Что такое радиатор, виды и устройство, где применяются

 

Какие радиаторы бывают для современных электрических приборов

В этой статье мы узнаем о различных аспектах радиаторов, типы, активное и пассивное охлаждение, где применяются. В современном инженерном проектировании есть специальная область, которая занимается вопросами энергии, термодинамики и теплопередачи. Охлаждение или распределения тепла в электронных и иных приборах является важным фактором, который обеспечивает полноценную работу устройства и его пожарную безопасность. 

---

Полезные статьи:

Как устроен светодиодный светильник

Светодиодный светильник своими руками

Все статьи

 

Любой электронный или электрический материал будет выделять тепло при подключении к источнику питания. Особенно мощные полупроводники, светодиоды или любые оптические устройства выделяют больше тепла. У них недостаточно возможностей отдавать тепло. Если компоненты перегреваются, это приводит к выходу из строя печатной платы. Чтобы избежать подобных проблем, используются радиаторы.

Что такое радиатор?

Радиатор - это тепловое устройство, которое по своей природе является проводящим. Он предназначен для поглощения и отвода тепла от таких предметов, как компьютер, мобильные телефоны, DVD-плееры и холодильники, а также при работе светодиодных светильников. Он отводит тепло от объекта или контура, отправляет его в окружающую среду.

Говоря более технически, радиатор - это металлическое устройство, которое увеличивает эффективную площадь рассеивания поверхности и, следовательно, увеличивает скорость рассеивания тепла по сравнению со скоростью генерации.

Радиаторы состоят из вентилятора или охлаждающего устройства для отвода тепла от другого объекта. Например, в компьютерах к нему прикреплен микропроцессор, который поглощает тепло и отправляет его в воздух. Радиаторы изготавливаются из таких металлов, как медь или алюминиевый сплав. Эти материалы являются наиболее эффективными.

Радиатор для светодиодного освещения

Лучшее управление температурным режимом позволяет светодиодным светильникам работать на более высоких уровнях мощности, обеспечивая при этом стабильную светоотдачу и спектральное качество в течение длительного срока службы. Светодиодный радиатор используется для отвода тепла от соединения светодиодов, а затем конвекции и излучения в окружающую среду.

LED радиатор представляет собой теплообменник , который поглощает тепловую энергию. Затем рассеивает тепловую энергию в окружающем окружающий воздух. Радиатор - это последняя и самая важная часть теплового тракта светодиодного светильника. Развитие технологии светодиодного освещения неразрывно связано с развитием технологии теплоотвода. 

Спектральные характеристики, световой поток и срок службы светодиода в значительной степени зависят от управления рабочей температурой на уровне перехода светодиода. Поскольку светодиодная технология раздвигает границы плотности оптического потока, тепловое управление продолжает создавать проблемы для производителей освещения. Таким образом, радиатор, являющийся основным компонентом управления температурой на уровне системы, должен быть спроектирован так, чтобы раскрывать весь потенциал светодиодов, а не быть узким местом с точки зрения теплового режима.

Теплопроводность радиатора

Обычно тепло передается тремя способами: конвекцией, теплопроводностью и излучением. К этой проводимости относится тип теплопередачи, которая происходит в твердом теле. Поскольку радиатор также является твердым устройством, передача тепла происходит за счет теплопроводности в радиаторе.

Теплопроводность - это передача тепла путем микроскопических столкновений частиц и движения электронов между объектами с разной кинетической энергией. Помимо температуры окружающей среды, отвод отработанного тепла за счет теплопроводности зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, и геометрии радиатора. Металлы, металлические сплавы, некоторые оксиды металлов, керамика, алмаз и другие формы углерода являются хорошими проводниками тепла. Графен, аллотроп углерода в форме двумерной гексагональной решетки атомного масштаба, обладает удивительно высокой теплопроводностью - 5000 Вт / мК. Среди металлов чистая медь имеет самую высокую теплопроводность (около 400 Вт / мК). Алюминий и его сплавы обладают умеренной теплопроводностью в диапазоне 90-240 Вт / мК. Керамика, которая ' re как электрически изолирующий, так и теплопроводный, обеспечивает теплопроводность от 100 до 200 Вт / мК. В светодиодных системах освещения теплопроводность - это первый способ передачи тепла по тепловому пути. Он начинается в полупроводниковом переходе, и тепловая нагрузка проходит через ряд компонентов, заканчиваясь конвекционной поверхностью радиатора.

