แผ่นระบายความร้อนด้วยทองแดง: การนำความร้อน ความต้านทานการกัดกร่อน และการออกแบบ

เหตุใดทองแดงจึงถูกเลือกสำหรับแผงระบายความร้อน

ตัวระบายความร้อนด้วยทองแดงถูกเลือกด้วยเหตุผลหลักประการหนึ่ง นั่นคือ ไม่มีโลหะวิศวกรรมทั่วไปที่จะถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพต่อหน่วยของหน้าตัด ทองแดงบริสุทธิ์ เช่น C11000 มีค่าการนำความร้อนประมาณ 385 ถึง 400 W/(mK) ที่อุณหภูมิห้อง เทียบกับประมาณ 200 W/(mK) สำหรับอลูมิเนียมอัลลอยด์อัดขึ้นรูปทั่วไป เช่น 6063 และประมาณ 100 W/(mK) สำหรับอลูมิเนียมอัลลอยด์หล่อทั่วไป ช่องว่างสองถึงสี่ครั้งนั้นแปลโดยตรงเป็นโซลูชันระบายความร้อนที่เล็กกว่า เบากว่า หรือเย็นกว่าสำหรับภาระความร้อนเท่ากัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมทองแดงจึงเป็นวัสดุที่เลือกในกรณีที่งบประมาณด้านความร้อนมีจำกัด

ทองแดงยังให้ประโยชน์ประการที่สองซึ่งไม่ค่อยชัดเจนนัก นั่นคือมีความต้านทานการแพร่กระจายความร้อนต่ำ ในกรณีที่แหล่งความร้อนมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับพื้นที่แผ่น คอขวดไม่ใช่พื้นผิวครีบ แต่เป็นความสามารถของฐานในการกระจายความร้อนไปด้านข้าง ค่าการนำไฟฟ้าสูงจะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิทั่วทั้งฐาน ดังนั้นบริเวณครีบจึงมีส่วนร่วมในการทำความเย็นอย่างแท้จริง

คุณสมบัติทางความร้อนและทางกายภาพ

การเปรียบเทียบยังแสดงให้เห็นข้อเสีย-ด้วย: ทองแดงมีความหนาแน่นประมาณ 3.3 เท่าของอะลูมิเนียม ดังนั้นแผ่นระบายความร้อนทองแดงที่มีรูปทรงเหมือนกันจึงหนักกว่าและมีราคาแพงกว่าต่อหน่วยพื้นที่ผิว แนวทางปฏิบัติด้านการออกแบบตอบสนองโดยใช้ทองแดงอย่างประหยัดและชาญฉลาด เช่น เป็นฐานทองแดงหรือทากทองแดงใต้จุดร้อนที่มีครีบอะลูมิเนียมติดอยู่ด้านบน ดังนั้นค่าการนำไฟฟ้าสูงจึงถูกนำไปใช้ในตำแหน่งที่มีฟลักซ์ความร้อนสูงที่สุด

ความต้านทานการกัดกร่อนและพฤติกรรมสิ่งแวดล้อม

ทองแดงสร้างชั้นออกไซด์ที่เกาะตัวและเสถียร ซึ่งชะลอการโจมตีเพิ่มเติมในบรรยากาศภายในอาคารปกติ และทนทานต่อน้ำจืด น้ำทะเล และตัวกลางที่เป็นกลางและเป็นด่างอ่อนๆ ได้ดีกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนมาก ทำให้แผงระบายความร้อนทองแดงและท่อทำความเย็นโลหะผสมทองแดง-เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางทะเล ตู้นอกชายฝั่ง คอนเดนเซอร์ HVAC และระบบน้ำดื่ม ซึ่งชิ้นส่วนที่เป็นเหล็กหรืออะลูมิเนียมที่ไม่ผ่านการบำบัดจะเกิดการกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว

ความต้านทานไม่ได้จำกัด ทองแดงถูกโจมตีโดยกรดออกซิไดซ์ สารประกอบแอมโมเนียและแอมโมเนียม และโดยสภาพแวดล้อมที่มีซัลไฟด์- และทองแดงมีความเสี่ยงที่จะเกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกเมื่อประกอบเข้ากับโลหะมีตระกูลน้อยกว่าเมื่อมีอิเล็กโทรไลต์ กฎการออกแบบสองประการมีดังนี้: หลีกเลี่ยงข้อต่ออะลูมิเนียมโดยตรง-ถึง-ข้อต่อทองแดงในบริการที่เปียกหรือเกลือ- เว้นแต่ข้อต่อนั้นได้รับการหุ้มฉนวนหรือชุบ และระบุการรักษาพื้นผิวที่ป้องกัน เช่น การชุบนิกเกิล ดีบุก หรือเงิน ซึ่งชิ้นส่วนจะต้องสัมผัสกับอากาศที่รุนแรง

เส้นทางการผลิตและรูปทรง

โปรไฟล์ที่อัดขึ้นรูปใน C11000 หรือ C10200 สำหรับครีบตรงและหน้าตัดธรรมดา โดยใช้การร่อนเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของครีบ โดยที่การอัดขึ้นรูปไม่สามารถเข้าถึงระดับครีบที่ต้องการได้

ส่วนประกอบที่ถูกผูกมัดและบัดกรี โดยที่ครีบทองแดงจะถูกต่อเข้ากับฐานทองแดงหรือกับท่อโดยการบัดกรีหรือการบัดกรีแบบรีโฟลว์ เพื่อให้เส้นทางความร้อนไม่ขาดตอน

