강제 공랭용 방열판 설계: 덕트와 바이패스
간단한 답변: 강제 공랭 시스템에서 핀 스택은 통과하는 공기만 냉각합니다. 팬 공기의 40%가 방열판 위나 주변으로 바이패스되면, 압출 프로파일이 아무리 좋아도 대류 용량의 약 40%를 잃게 됩니다. 덕트를 먼저 설계하고 그다음 핀을 설계하십시오: 핀 팁을 1–2 mm 이내로 밀봉하는 덕트를 목표로 하고, 바이패스 누출을 전체 유량의 약 10% 이하로 유지하며, 핀 밀도를 조정하여 면 속도가 3–6 m/s 범위에 머물도록 하십시오. BQUQ는 중국 동관의 ISO9001 공장에서 이 방열판을 가공 및 압출하며 12 근무 시간 내에 견적을 제공합니다.
바이패스 공기가 방열판 성능을 조용히 파괴하는 이유는 무엇입니까?
방열판은 열 장치이기 전에 유동 장치입니다. 방열판이 제거하는 모든 와트는 핀 표면에 물리적으로 닿는 공기 질량에 의해 운반되어야 합니다. 물과 마찬가지로 공기는 저항이 가장 적은 경로를 택합니다. 그리고 플레넘에 놓인 노출된 핀 스택은 위쪽 열린 공간에 비해 저항이 큰 경로입니다.
이것이 바이패스 문제입니다. 일반적인 인클로저에서 팬은 챔버에 압력을 가합니다. 공기는 핀 사이로 빠져나가거나(유용함), 핀 팁 위, 측면 주변, 또는 방열판 베이스와 PCB 사이의 틈으로 흘러넘칠 수 있습니다(무용함). 이 두 흐름 사이의 비율은 거의 전적으로 기하학적 구조에 의해 결정되며 팬 출력에 의존하지 않습니다. 팬 속도를 두 배로 높이면 두 흐름이 비례적으로 증가하므로 유용한 공기의 비율은 거의 변하지 않습니다.
실제로 엔지니어들은 이를 완고한 온도 정체로 경험합니다. 더 강력한 팬으로 교체하면 소음이 증가하고 케이스 온도는 몇 도 떨어지지만 접합부 온도는 움직이지 않습니다. 압출 프로파일이 병목이 아닙니다. 공기 경로가 병목입니다.
해결책은 더 조밀한 핀 스택이 아닙니다. 열린 플레넘을 채널로 바꾸어 핀을 통과하는 압력 강하가 공기에 이용 가능한 유일한 경로가 되도록 하는 덕트입니다.
실제로 핀에 도달하는 공기는 얼마나 됩니까?
금속을 절단하기 전에 이를 추정할 수 있습니다. 유용한 지표는 면 속도, 즉 핀 채널로 들어가는 공기의 평균 속도이며 팬의 자유 토출 정격이 아닙니다.
| 팬 공칭 풍량 | 개방형 플레넘, 덕트 없음 | 느슨한 슈라우드, 5 mm 간격 | 밀봉된 덕트, ≤1 mm 간격 |
|---|---|---|---|
| 20 CFM | 핀 통과 ~45% | 핀 통과 ~70% | 핀 통과 ~92% |
| 50 CFM | 핀 통과 ~40% | 핀 통과 ~68% | 핀 통과 ~90% |
| 100 CFM | 핀 통과 ~35% | 핀 통과 ~65% | 핀 통과 ~88% |
수치는 120 mm 인클로저 내 40 × 40 mm 핀 스택에 대한 일반적이고 지표적인 값입니다. 자체 케이스를 측정하십시오. 중요한 것은 추세입니다. 팬이 클수록 개방형 플레넘의 성능이 더 나빠집니다. 바이패스 경로가 핀 채널 용량보다 빠르게 커지기 때문입니다.
2차 효과도 중요합니다. 바이패스 공기는 단지 낭비되는 것이 아니라 단락됩니다. 뜨거운 배기를 다시 흡입 영역으로 재순환시켜 핀이 보는 입구 공기 온도를 높입니다. 국부 주변 온도가 5 °C 상승하면 접합부에서 약 5 °C의 손실이 발생하며, 이는 종종 전체 열 마진에 해당합니다.
생산에서 견딜 수 있는 덕트 규칙
전체 방열판이 아닌 핀 팁을 밀봉하십시오
가장 가치 있는 덕트 기능은 핀 팁에 닿거나 거의 닿는 슈라우드입니다. 1–2 mm 팁 간극은 합리적인 생산 목표입니다. 누출을 억제할 만큼 충분히 좁고 압출 공차, 아노다이징 두께 및 조립 누적을 견딜 만큼 충분히 느슨합니다. 1 mm 미만에서는 스크랩과 재작업 비용을 지불하기 시작합니다.