Как происходит проводимость?

Представьте, что вы приближаете друг к другу два разных объекта с двумя разными температурами. У теплого объекта будут быстро движущиеся молекулы, а у холодного объекта медленные. Когда эти два объекта встречаются в точке, то быстро движущиеся молекулы будут пытаться взаимодействовать с медленными. Благодаря этому энергия от быстро движущихся молекул передается медленно движущимся молекулам. Этот процесс нагревает более холодный объект. Весь этот процесс является теплопроводностью. Это главный принциа работы радиатора.

Типы радиаторов

Активный радиатор

Когда использует вентилятор, то он является активным радиатором. В большинстве компьютерных процессоров вентилятор прикреплен чуть выше радиатора. Это использует энергию для процесса охлаждения. В системе жидкостного охлаждения также используются активные радиаторы.

Этот тип охлаждения зависит от внешних устройств для передачи тепла. Режим теплопередачи - конвекция, что помогает увеличить поток жидкости для большего отвода тепла. Дополнительные компоненты, такие как вентиляторы, используются, когда естественной конвекции недостаточно для отвода тепла. Этот тип используется в электронике, например, в жестких дисках компьютора.

Пассивный радиатор

Когда радиатор не использует вентилятор, это пассивный радиатор. В них нет механических компонентов, что делает их более надежными. Эти радиаторы изготовлены из радиатора с алюминиевым оребрением. Они рассеивают тепло за счет конвекции. Между пластинами поддерживается надлежащий и стабильный воздушный поток, чтобы обеспечить полную устойчивость устройства.

В этом типе охлаждения используются радиационные или конвекционные методы передачи тепла с использованием радиатора или теплораспределителя. В архитектурных проектах природные ресурсы, такие как почва или ветер, действуют как теплоотвод для поглощения тепла. Это помогает улучшить работу электронных устройств в пределах рабочей температуры.

Такой тип радиатора используют все производители светодиодных светильников. Он является единственным возможным и эффективным по отводу тепла от электронных компонентов устройства. Необходимая площадь радиатора специально рассчитывается исходя из мощности осветительного прибора. Геометрия контура имеет множество решений. 

Радиатор отопления

Тепловая конвекция - это передача тепла за счет массового движения жидкости, которая может быть жидкостью или, что более типично, воздухом. Движение молекул в конвективной среде жидкостей происходит при наличии температурного градиента между твердой поверхностью и окружающей ее жидкостью или при искусственно вызванном конвекционном потоке. 

Конвекция зависит от подвижности жидкости и площади активной поверхности, подверженной воздействию текущей жидкости. Подвижность жидкости выражается коэффициентом теплопередачи, который представляет собой константу пропорциональности между тепловым потоком и термодинамической движущей силой для потока тепла. 

Когда движение жидкости создается не внешним источником, а посредством выталкивающей силы, вызванной тепловыми градиентами между жидкостью и твердым телом, перенос тепла считается естественной конвекцией. Другими словами, естественная конвекция использует силу плавучести, вызванную температурными градиентами между жидкостью и твердым телом.

Батарея отопления - это «излучатель» или конвективно-радиационный отопительный прибор. Состоит из отдельных секций с внутренними каналами. Обладает простым принципом функционирования: по ним постоянно или с некоторой периодичностью перемещается вода или иной тепловой носитель, которая отдает свое тепло воздушным массам, окружающим радиатор. Они имеют модификации и производятся из стали, чугуна, алюминия и других материалов.