ขดลวดท่อทองแดงใน C12200, C44300, C68700 และ C70600 สำหรับแผ่นทำความเย็นของเหลว คอนเดนเซอร์ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยเลือกโลหะผสมตามความก้าวร้าวของตัวกลางทำความเย็น

แถบและแผ่นดึงและรีดเย็นที่สามารถเจาะ พับ หรือปลอมแปลงเป็นตัวกระจายความร้อน เปลือกห้องไอ และชิ้นส่วนป้องกัน

บล็อกตัดเฉือนและเฉือนสำหรับโมดูลกำลังสูง-ที่ต้องใช้ส่วนต่อประสานแบบเรียบและฐานหนาเพื่อจัดการกับฟลักซ์ความร้อนที่มีความเข้มข้น

ทองแดงยังต่อได้ง่ายด้วยการบัดกรีและการบัดกรีแข็ง นำกระแสและนำความร้อน และสามารถชุบได้โดยไม่ต้องมีการเตรียมพิเศษ ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการรวมฟังก์ชันความร้อนและไฟฟ้าในส่วนเดียวกัน

การใช้งานทั่วไป

การระบายความร้อนของโปรเซสเซอร์ กราฟิกการ์ด และหน่วยความจำในคอมพิวเตอร์และเซิร์ฟเวอร์ โดยที่ฐานทองแดง ท่อความร้อน และช่องระบายความร้อนจะพาความร้อนจากแม่พิมพ์ขนาดเล็กไปยังบริเวณครีบที่ใหญ่ขึ้น

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง รวมถึงอินเวอร์เตอร์ คอนเวอร์เตอร์ มอเตอร์ขับเคลื่อน และโมดูลการยึดเกาะในยานพาหนะไฟฟ้า ซึ่งมีการยึดพื้นผิวฉนวนเข้ากับแผ่นฐานทองแดง

โมดูลไฟ LED และเลเซอร์ ซึ่งมีความหนาแน่นฟลักซ์สูงและอายุการใช้งานยาวนานต้องการอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อต่ำ

ตู้โทรคมนาคม วิทยุของสถานีฐาน และหน่วยเรดาร์ที่ต้องอยู่ภายในขีดจำกัดอุณหภูมิในสภาพกลางแจ้ง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน คอนเดนเซอร์ และเครื่องระเหยในระบบทำความเย็น HVAC และโรงไฟฟ้า โดยใช้ท่อโลหะผสมทองแดงหรือทองแดง-สำหรับการนำไฟฟ้าและความต้านทานการกัดกร่อน

รายการตรวจสอบการเลือกและการออกแบบ

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: ทองแดงดีกว่าอลูมิเนียมสำหรับแผงระบายความร้อนหรือไม่
ทองแดงนำความร้อนได้ดีกว่าอะลูมิเนียมอัดขึ้นรูปประมาณสองเท่า และอะลูมิเนียมหล่อ-ประมาณสี่เท่า แต่มีความหนาแน่นมากกว่าและมีราคาแพงกว่าประมาณ 3.3 เท่า ดังนั้นตัวเลือกจึงขึ้นอยู่กับฟลักซ์ความร้อนและงบประมาณน้ำหนัก

ถาม: ค่าการนำความร้อนของแผงระบายความร้อนทองแดงเป็นเท่าใด
เกรดทองแดงบริสุทธิ์ เช่น C11000 จะมีค่าประมาณ 385 ถึง 400 W/(mK) ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเป็นตัวเลขที่การชุบหรือส่วนเชื่อมต่อแบบเชื่อมอาจลดลงในการให้บริการ

ถาม: ทองแดงกัดกร่อนในระบบทำความเย็นหรือไม่?
ทองแดงต้านทานน้ำจืดและน้ำทะเลได้ดี และก่อตัวเป็นออกไซด์ป้องกัน แต่จะถูกโจมตีโดยแอมโมเนีย กรดออกซิไดซ์ และสภาพแวดล้อมที่เป็นซัลไฟด์ และจะต้องหุ้มฉนวนจากอะลูมิเนียมเมื่อใช้งานแบบเปียก

ถาม: สามารถใช้ทองแดงและอลูมิเนียมในแผงระบายความร้อนเดียวกันได้หรือไม่
ใช่ และการใช้ร่วมกันนั้นเป็นเรื่องปกติ แต่ข้อต่อจะต้องได้รับการชุบ หุ้มฉนวน หรือเก็บไว้ให้แห้ง ไม่เช่นนั้นการกัดกร่อนของกัลวานิกจะโจมตีอะลูมิเนียมที่จุดสัมผัส

ถาม: เกรดทองแดงใดบ้างที่ใช้สำหรับแผงระบายความร้อนและท่อทำความเย็น
C11000 และ C10200 สำหรับเพลตและครีบสต็อก และ C12200 หรือเกรดทองแดง-นิกเกิล เช่น C70600 สำหรับท่อที่ใช้จัดการน้ำ คอนเดนเสท หรือน้ำทะเล

ถาม: แผงระบายความร้อนทองแดงผลิตขึ้นมาได้อย่างไร?
เส้นทางปกติคือการอัดขึ้นรูปและการรีดแผ่นสำหรับโปรไฟล์แบบครีบ การบัดกรีแข็งหรือการบัดกรีแบบรีโฟลว์สำหรับการประกอบแบบยึดติด และการรีดเย็นหรือการรีดสำหรับแถบ ท่อ และส่วนประกอบเครื่องกระจายความร้อน