Выбор материала теплообменника на основе общих критериев

Определите наиболее важные критерии вашего применения при выборе материала для вашего теплообменника.

• Конструкция оборудования
• Теплообменники

При выборе материала для кожухотрубного теплообменника необходимо учитывать так много факторов, что у вас может возникнуть множество вопросов. Для начала вам нужно решить, какие критерии наиболее важны для вашей работы. Критерии как:

• тепловой КПД
• стоимость
• наличие
• коррозионная стойкость
• очищаемость
• долговечность

Затем вы можете взвесить все «за» и «против» вариантов, которые лучше всего соответствуют вашим приоритетам, поскольку обычно существует более одной хорошей альтернативы. Например, лучший материал для теплопередачи может быть недостаточно гигиеничным для вашего применения; или самый устойчивый к коррозии вариант может значительно превысить ваш бюджет. В большинстве случаев существует вариант материала теплообменника, который может сбалансировать большинство ваших приоритетов.

Вот несколько советов и предложений по оценке вариантов материалов теплообменника на основе этих общих критериев.

Тепловая эффективность

Поскольку целью кожухотрубного теплообменника является передача как можно большего количества тепла между продуктом (обычно в трубах) и рабочей жидкостью (обычно в кожухе), теплопроводность материала труб является ключевым фактором. Основываясь на сравнении теплового моделирования с использованием программного обеспечения HTRI, медь и медь/никель, как правило, являются наиболее проводящими материалами, доступными для труб теплообменника. Углеродистая сталь, нержавеющая сталь и более высокие сплавы немного менее эффективны, но все они работают одинаково. Пластмассы, графитовые композиты и керамика являются наименее проводящими материалами.

Тепловые характеристики также можно улучшить за счет модификации труб, например, гофрирования, добавления внешних ребер к трубам или добавления турбулизаторов из скрученной ленты внутрь труб. Однако, поскольку тепловые характеристики металлов очень схожи, это обычно не является приоритетным фактором при выборе материала теплообменника.

Стоимость и доступность

U-образный охладитель воды, изготовленный из трубок Duplex 2205 – аустенитно-ферритной нержавеющей стали, устойчивой к коррозии под воздействием хлоридов.

Цены и доступность материалов могут колебаться в зависимости от спроса и предложения на рынке, количества, необходимого для вашего теплообменника, и необходимых компонентов. Несколько лет назад медь была дешевым вариантом, но теперь из-за предложения она дороже, чем нержавеющая сталь. Наоборот, титан раньше был одним из самых дорогих сплавов, но теперь он более доступен по цене. Как правило, чем больше содержание никеля в металле, тем выше цена.

Вот относительный рейтинг некоторых распространенных вариантов металлических материалов по цене от самой высокой до самой низкой:

1. САМЫЙ ДОРОГОЙ: Никель 200 , также известный как UNS N02200, представляет собой коммерчески чистый никелевый сплав. Это один из наиболее широко используемых никелевых сплавов благодаря отличным механическим свойствам и высокой коррозионной стойкости. Никель 200 состоит из 99,6% чистого никеля с небольшим количеством примесей, таких как железо, медь и марганец.

2. Сплав 625 , также известный как Inconel 625, представляет собой суперсплав на основе никеля, известный своей превосходной прочностью, коррозионной стойкостью и характеристиками при высоких температурах. Он состоит в основном из никеля со значительным количеством хрома и молибдена, а также с небольшими добавками ниобия, железа и других элементов. Сплав 625 широко используется в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, химическую, нефтегазовую и морскую.

3. Монель 400 представляет собой сплав никеля и меди, известный своей превосходной коррозионной стойкостью в различных средах. Он состоит примерно из 67% никеля и 30% меди с небольшими количествами железа, марганца, углерода и кремния. Monel 400 обладает высокой устойчивостью к агрессивным веществам, таким как кислоты, щелочные растворы и соленая вода. Он часто используется в тех случаях, когда необходима устойчивость к коррозии, эрозии и высоким температурам.

4. Хастеллой C22 — сплав никель-хром-молибден, известный своей исключительной коррозионной стойкостью в широком диапазоне агрессивных сред. Hastelloy C22 особенно устойчив к точечной, щелевой коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. Hastelloy C22 часто выбирают для химической обработки и переработки отходов.