Автомобильный радиатор

Независимо от температуры наружного воздуха ваш двигатель работает в очень жарких условиях. Поддержание достаточно холодного двигателя для нормальной работы и в то же время достаточно горячего для преобразования тепла в энергию может быть сложной задачей. Вот тут-то и вступает в дело радиатор, циркулирующий охлаждающую жидкость через двигатель и обратно.

Радиатор является важным элементом системы охлаждения двигателя. Этот механизм предназначен для поддержания температуры двигателя на оптимальном уровне, установленном производителем транспортного средства. Сделанные в основном из алюминия, радиаторы передают тепло от горячей охлаждающей жидкости по трубкам, а затем, когда воздух проходит через ребра, он охлаждает жидкость.

Как работает автомобильный радиатор?

Система охлаждения представляет собой систему под давлением, состоящую из нескольких компонентов, работающих вместе для охлаждения двигателя. Охлаждающая жидкость используется для охлаждения двигателя путем циркуляции охлаждающей жидкости через радиатор, двигатель и головки цилиндров двигателя для поглощения тепла. Термостат помещен между двигателем и радиатором регулирует поток охлаждающей жидкости и поддерживает температуру двигателя. Если охлаждающая жидкость падает ниже указанной температуры, например, когда двигатель холодный, термостат ограничивает поток охлаждающей жидкости. По мере того, как двигатель нагревается, он постепенно открывается по мере необходимости, позволяя жидкости течь через радиатор через шланги радиатора .

Шланги радиатора подсоединяются как к радиатору, так и к двигателю, чтобы направлять поток охлаждающей жидкости, поэтому она может охлаждаться, а затем возвращается к двигателю для поддержания заданной температуры, что помогает предотвратить перегрев. Чтобы охлаждающая жидкость не закипала, система спроектирована с возможностью значительного повышения температуры кипения, как в скороварке. К сожалению, слишком высокое давление может повредить шланги и другие детали в системе охлаждения; в какой-то момент необходимо сбросить давление, что и является задачей крышки радиатора . Крышка радиатора настроена на сброс давления, когда оно достигает определенного давления, на которое рассчитана система. После охлаждения охлаждающая жидкость возвращается в радиатор.

Материалы радиаторов

Теплопроводность радиатора определяется составом его материала, проводящей площадью и температурой окружающей среды. Алюминий - это повсеместный выбор материала для светодиодных радиаторов, несмотря на то, что медь имеет почти вдвое большую теплопроводность, чем алюминий. В дополнение к его рентабельности, умеренно высокой теплопроводности и высокой коррозионной стойкости, алюминий также легко обрабатывать в массовом объеме с использованием обычных процессов литья, ковки, экструзии и механической обработки.

Алюминиевые радиаторы

Не всегда изготавливаются из чистейшего материала. Разработаны для решения проблем обрабатываемости или для улучшения определенных характеристик, хотя наличие большинства примесей неизбежно ухудшает теплопроводность. Например, магний обычно добавляют в алюминиевый сплав с целью повышения прочности на разрыв. 

Добавление меди может повысить прочность и теплопроводность алюминиевого радиатора. Добавление кремния увеличивает текучесть расплавленного алюминиевого сплава во время литья под давлением. Небольшое количество железа помогает предотвратить сплавление штампов с алюминиевым сплавом.

Керамические радиаторы

Имеют теплопроводность, аналогичную алюминию и его сплавам. Промышленность освещения привлекает их высокая диэлектрическая проницаемость и низкая стоимость производства. Проблема использования керамики заключается в том, что она хрупкая и требует дополнительных мер предосторожности при обращении.

Стальные радиаторы

Обычно используются в светодиодных осветительных системах типа «приспособление как радиатор», таких как троферы и линейные светильники с высокими пролетами. Корпус этих приспособлений обычно изготавливается из штампованной холоднокатаной стали. Нержавеющая сталь, которая придает очень стильный внешний вид и устойчива к коррозии, также находит свое применение в осветительных системах, использующихся в качестве радиаторов. Однако как холоднокатаные стальные листы, так и нержавеющая сталь обладают меньшей проводимостью, чем керамика и алюминий (16-24 Вт / мК для нержавеющей стали).