출구뿐만 아니라 입구도 덕트로 처리하십시오
많은 설계가 배기 측만 슈라우드합니다. 그러면 입구는 여전히 저항이 낮은 플레넘에서 공기를 끌어옵니다. 전체 입구-출구 덕트(종종 단일 성형 또는 스탬핑 쉘)는 동일한 재료 비용으로 배기 전용 슈라우드보다 약 두 배 더 효과적입니다.
덕트 단면을 일정하게 유지하십시오
핀 앞에서 좁아지는 덕트는 속도를 높이지만 압력 강하도 높여 팬이 더 적은 공기를 이동시킵니다. 대부분의 축류 팬의 경우 짧은 둥근 입구 벨이 있는 일정 면적 덕트가 더 나은 절충안입니다. 정압을 훨씬 잘 처리하는 블로어에는 수렴 덕트를 사용하십시오.
팬의 사각지대를 존중하십시오
축류 팬에는 저속 허브 영역과 모서리 손실이 있습니다. 덕트 입구가 팬에 직접 닿으면 허브 그림자가 핀 스택 중앙에 떨어집니다. 방열판을 오프셋하거나 5–10 mm의 짧은 플레넘 간격을 추가하거나 중앙 핀이 더 뜨겁게 작동한다는 것을 받아들이고 베이스 두께를 그에 맞게 설계하십시오.
핀 밀도, 압력 강하 및 바이패스 절충
핀 밀도는 덕트와 열 설계가 만나는 지점입니다. 촘촘한 핀은 표면적을 증가시키지만 압력 강하도 증가시켜 더 많은 공기를 바이패스 경로로 밀어냅니다. 덕트가 밀봉되지 않은 경우 특히 그렇습니다.
| 핀 피치 | 40 mm당 핀 수 | 일반적인 면 속도 | 압력 강하 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 mm | 20 | 3–6 m/s | 낮음 | 관대함; 약한 팬에 적합 |
| 1.5 mm | 26 | 3–5 m/s | 보통 | 덕트 방열판의 일반적인 최적점 |
| 1.0 mm | 40 | 2–4 m/s | 높음 | 밀봉된 덕트와 압력 성능이 있는 팬 필요 |
| 0.6 mm | 66 | 1.5–3 m/s | 매우 높음 | 스카이빙 또는 접합 핀; 블로어 영역 |
값은 25–40 mm 높이의 알루미늄 핀에 대한 지표입니다. 경험 법칙: 핀 피치가 좁아질수록 팬뿐만 아니라 덕트도 더 좋아져야 합니다. 개방형 플레넘의 1.0 mm 피치 압출은 밀봉된 덕트의 2.0 mm 피치 압출보다 더 높은 비용으로 자주 성능이 떨어집니다.
핀 기술을 전환해야 하는 시기
압출 프로파일은 약 1.0–1.5 mm까지의 피치를 잘 처리하며 대량 생산 시 단위당 가장 저렴합니다. 그 이하에서는 압출 다이가 취약해지고 수율이 떨어집니다. 그 시점에서 스카이빙 또는 접합 핀 구조 또는 고플럭스 장치용 베이퍼 챔버 베이스를 고려하십시오. 피치보다 예산이 제약 조건이라면 열 마진을 잃지 않고 비용 절감에 대한 우리의 노트에서 재료를 안전하게 제거할 수 있는 부분을 다룹니다.
실제 예: 150 W 전원 공급 모듈
60 × 60 mm 풋프린트, 40 CFM의 80 mm 축류 팬, 목표 케이스-주변 온도 상승 25 °C인 150 W 모듈을 고려하십시오.
1. 기준선, 덕트 없음. 공기 흐름의 약 40%가 핀을 통과합니다. 유효 유량 ≈ 16 CFM. 측정된 상승은 약 38 °C로 예산을 초과합니다.
2. 밀봉된 슈라우드 추가. 유효 유량이 약 36 CFM으로 상승합니다. 상승은 약 24 °C로 떨어집니다. 압출 프로파일은 변경되지 않습니다.
3. 그런 다음 압출 프로파일을 최적화합니다. 덕트가 설치된 상태에서 피치를 2.0 mm에서 1.5 mm로 좁히고 핀 높이를 8 mm 추가하면 추가 압력 강하가 더 이상 공기를 바이패스 경로로 밀어내지 않으므로 3–4 °C를 더 얻습니다.
교훈은 일반화됩니다: 덕트 먼저, 압출 나중. 순서를 바꾸는 팀은 잘못된 문제를 해결하기 위해 툴링 비용을 지출합니다. 이 패턴은 인클로저 형상이 일반적으로 열 결과를 지배하는 전원 공급 및 산업용 모듈 냉각에서 반복적으로 나타납니다.