5. Hastelloy C-276 представляет собой никель-молибден-хромовый сплав, известный своей коррозионной стойкостью и высокими эксплуатационными характеристиками. Подобно Hastelloy C22, Hastelloy C-276 имеет более низкое содержание хрома, более легкую свариваемость и несколько более высокие верхние пределы температуры. Hastelloy C-276 используется в различных отраслях промышленности, включая химическую переработку, борьбу с загрязнением, производство целлюлозы и бумаги и нефтехимию.

6. Дуплекс 2507 — это супердуплексный сплав из нержавеющей стали, обладающий превосходной прочностью, коррозионной стойкостью и долговечностью. Это часть семейства дуплексных нержавеющих сталей, которые сочетают в себе желаемые свойства как аустенитных, так и ферритных нержавеющих сталей. Duplex 2507 характеризуется высоким содержанием хрома, молибдена и азота, что обеспечивает превосходную устойчивость к коррозии и высокую механическую прочность.

7. AL6XN — это высокоэффективный сплав аустенитной нержавеющей стали, обладающий исключительной коррозионной стойкостью и механическими свойствами. Он специально разработан для работы в высококоррозионных средах, включая среду с высоким содержанием хлоридов, кислоты и морскую воду. AL6XN известен своей универсальностью, что делает его пригодным для различных применений в таких отраслях, как химическая, целлюлозно-бумажная, нефтегазовая и опреснение.

8. Титан — легкий металл, известный своей высокой прочностью, низкой плотностью и отличной коррозионной стойкостью. Благодаря уникальному сочетанию свойств титан широко используется в различных отраслях промышленности.

9. Дуплекс 2205 представляет собой сплав нержавеющей стали с комбинацией аустенитной и ферритной микроструктуры, известной как дуплексная структура. Он обладает превосходной прочностью, коррозионной стойкостью и долговечностью, что делает его пригодным для широкого спектра применений. Duplex 2205 очень популярен в таких отраслях, как нефтегазовая, химическая, морская и целлюлозно-бумажная.

10. Нержавеющая сталь 316L — широко используемая марка нержавеющей стали, известная своей коррозионной стойкостью, высокой прочностью и универсальностью. Это аустенитный сплав нержавеющей стали с низким содержанием углерода, что делает его пригодным для различных применений, где важна устойчивость к агрессивным средам. Он широко используется в судостроении, химической промышленности, молочных продуктах и ​​фармацевтике.

10. Нержавеющая сталь 304L – это широко используемый сорт нержавеющей стали, известный своей коррозионной стойкостью, универсальностью и простотой изготовления. Это аустенитный сплав нержавеющей стали с низким содержанием углерода, что повышает ее свариваемость и снижает риск чувствительности к межкристаллитной коррозии. По сравнению с 316L SS, 304L SS не содержит молибдена и менее устойчива к коррозии, вызванной хлоридами. Он подходит для общего применения, не требующего повышенной коррозионной стойкости, характерной для нержавеющей стали 316L.

12. НАИМЕНЕЕ ДОРОГО: Углеродистая сталь — это тип стали, который в основном состоит из железа и углерода, а другие элементы присутствуют в меньших количествах. Это один из наиболее часто используемых материалов в обрабатывающей и строительной отраслях благодаря своей доступности, прочности и универсальности.

Как правило, более дорогие сплавы также находятся в дефиците из-за более низкого спроса и более высоких затрат на хранение запасов. Это напрямую влияет на срок службы этих материалов, часто в 2-4 раза больше, чем у более распространенных сплавов, таких как углеродистая сталь и нержавеющая сталь. Количество этих высших сплавов также может сильно повлиять на цену. Сталелитейные заводы, как правило, не выпускают небольшие партии труб или толстого листа, а в противном случае они будут взимать плату за весь цикл производства.

Сторона кожуха и сторона трубы могут быть выполнены из комбинации материалов

Сторона кожуха и сторона трубы теплообменника могут быть изготовлены из различных конструкционных материалов. Обычно используется более устойчивый к коррозии и/или гигиенический сплав для стороны продукта устройства, а сплав более низкого качества для вспомогательной стороны теплообменника.

Если выбран материал из более высокого сплава, более экономично использовать его на трубной стороне устройства, а не на корпусной. Однако имейте в виду, что для труб бесшовные трубы почти в два раза дороже сварных труб, поэтому это также следует учитывать. Например, вы можете обнаружить, что бесшовные трубы из нержавеющей стали 316L стоят дороже, чем сварные трубы Duplex 2205.