Форма и дизайн радиатора

Конвективный отвод отработанного тепла зависит от граничных условий, включая эффективную площадь поверхности, геометрию радиатора, скорость воздушного потока и ориентацию под действием силы тяжести. Чем больше площадь поверхности радиатора, тем сильнее конвекция. Чтобы пассивные радиаторы работали на полную мощность, важно максимально увеличить площадь конвекционной поверхности. 

Однако конструкция радиатора часто ограничивается размером и формой системы освещения. Пассивный радиатор обычно использует все преимущества трехмерной геометрии для увеличения коэффициента конвективной теплопередачи. 

Обычно имеют ребра для эффективного увеличения площади поверхности, позволяя радиаторам оставаться на заданной площади. Ребра расположены параллельно направлению воздушного потока.

Современный дизайн светодиодных радиаторов имеет тенденцию к визуально чистой эстетике и аэродинамическому дизайну. Значительно уменьшены не только плотность и глубина ребер, но и все большее количество дизайнов плавно переходят между ребрами в основную металлическую конструкцию, создавая плавный минималистский вид. 

Аэродинамический дизайн позволяет радиатору с малой плотностью ребер захватывать как можно больше воздушного потока. Некоторые радиаторы, которые уже имеют достаточную площадь поверхности, полностью исключают ребра, чтобы противостоять отложению грязи и пыли. Грязь и пыль, застрявшие в ребрах радиатора обычных высоких пролетов и уличных фонарей, чрезвычайно трудно чистить. Скопление грязи и пыли может значительно ухудшить конвекционную и радиационную эффективность радиатора.

Способы производства радиаторов

Производственный процесс является незаменимым аспектом при выборе теплопроводных материалов и конструкции радиаторов. Различные процессы могут создавать различную геометрию деталей, отображать разные тепловые характеристики и давать разные механические свойства. В настоящее время радиаторы можно изготавливать с использованием различных методов обработки металлов давлением, таких как литье, ковка, экструзия, механическая обработка, штамповка, затачивание и склеивание.

Литые радиаторы

Изготавливаются путем нагнетания расплавленного алюминия в металлическую матрицу, которая состоит из двух половин матрицы, соединенных и удерживаемых вместе гидравлическим давлением. С помощью этого процесса можно производить алюминиевые радиаторы очень сложной формы, которые встречаются в пластмассах, при этом они могут эффективно работать в средах с высокими температурами окружающей среды. 

Отливки под давлением отличаются высокой точностью размеров и стабильностью даже с тонкими стенками. Гладкие или текстурированные поверхности могут быть легко созданы и требуют минимальной подготовки поверхности перед нанесением гальванического покрытия, покрытия или отделки. 

Литье под давлением - наиболее эффективный и экономичный процесс массового производства светодиодных радиаторов. Он позволяет изготавливать радиаторы с оребрением и ребрами сложной геометрической формы без нарушения термической целостности.

Холодная ковка

Это процесс обработки металлов давлением, при котором металлический материал пластически деформируется ниже его температуры рекристаллизации (обычно при комнатной температуре) под сильным давлением. Холодные поковки превосходят многие другие процессы по теплопроводности, механической прочности, точности размеров, качеству поверхности, стоимости производства и производительности. 

Процесс обеспечивает благоприятный поток кристаллического зерна и, таким образом, приводит к улучшенным тепловым характеристикам. Холоднокованые радиаторы обычно дают улучшение тепловых характеристик до 15% по сравнению с экструдированными радиаторами и до 80% по сравнению с литыми под давлением радиаторами. 

Обладая минимальным сопротивлением деформации и высокой пластичностью, алюминий и его сплавы хорошо подходят для этого процесса. Холоднокованый радиатор с использованием алюминиевых сплавов в диапазоне 1000 имеет теплопроводность от 220 Вт / мК до 240 Вт / мК. 

