/(м·K)	Плотность, кг/м³	Преимущества	Недостатки	Типовое применение
Алюминиевый сплав (АД31, 6063)	160 – 220	~2700	Оптимальное соотношение цена/эффективность, легкость, хорошая обрабатываемость, коррозионная стойкость	Теплопроводность в 1.5-2 раза ниже, чем у меди	Подавляющее большинство экструдированных и литых радиаторов для силовой электроники
Медь (Cu-OF, Cu-ETP)	380 – 400	~8900	Максимальная теплопроводность	Высокая стоимость, большая плотность (вес), склонность к окислению, сложность экструзии	Основания составных радиаторов, тепловые трубки, локальные теплоотводы для критичных компонентов
Композитные материалы (AlSiC, графит)	150 – 300 (вариативно)	~3000	Коэффициент теплового расширения (КТР), близкий к кремнию, очень низкая плотность	Очень высокая стоимость, хрупкость	Специализированная СВЧ- и оптоэлектроника, где критичен КТР

Ключевые параметры и расчет радиатора

Выбор радиатора осуществляется на основе теплового расчета. Исходные данные: рассеиваемая мощность P (Вт), максимальная допустимая температура корпуса прибора T_c(max) (°C), максимальная температура окружающей среды T_a(max) (°C), тепловое сопротивление переход-корпус R_th(j-c) (°C/Вт).

Алгоритм расчета для естественного охлаждения:

Определение допустимого теплового сопротивления «радиатор-среда»: R_th(r-a) = (T_c(max) — T_a(max)) / P — R_th(c-r). Значение R_th(c-r) принимается в пределах 0.1-0.5 °C/Вт в зависимости от интерфейса.
По каталогам производителей радиаторов выбирается модель, у которой R_th(r-a) при естественной конвекции не превышает расчетного. Данные в каталогах приводятся для определенной ориентации и дельты температур.
Проверяется соответствие габаритных и монтажных требований.

Для принудительного охлаждения используются зависимости R_th(r-a) от скорости воздушного потока, предоставляемые производителем. Расчет требует совместного подбора радиатора и вентилятора по статической характеристике (P-Q curve).

Теплопроводящие интерфейсы (Термоинтерфейсы)

Для заполнения микронеровностей между корпусом прибора и радиатором и вытеснения воздуха (имеющего крайне низкую теплопроводность) используются теплопроводящие материалы.

Теплопроводящие пасты (силиконовые, бессиликоновые на основе оксидов металлов, алмазные). Наиболее распространенный вариант. Теплопроводность: 0.8 – 10 Вт/(м·K). Требуют аккуратного нанесения тонким слоем.
Теплопроводящие прокладки (пады) из силикона с наполнителем. Имеют стандартную толщину (0.5-5 мм). Удобны в монтаже, но их тепловое сопротивление обычно выше, чем у правильно нанесенной пасты. Теплопроводность: 1 – 7 Вт/(м·K).
Фазопереходные материалы (твердые при комнатной температуре, размягчающиеся при нагреве). Обеспечивают минимальное контактное сопротивление.
Теплопроводящие клеи и адгезивы. Одновременно выполняют функцию механического крепления и теплового контакта.

Монтаж и эксплуатационные аспекты

Правильный монтаж критичен для эффективной работы. Необходимо обеспечить:

Равномерное и достаточное усилие прижима в соответствии с рекомендациями производителя полупроводникового прибора (указывается в даташите). Используются пружинные клипсы, стяжные болты, планки.
Правильную ориентацию радиатора при естественном охлаждении: ребра должны быть вертикальны, каналы между ними – свободны для конвективного потока.
Минимальное расстояние между радиаторами в составе сборки для предотвращения рециркуляции горячего воздуха.
Электрическую изоляцию при необходимости. Используются слюдяные, керамические или полиимидные изолирующие прокладки, которые увеличивают общее тепловое сопротивление цепи.
Регулярное обслуживание систем с принудительным охлаждением: очистка от пыли, проверка работоспособности вентиляторов.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как правильно выбрать между естественным и принудительным охлаждением?

Выбор определяется расчетной рассеиваемой мощностью, допустимыми габаритами, требованиями к надежности и уровню шума. Естественное охлаждение предпочтительно при мощности до 50-100 Вт (в зависимости от габаритов), где критична надежность и бесшумность. Принудительное охлаждение позволяет отводить сотни ватт с компактного радиатора, но вносит дополнительные точки отказа (вентилятор) и требует источника питания для него.

Что важнее для радиатора: материал или площадь поверхности?

Оба параметра взаимосвязаны. При прочих равных условиях, радиатор из меди будет эффективнее алюминиевого той же геометрии из-за лучшего распределения тепла по ребрам (меньший перегрев кончиков ребер относительно основания). Однако увеличение площади поверхности (высоты, количества ребер) зачастую дает более существенный выигрыш при меньшей стоимости. Оптимальный результат достигается при проектировании геометрии под конкретный материал и условия охлаждения.

Как часто нужно менять термопасту?

В стационарной промышленной электронике, работающей в нормальных условиях (без термоциклирования и вибраций), качественная термопаста может сохранять свойства 5-10 лет. При интенсивных тепловых циклах или в условиях повышенных температур (свыше 80°C на интерфейсе) рекомендуется проводить профилактический осмотр и замену раз в 2-3 года. Высыхание пасты приводит к росту R_th(c-r) и перегреву прибора.

Можно ли использовать радиатор без термоинтерфейса?

Категорически не рекомендуется. Даже при визуально гладких поверхностями, микронеровности создают воздушный зазор с высоким тепловым сопротивлением. Использование термоинтерфейса снижает R_th(c-r) в несколько раз, что является обязательным условием для долговременной надежной работы.

Как рассчитать необходимую скорость воздушного потока для радиатора?

Производители радиаторов предоставляют в технических данных графики зависимости теплового сопротивления R_th(r-a) от скорости воздушного потока (обычно в м/с или CFM – кубических футах в минуту). На основании требуемого R_th(r-a) по графику определяется необходимая скорость. Затем подбирается вентилятор, способный обеспечить такой поток через данное аэродинамическое сопротивление (радиатор). Для точного расчета используются CFD-моделирования.

Что такое тепловая трубка и когда ее применение оправдано?

Тепловая трубка – герметичное устройство, передающее тепло за счет фазового перехода (испарение/конденсация) рабочей жидкости внутри. Обладает эффективной теплопроводностью на порядки выше, чем у меди. Применяется в радиаторах для локального отвода высоких плотностей теплового потока (например, от небольшого по площади кристалла) к удаленным ребрам охлаждения, либо для создания сложных форм, где невозможно обеспечить прямой теплопроводящий путь.

Заключение

Выбор и применение радиаторов в электротехнической продукции является критически важной инженерной задачей, напрямую влияющей на эксплуатационные характеристики и ресурс оборудования. Грамотный тепловой расчет, учитывающий все элементы тепловой цепи от перехода до окружающей среды, правильный подбор типа, материала и геометрии теплоотвода, а также качественный монтаж с использованием подходящего термоинтерфейса – обязательные условия для создания надежных и эффективных энергетических систем. Современные тенденции в области миниатюризации и роста мощностной плотности делают вопросы теплосъема еще более актуальными, стимулируя развитие новых технологий охлаждения и материалов.