Обычные детали, такие как фитинги, подвержены колебаниям с меньшей вероятностью, чем исходные материалы, такие как пластины, трубы и поковки. Существуют способы снижения затрат при использовании компонентов из более высоколегированных сплавов. Рассмотрите фланцы с соединением внахлестку, где патрубок, контактирующий с продуктом (укороченный конец), изготовлен из высоколегированного сплава, а фланец — из нержавеющей или углеродистой стали. Они также облегчают установку, обеспечивая совмещение болтов с существующими сопряженными трубопроводами или оборудованием. Более крупные детали, такие как трубные решетки, фланцевые кольца и крышки каналов, часто могут быть изготовлены из основного материала с более низким содержанием сплава, который для снижения стоимости плакирован более тонким слоем высоколегированного сплава.

Ресурсы поставщиков

Другим фактором, который следует учитывать при оценке различных сплавов, является количество поставщиков, работающих с этими материалами, поскольку это может повлиять на стоимость и доставку. Есть много производителей, которые изготавливают теплообменники из углеродистой стали и меди, поэтому конкуренция высока, цены низкие, а сроки изготовления, как правило, короткие. Меньше поставщиков работает со сплавами от 304/304L SS до серии Incoloy, но их достаточно, чтобы цены и сроки поставки были разумными. Изготовители должны иметь процедуры сварки этих сплавов в соответствии с ASME, чтобы обеспечить сосуды под давлением, такие как кожухотрубные теплообменники, которые классифицируются как сосуды под давлением, зарегистрированные Национальным советом. Не у всех производителей есть эти процедуры для всех материалов, поэтому разумно проверить возможности предпочитаемого вами производителя при рассмотрении вариантов сплава.

Поскольку для производства титана, циркония и тантала требуются специально контролируемые условия окружающей среды, возможности поставщиков более ограничены. Эта специальная ниша может быть дорогой из-за более длительных сроков изготовления, поэтому эти материалы обычно используются только тогда, когда приложения требуют не меньшего.

Развеять миф о том, что углеродистая сталь дешевле: Для большинства малых и средних теплообменников диаметром до 24 дюймов может быть дешевле модернизировать кожухи из углеродистой стали до выбора материала из нержавеющей стали 304. Хотя стоимость материала из расчета на фут из нержавеющей стали немного выше, нержавеющая сталь исключает трудозатраты на грунтовку и покраску снаружи, что обычно компенсирует разницу в стоимости материала. Это, в сочетании с меньшими затратами на техническое обслуживание и повышенной долговечностью, делает нержавеющую сталь более выгодной в долгосрочной перспективе.

Коррозионная стойкость

Эта пара пленочных испарителей, изготовленных по специальному заказу, была создана для обработки конопли. Их прямые трубы из нержавеющей стали 304L были подвергнуты светлому отжигу для уменьшения окисления поверхности.

Если коррозионная стойкость имеет решающее значение для вашего применения, лучше всего проконсультироваться с металлургом, чтобы обсудить условия эксплуатации и запросить его рекомендации. В штате большинства авторитетных поставщиков высоколегированных сплавов есть металлурги. Rolled Alloys зарекомендовал себя как хороший ресурс: ответы и рекомендации предоставляются в течение 24 часов. Таблицы коррозионной стойкости также могут быть полезны для менее критичных применений, где концентрация коррозионно-активных элементов невелика.

Многие люди не знают, что углеродистая сталь не только сама по себе вызывает коррозию, но и может перекрестно загрязнять нержавеющие и более высокие сплавы и вызывать их ржавчину, поэтому в магазине Enerquip в Медфорде, штат Висконсин, нет углерода на 100 %. По этой же причине не рекомендуется использовать обычную стальную вату для чистки раковин из нержавеющей стали и столового серебра, так как это вызовет появление румян. Тот же эффект можно увидеть в теплообменниках, содержащих детали из углеродистой стали. Ржавчина на деталях из углеродистой стали воздействует на детали вашего оборудования из более высокопрочных сплавов, что может привести к преждевременному выходу из строя. Однако бывают случаи, когда углеродистая сталь обеспечивает лучшую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, чем нержавеющая сталь, поэтому при выборе материала необходимо сопоставлять риски коррозии от ржавчины и коррозионного растрескивания под напряжением. Оборудование Enerquip из углеродистой стали с гордостью производится в Беггсе, штат Оклахома.

Медь и CuNi обладают умеренной коррозионной стойкостью, но склонны легко обесцвечиваться и образовывать накипь. Эти более мягкие материалы обычно используются для кожухотрубных теплообменников в коммунальных службах, где негигиеничный материал труб и корпуса из углеродистой стали не создают проблемы загрязнения продукта.