Экструзия

Это еще один распространенный процесс изготовления радиаторов, при котором алюминий пластически течет под действием сжимающих сил, принимая различные формы. Сложные двухмерные профили можно экструдировать через отверстие фильеры, а затем разрезать на части различной длины. 

Этот процесс не создает внутренней пористости, которая может повлиять на теплопроводность, и поэтому позволяет производить алюминиевые радиаторы с более высокой теплопроводностью, чем отливки под давлением. Алюминиевые профили из сплавов обладают теплопроводностью в диапазоне 200-215 Вт / мК. 

Алюминиевые профили в основном используются для создания систем линейного освещения для освещения бухт, освещения под шкафами и других архитектурных осветительных установок, в которых используются светодиодные ленты служат источником света. С помощью этого процесса также можно изготавливать низкопрофильные радиаторы очень сложного поперечного сечения.

Штамповка

Это операция холодной штамповки для изготовления деталей из листового металла. Штамповка металла осуществляется путем вставки плоских металлических листов в матрицу и использования различных методов обработки металла для придания металлу желаемой геометрии. Методы металлообработки, наиболее часто связанные с штамповкой, включают штамповку, вырубку, глубокую вытяжку, прессование, тиснение, гибку и отбортовку. 

Этот процесс в основном используется для изготовления ребер для колышков и вставок. Штамповка может легко расширить масштабируемость теплоотводящих решений с нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Этот рентабельный процесс позволяет производить крупномасштабные полноразмерные тиражи.

Радиаторы со связанными ребрами

Предназначены для обеспечения максимальной плотности и глубины ребер, чтобы обеспечить большой объем конвективной теплопередачи. Радиатор сконструирован таким образом, что массив пластинчатых ребер высокой плотности собирается в желобчатое основание. 

Связующий агент, который может быть термореактивной теплопроводящей эпоксидной смолой или припоем, плотно удерживает пластинчатые ребра на месте. Несмотря на использование термически улучшенного связующего, между ребрами и основанием все еще существует сопротивление поверхности раздела. 

Связанные радиаторы доступны с широким спектром материалов и вариантов изготовления. Это решение позволяет использовать гибридные радиаторы, сочетающие в себе различные материалы и процессы металлообработки ребер и основания. Рифленая основа может быть экструдированной, литой под давлением или механической обработкой. Пластинчатые ребра могут быть экструдированными или штампованными.

Радиаторы с ребристыми ребрами

Вырезаны из металлических блоков. В отличие от теплоотводов со склеенными ребрами, в которых пластина устанавливается в пазы на экструдированном или обработанном основании, а ребра удерживаются на месте с помощью связующего вещества, в радиаторах со скошенными ребрами отсутствует сопротивление поверхности раздела, поскольку они изготовлены из цельного куска алюминия или медь. 

Процесс зачистки обеспечивает высокое соотношение сторон (более высокие ребра и более высокая плотность). Эти тепловые характеристики позволяют радиаторам с ребристыми ребрами обеспечивать эффективное управление температурным режимом. Однако процесс зачистки не является экономически целесообразным решением для массового производства светодиодных радиаторов.

Механически обработанные радиаторы

Похожи на зачищенные в производственном процессе, за исключением того, что эти радиаторы вырезаются из металлического блока путем многопильной резки. Как при механической обработке, так и при зуботочении сырье расходуется непродуктивно, поэтому они реже используются в качестве радиаторов для светодиодов. Единственное преимущество обработанных радиаторов - это короткое время изготовления небольших партий и высокая теплопроводность в результате низкого теплового сопротивления всей конструкции.

---

Выводы

Радиатор - очень востребованный, а иногда не заменимый компонент в работе большинства электрических приборов. Бывает активным и пассивным, в зависимости от области применения. Применяется в конструкции устройства для отвода тепла. Даже батарея в квартире - тоже радиатор.