덕트 맞춤에 영향을 미치는 제조 공차
덕트는 밀봉하는 부품이 치수적으로 예측 가능한 경우에만 작동합니다.
| 특징 | 일반적인 공차 | 중요한 이유 |
|---|---|---|
| 핀 팁 평탄도 | ±0.10 mm | 달성 가능한 팁 간극 결정 |
| 베이스 평탄도 | ±0.05 mm | 장치 또는 TIM과의 접촉 |
| 핀 피치 | ±0.05 mm | 스택 전체의 공기 흐름 분포 |
| 장착 구멍 위치 | ±0.10 mm | 덕트 및 팬 정렬 |
| 전체 높이 | ±0.15 mm | 덕트 천장 간극 |
BQUQ는 인터페이스가 요구하는 CNC 가공 특징에서 ±0.005 mm를 유지하고 다른 곳에서는 표준 압출 공차를 적용합니다. 요점은 덕트가 실제로 밀봉되는 곳에만 엄격한 공차를 지정하는 것입니다. 200 mm 압출 전체에 걸쳐 핀 팁에 과도한 공차를 적용하면 열적 이득 없이 비용이 추가됩니다. 우리의 CNC 가공 방열판은 가공 인터페이스 사례를 다루고, 압출 프로파일은 핀 필드를 처리합니다.
덕트 방열판의 재료 및 마감 선택
공기 흐름이 제어되면 재료 선택은 간단해집니다. 알루미늄 압출은 덕트 강제 공랭 방열판의 기본입니다: 가볍고 저렴하며 베이스에서 50 W/cm² 미만의 대부분 플럭스 밀도에 적합합니다. 구리 베이스 또는 구리 인서트는 열원이 작고 집중된 경우 도움이 됩니다. 확산 저항이 대류가 아니라 한계이기 때문입니다.
아노다이징은 방사율을 약간 개선하는 얇은 산화물 층을 추가하지만 덕트 강제 대류 경로에서는 의미 있는 효과가 없습니다. 검정 아노다이징은 일반적으로 열적 이득이 아니라 외관 또는 내식성을 위해 지정됩니다. 마감 결정을 공기 흐름 결정과 분리하십시오.
FAQ
Q: 강제 공랭 방열판에서 허용 가능한 바이패스는 얼마입니까?
A: 잘 작동하는 설계의 경우 바이패스 누출을 전체 팬 유량의 약 10% 이하로 유지하십시오. 20% 이상에서는 핀 스택이 팬과 사실상 분리되어 공기 흐름을 추가해도 거의 이득이 없습니다. 방열판 전체의 입구 및 출구 공기 온도를 비교하여 측정하십시오: 델타가 작으면 대부분의 공기가 통과하지 않고 우회하고 있음을 의미합니다.
Q: 덕트가 항상 냉각을 개선합니까?
A: 아닙니다. 덕트는 압력 강하를 추가하므로 약한 팬은 전체적으로 눈에 띄게 더 적은 공기를 이동시킬 수 있습니다. 덕트는 팬에 정압 여유가 있고 플레넘이 핀 스택에 비해 클 때 효과가 있습니다. 팬이 이미 압력 한계에 도달했다면 덜 제한적인 핀 피치가 더 나은 첫 번째 조치입니다.
Q: 강제 공랭에 대해 어떤 핀 피치로 시작해야 합니까?
A: 덕트 설계의 경우 1.5 mm 피치, 덕트가 없거나 느슨하게 슈라우드된 경우 2.0 mm로 시작하십시오. 이는 일반적인 시작점이며 규칙이 아닙니다. 그런 다음 면 속도를 측정하고 반복하십시오. 1.0 mm 미만의 더 좁은 피치는 일반적으로 밀봉된 덕트와 축류 팬이 아닌 블로어가 필요합니다.
Q: 툴링 대신 덕트를 3D 프린팅할 수 있습니까?
A: 프로토타입 및 소량 생산에는 가능하며 팁 간극과 입구 형상을 검증하는 빠른 방법입니다. 생산의 경우 성형 플라스틱 또는 스탬핑 판금이 일반적으로 비용과 치수 반복성에서 우수합니다. 프린트된 덕트는 뜨거운 배기 영역 근처에서 크리프 또는 뒤틀림이 발생할 수 있으므로 온도에서 검증하십시오.
Q: 문제가 덕트인지 방열판인지 어떻게 알 수 있습니까?
A: 한 가지 테스트를 실행하십시오: 테이프나 폼으로 핀 팁을 임시로 밀봉하고 다시 측정하십시오. 온도가 급격히 떨어지면 문제는 바이패스이며 덕트가 해결책입니다. 온도가 거의 움직이지 않으면 핀 스택, 베이스 확산 또는 인터페이스 재료가 제한 요소입니다.
관련 자료
- BQUQ 및 동관 공장 소개: /about/
- 전체 방열판 제품 범위: /heat-sinks/
- 압출 알루미늄 방열판 프로파일: /extruded-heat-sinks/
- 열 관리 산업 동향: /industry-dynamics/
- 기술 기사 및 설계 가이드: /bquq-blog/
- 사례 연구: /case/
- 엔지니어링 팀 문의: /contact/
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