Нержавеющая сталь стала очень распространенным материалом для теплообменников с низкой и средней коррозионной стойкостью. Поскольку нержавеющая сталь 316L более устойчива к коррозии, чем нержавеющая сталь 304L, ее часто выбирают для трубной части теплообменника, а корпус изготавливается из нержавеющей стали 304L. Если требуется дополнительная коррозионная стойкость, то рассматривается нержавеющая серия Duplex (2101, 2205 или 2507). Далее по лестнице коррозионной стойкости за AL6XN следуют сплавы Hastelloy C-276, C22 и C2000. Для более высокой коррозионной стойкости рассматриваются монель 400 и сплав 625, прежде чем оценивать экстремальную коррозионную стойкость титана, циркония и тантала. Примечание. Каждый сплав имеет определенный уровень устойчивости к определенным химическим веществам или растворам, поэтому лучше проконсультироваться с металлургом в процессе выбора, чтобы согласовать ваш процесс с подходящим материалом.

Очищаемость

Если простота обслуживания и целостность качества вашей продукции являются первоочередными задачами, то следует выбирать материалы, которые легче чистить и обслуживать. Материалы должны выдерживать предпочтительный режим очистки – будь то химическая, механическая или ультразвуковая очистка (или их комбинация). Кислоты, щелочи и хлориды обычно используются в чистящих растворах, но могут быть вредны для металлов в более высоких концентрациях или при повышенных температурах. После того, как вы определитесь с конструкционным материалом, компании, поставляющие эти чистящие химикаты, такие как Ecolab или AFCO, могут предоставить рекомендации по подходящим концентрациям.

Санитарно-технические изделия требуют нержавеющей стали

В санитарно-гигиенических отраслях, таких как пищевая, молочная, фармацевтическая и каннабисная, поверхности, контактирующие с продуктом, должны быть изготовлены из нержавеющей стали или сплава более высокого качества и подлежат очистке в соответствии со строгими директивами, такими как FDA, ASME BPE или санитарный стандарт 3-A. Поскольку отделка поверхности материала влияет на его очищаемость, в этих отраслях промышленности требуется полировка поверхностей, контактирующих с продуктом, до определенного Ra (средняя шероховатость) для пищевых продуктов, напитков и молочных продуктов, а также для фармацевтических применений.

В некоторых областях фармацевтики также требуется электрополировка, при которой удаляется очень тонкий слой материала, что еще больше облегчает очистку. Более гладкие поверхности материала также препятствуют образованию отложений и накипи как на стороне продукта, так и на стороне теплообменника. Поэтому многие компании избегают использования углеродистой стали и меди, которые могут становиться более пористыми по мере коррозии, способствуя образованию накипи и загрязнению.

Долговечность

В ситуациях, когда долговечность не имеет большого значения, могут подойти недорогие теплообменники каталожного типа, изготовленные из меди и углеродистой стали. Многие системы HVAC попадают в эту категорию, где замена деталей время от времени является нормальной и приемлемой. Однако на производственных объектах, где технологическое оборудование постоянно работает на пределе своих возможностей, долговечность имеет гораздо большее значение. Отказы оборудования могут привести к загрязнению продукта, остановке производства и даже стать опасными.

Важно, чтобы материал, выбранный для вашего теплообменника, соответствовал требованиям Кодекса ASME и мог работать в течение длительного времени при расчетных давлениях и температурах вашего производства. Материалы должны выдерживать режим очистки и факторы окружающей среды, такие как влажность, пыль и экстремальные температуры.

В ситуациях, когда растворенные твердые частицы и высокие скорости в трубах могут негативно сказаться на деталях теплообменника, имеет смысл использовать материалы, устойчивые к эрозии. При проектировании теплообменников из углеродистой стали и меди нормы ASME требуют добавления припуска на коррозию к толщине материала. Это добавлено для учета ожидаемой коррозии и потери толщины материала с течением времени. Эти теплообменники могут также включать аноды, которые изнашиваются раньше, чем детали теплообменника. Их можно контролировать и периодически заменять. Когда вместо углеродистой стали и меди используются более высокие сплавы, эти допуски на коррозию больше не требуются, что приводит к более тонким и легким материалам в более прочном оборудовании. Нержавеющие и более высокие сплавы не требуют покраски для защиты их внешней отделки от коррозии, поэтому нет необходимости бороться с отслаиванием и отслаиванием краски, что сокращает время и затраты на техническое обслуживание.

Специалисты Enerquip будут рады помочь вам, предоставив варианты материалов для изготовления вашего кожухотрубного теплообменника. Мы работаем со многими сплавами и можем предоставить предложения и отзывы, чтобы помочь сузить выбор на основе приоритетов. В более уникальных случаях мы можем направить вас к заслуживающим доверия металлургам, которые помогут вам завершить выбор материала теплообменника.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше о индивидуальных теплообменниках Enerquip.

Еще из блога Enerquip

12 Методы управления температурным режимом печатных плат

Понимание методов управления температурным режимом и тепловых отверстий в печатных платах необходимо для сведения к минимуму проблем с нагревом и повышения тепловых характеристик.

В современной электронике используются компоненты высокой мощности, такие как высокопроизводительные процессоры, полевые МОП-транзисторы, мощные светодиоды, IGBT и т. д. Мы знаем, что в электронной промышленности наблюдается тенденция к уменьшению размеров этих компонентов, но это приводит к возникновению горячих точек. Высокие температуры в точках перегрева печатной платы могут привести к выходу устройства из строя. Следовательно, методы управления температурным режимом печатных плат должны применяться в печатных платах.

Тепловые характеристики являются одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при разработке электронных продуктов. Чтобы решить проблемы с нагревом, проектировщики печатных плат должны использовать методы, уменьшающие воздействие нагрева. Это означает, что разработчикам необходимо изучить методы охлаждения, используемые в электронных устройствах, и методы уменьшения внутреннего рассеивания тепла.

В этом сообщении блога мы обсудим следующие темы:

Что такое терморегулирование печатных плат и тепловое моделирование?

Тепловое моделирование является важным инструментом, который используется для проведения анализа тепловых отказов. Это дает разработчикам хорошее представление о различных тепловых проблемах, связанных с их схемотехникой. Кроме того, это помогает в выборе правильных методов охлаждения и методов проектирования печатных плат.

Разработчики печатных плат могут определить оптимальную конструкцию и расположение различных компонентов в топологии с помощью подходящего программного обеспечения для моделирования. Тепловое моделирование позволяет разработчику эффективно определить следующие аспекты: схему теплового потока, конструкцию радиатора и методы охлаждения активных устройств.

Здесь мы упомянули несколько методов управления температурным режимом печатной платы для снижения нагрева вашей печатной платы.

12 Методы терморегулирования печатных плат для уменьшения нагрева печатных плат

Выявление горячих точек и сильноточных дорожек

Для изготовления термостойких печатных плат необходимо изучить тепловые эффекты на этапе проектирования. Первым шагом в тепловом проектировании является определение горячих точек. Для поиска горячих точек используются методы теплового моделирования или теплового моделирования. Кроме того, наряду с этим необходимо проводить анализ тока, поскольку сильноточные трассы вызывают тепловыделение.

Правильное геометрическое расположение компонентов и сильноточных дорожек обеспечивает равномерное распределение тепла. Сильноточные дорожки должны быть проложены вдали от термочувствительных компонентов, таких как датчики и операционные усилители.

Толщина и ширина медных дорожек

Ширина дорожек

Толщина и ширина медных контактных площадок или дорожек играют важную роль в тепловом расчете печатной платы. Толщина медной дорожки должна быть достаточной, чтобы обеспечить путь с низким импедансом для тока, проходящего через нее. Это связано с тем, что сопротивление медных дорожек и переходных отверстий приводит к значительным потерям мощности и выделению тепла, особенно при высокой плотности тока. Поэтому рекомендуется достаточная ширина и толщина дорожки для снижения тепловыделения.

Конструкция контактных площадок для терморегуляции печатных плат

Медные контактные площадки

• Толщина контактных площадок, как и толщина дорожек, также важна. Тепло рассеивается непосредственно к верхнему медному слою. Следовательно, верхняя медная прокладка должна иметь достаточную толщину и площадь для обеспечения достаточного отвода тепла.
• Если в конструкции печатной платы есть радиаторы, они обычно устанавливаются на нижней медной площадке. Тогда нижние медные прокладки должны иметь достаточное покрытие, чтобы обеспечить оптимальную передачу тепла на радиатор.
• Выводы компонентов припаяны к печатной плате и поддерживаются контактными площадками. Компонент напрямую соединен с контактной площадкой, что приводит к очень низкому тепловому сопротивлению печатной платы. На печатной плате используется специальная сварочная прокладка, которая представляет собой термопрокладку. Эта площадка соединена только тонкими перемычками с медью, окружающей заливку.
• Паяльная паста, используемая для соединения посадочного места компонента с термопрокладкой, должна быть минимальной. Слишком большое количество паяльной пасты под термопрокладками может привести к всплыванию компонентов в ванне с расплавленным припоем во время оплавления. Когда это происходит, пакет компонентов имеет тенденцию двигаться. Решение проблемы плавающих корпусов заключается в оптимизации объема паяльной пасты.

Размещение мощных компонентов на печатной плате

Мощные компоненты на печатной плате

Для лучшего рассеивания тепла такие мощные компоненты, как процессоры и микроконтроллеры, следует размещать в центре печатной платы. Если рядом с краем платы установлен мощный компонент, он будет аккумулировать тепло на краю и повышать местную температуру. Но если устройство разместить в центре доски, тепло будет рассеиваться по поверхности во всех направлениях. Таким образом, температура поверхности печатной платы будет ниже и легко рассеивается.

Кроме того, убедитесь, что компоненты высокой мощности размещены вдали от чувствительных устройств, и соблюдайте надлежащее расстояние между двумя мощными устройствами. Старайтесь размещать мощные компоненты равномерно по печатной плате.

Тепловые переходы для отвода тепла в печатных платах

Тепловые переходы — это самый простой способ рассеивания тепла в печатных платах. Прежде чем двигаться дальше, давайте узнаем о термическом сопротивлении. Термическое сопротивление — это количественная характеристика препятствия, которое сопротивляется потоку тепла через проводник. Он равен разности температур между двумя точками на замкнутой поверхности, деленной на общий тепловой поток.

Термическое сопротивление, Rth = T1 – T2/ Тепловой поток (P)       = Разность температур (ΔT) / Тепловой поток (P) 【℃/ Вт】

Из приведенного выше уравнения мы Можно сделать вывод, что чем выше сопротивление, тем жестче поток тепла, а также рассеивание. Более толстые материалы имеют меньшее сопротивление, чем более тонкие. Следовательно, более толстые материалы печатных плат с более низким сопротивлением могут рассеивать больше тепла.

Руководство по проектированию материалов печатных плат

9 глав — 30 страниц — 40 минут чтения

Для увеличения скорости рассеяния рекомендуется использовать тепловые переходы. Они представляют собой теплопроводящие металлические цилиндры, которые обеспечивают путь с низким тепловым сопротивлением от верхней части меди к нижней поверхности печатной платы. Эти сквозные отверстия встроены непосредственно под нагретыми компонентами, чтобы облегчить процесс рассеяния с использованием метода проводимости.

Структура теплового перехода

Не существует идеального метода проектирования теплового перехода. Однако общая структура теплового перехода описана ниже.

• Тепловой переход представляет собой сквозной контакт с увеличенной толщиной медного слоя.
• Переходные отверстия заполнены токопроводящей эпоксидной смолой и покрыты медью. Таким образом, заполненные и закрытые переходные отверстия будут работать как тепловые трубки для отвода тепла от горячих точек.
• Они запечатаны паяльной маской для обеспечения хорошей пайки прикрепленных к ним компонентов.

Тепловые переходные отверстия способствуют рассеиванию тепла в печатных платах

• Заполненные и закрытые переходные отверстия применяются в более толстых печатных платах (толщина > 0,7 мм ). Хотя экспериментальных результатов по диаметру тепловых отверстий нет, оптимальным является 0,3 мм .
• Чтобы сделать шаг вперед в области распределения тепла, установите медную прокладку под переходным тепловым переходом. Помните, площадь меди должна быть больше. В противном случае это окажет незначительное влияние на рассеивание тепла.

Размещение переходных отверстий в печатных платах

Обнаружение переходных отверстий и их размещение имеют решающее значение. Теплопроводность этих переходных отверстий выше, чем у FR4.

Размещение тепловых переходов на печатных платах

Вы должны знать, что каждый переход обладает индуктивностью. Интересным фактом является то, что если переходные отверстия расположены параллельно и соединены с заземляющей пластиной, то можно получить обратный путь с наименьшей индуктивностью при условии заземления нижнего проводника нагретых компонентов. Следовательно, ассимилируйте тепловые переходы в печатных платах как можно больше. Это обеспечит низкое термическое сопротивление и ускорит процесс теплопередачи. Количество тепловых отверстий под силовыми ИС и процессорами должно определяться разработчиками с учетом дальности рассеивания тепла и площади поверхности.

Если ваш бюджет не позволяет вам добавить больше переходных отверстий, увеличьте длину для заданного диаметра или выберите более широкие переходные отверстия.

Ограничения тепловых отверстий

• В основном требуется медная пластина, обеспечивающая лучшее рассеивание тепла.
• Воздействие ограничено определенной областью, где расположены переходы.

Преимущества тепловых отверстий в печатных платах

• Соответствует стандарту IPC-2152 по тепловым характеристикам.

См. советы по проектированию печатных плат для аэрокосмической промышленности для эффективного управления температурным режимом, чтобы изучить методы рассеивания тепла, реализованные в печатных платах космического класса.

Радиатор

Радиатор, подключенный к печатной плате

Радиатор — это способ охлаждения, при котором рассеянное тепло от компонентов печатной платы передается охлаждающей среде. Радиатор работает по принципу теплопроводности, согласно которому тепло передается из области с высоким термическим сопротивлением в область с низким термическим сопротивлением. Тепло также течет из областей с высокой температурой в области с низкой температурой, и величина теплового потока прямо пропорциональна разности температур. Радиатор отводит тепло от печатной платы к ребрам, которые обеспечивают большую площадь поверхности для более быстрого рассеивания тепла.

Разработчики могут выбрать радиатор, подходящий для их конструкции, исходя из нескольких факторов. Например, удельное тепловое сопротивление используемого материала, скорость охлаждающей жидкости внутри радиатора, используемый материал теплового интерфейса, количество ребер и расстояние между ребрами, используемый метод монтажа и т. д.

Интеграция тепловых труб

диаграмма рабочего процесса pipe

Тепловые трубки — это охлаждающие устройства, рекомендуемые для применения при более высоких температурах, например, в ракетах, спутниках и авионике. Тепловые трубки в основном доступны в полой цилиндрической форме, но для удобства их можно сделать любой формы.

Тепло, рассеиваемое различными устройствами, передается жидкости внутри тепловой трубки и испаряет жидкость. Испаренный жидкий конденсат на конце конденсатора возвращается в испаритель через структуру фитиля за счет капиллярного действия. Этот циклический процесс обеспечивает отвод рассеиваемого тепла от печатной платы.

Разработчики должны рассмотреть тепловую трубу, которая полностью закрывает источник тепла и должна иметь возможность изгибаться в соответствии с вашими требованиями к конструкции. Существует широкий спектр рабочих жидкостей для тепловых труб, от криогенов до жидких металлов. Выбор рабочей жидкости зависит от диапазона температур контура и химической совместимости жидкости с контейнером и фитилем тепловой трубы.

Более толстые печатные платы

Печатные платы большей толщины

Для небольших устройств такие методы охлаждения, как радиатор, тепловые трубки, охлаждающие вентиляторы, вообще не подходят. В таких случаях единственный выход — увеличить теплопроводность плиты и распределить вырабатываемое тепло. Толстые доски со сравнительно большей площадью поверхности могут быстро рассеивать тепло.

Теплопроводность печатной платы определяется на основе коэффициента теплового расширения (КТР) используемых материалов и их толщины. Разработчики должны уделить особое внимание выбору материала для каждого слоя в печатной плате. Когда коэффициент теплового расширения различных материалов, используемых в разных слоях, не соответствует друг другу, при повторяющихся термоциклах возникает усталость, снижающая теплопроводность. Медное покрытие в переходных отверстиях и шариках припоя более уязвимо к повреждениям при высоких температурах.

Интегрированные методы охлаждения

Встроенный кулер с одним через

Интегрированные методы охлаждения используются для достижения более высоких коэффициентов теплопроводности по сравнению с традиционными установками радиатора и вентилятора. Идея заключается в том, чтобы подавать хладагент через специальные отверстия прямо в нижнюю часть процессоров, BGA или любых нагревательных компонентов.

Количество переходных отверстий определяется проектировщиком в зависимости от тепловых критериев монтируемого компонента. Сначала рассматривается одно сквозное отверстие, при необходимости можно добавить больше, что зависит от скорости охлаждающей жидкости и площади поверхности компонента.

Встроенный охладитель, в котором используется внутренний теплообменник

Существуют также другие виды встроенных методов охлаждения, например метод внутреннего охлаждения, показанный выше. В этом методе теплообменник встроен внутрь самой платы. Поскольку не требуется внешний радиатор или охлаждающая пластина, этапы сборки печатной платы и вес конечного продукта уменьшаются. Но эти кулеры требуют очень высокой плотности тепловых отверстий вокруг охлаждающих каналов.

Охлаждающие вентиляторы

Охлаждающий вентилятор

В этой статье мы рассмотрели несколько методов охлаждения, таких как радиаторы, тепловые трубки, тепловые отверстия в печатной плате и т. д. Все эти методы обмениваются теплом посредством теплопроводности, чего во многих случаях недостаточно. Охлаждающий вентилятор использует конвективный метод теплопередачи, который предлагает разработчику очень эффективный метод отвода тепла от компонентов.

Эффективность вентилятора зависит от способности выталкивать определенный объем воздуха из устройства и возможности размещения вентилятора. При выборе вентилятора проектировщики должны учитывать такие факторы, как трение, размер, шум, стоимость, режим работы, потребляемая мощность и т. д. Но основная цель вентилятора — прокачать объем воздуха, а это означает, что производительность является главным фактором при выборе охлаждающего вентилятора.

Концентрация пайки

Толщина пайки соединений устройства должна быть одинаковой и окружающей, чтобы уменьшить накопление тепла на выводах компонентов. Особую осторожность следует проявлять при пайке рядом с переходными отверстиями. Существует вероятность того, что припой переполнит отверстие, что приведет к выпуклостям на нижней части платы, что уменьшит площадь контакта с радиатором.

Перелив припоя в переходные отверстия

Разработчики печатных плат имеют два способа избежать перетекания припоя. Первый заключается в уменьшении диаметра переходного отверстия ниже 0,3 мм. Чем меньше отверстия, тем поверхностное натяжение жидкого припоя внутри отверстия лучше противостоит силе тяжести, действующей на припой.

Второй вариант — это процесс, называемый тентингом. Он включает в себя покрытие площадки переходного отверстия паяльной маской, чтобы предотвратить стекание припоя в переходное отверстие.

Подробнее: Как добиться идеальной пайки печатных плат

Тепловой насос Пельтье / Термоэлектрические охладители (TEC)

Тепловой насос Пельтье

Пришло время перейти на передовые технологии охлаждения печатных плат. В методах термоэлектрического охлаждения или теплового насоса Пельтье для охлаждения используется эффект Пельтье. Эффект Пельтье является обратным явлением генерации теплового пара. Эти устройства могут охлаждать компоненты до температуры ниже комнатной.

TEC используются там, где необходимо поддерживать температуру компонентов на определенном уровне. Например, ПЗС-камеры (устройства с зарядовой связью), лазерные диоды, микропроцессоры, системы ночного видения и т. д. ТЭО обеспечивают точный контроль температуры и более быстрое реагирование. Разработчики могут использовать комбинацию TEC с воздушным или жидкостным охлаждением, чтобы расширить пределы обычного воздушного охлаждения для процессоров с высокой мощностью рассеивания. Коммерческие насосы Пельтье охватывают диапазон размеров керамической поверхности от 3,2 × 3,2 мм² до 62 × 62 мм² на стороне охлаждения и от 3,8 × 3,8 мм² до 62 × 62 мм² у основания (нагретая сторона).

Тепловое моделирование печатной платы

Тепловое моделирование печатной платы. Изображение предоставлено: Allegro

Детальное тепловое моделирование помогает точно определить температуру точки перегрева на печатной плате. Тепловое моделирование представляет собой цветовую карту температуры в области нагрева, полученную в различных условиях. Единицей измерения температуры в моделировании всегда является градус Цельсия (°C). Карты цветовой шкалы получаются путем вычисления температур тысяч точек на печатной плате.

Зачем выполнять тепловое моделирование?

• Для обнаружения горячих точек во избежание риска отказа устройства
• Определение возможной надежности диэлектрического материала с различными значениями КТР
• Повышает надежность продукта
• Температурное моделирование может снизить затраты на внедрение за счет сокращения инженерных задержек, отказов на месте и итераций продукта.
• Повышение производительности и связи между инженерами и электриками

Читайте также: Что такое тепловое профилирование в сборке печатных плат

Разработчики могут использовать комбинацию некоторых или всех вышеперечисленных методов теплопередачи и рекомендаций по тепловым переходным отверстиям в печатных платах. Самый простой способ повысить эффективность компонента — это в первую очередь уменьшить количество рассеиваемого тепла.