En kylfläns är en av de mest grundläggande komponenterna som används för att kyla elektroniska apparater. När en värmekälla inte kan avleda värme effektivt genom sin egen ledning och kräver effektivare kylning, används en kylfläns för att överföra värme bort från källan och avleda den genom optimerad ledning och konvektion.

Kylflänsar används ofta inom kraftelektronik, telekommunikationsutrustning, servrar, LED-belysning, fordonselektronik och industriella apparater.

grundläggande struktur av en kylfläns

en typisk kylfläns består huvudsakligen av två delar:

• bas

• tills

Basen är vanligtvis en plan yta som har direkt kontakt med värmekällan. Dess funktion är att överföra värme från den heta zonen och fördela den jämnt över lamellerna.

Flänsarna är utformade för att öka kylflänsens totala yta. De kan tillverkas i en mängd olika geometrier och är vanligtvis placerade vertikalt från basn för att maximera värmeavledningen.

Det primära designmålet för en kylfläns är att maximera ytan, vilket gör att mer värme kan överföras till den omgivande luften.

material för kylflänsar

med mycket få undantag är kylflänsar tillverkade av värmeledande metaller, oftast aluminium eller koppar.

aluminium

Aluminium är det mest använda materialet för kylflänsar.

• värmeledningsförmåga: 235 w/mk

• lättvikt

• kostnadseffektiv

• lätt att tillverka

Dessa egenskaper gör aluminium idealiskt för lätta och ekonomiska kylflänslösningar.

koppar

koppar är ett annat populärt material för kylflänsar.

• värmeledningsförmåga: ~400 w/mk

• högre värmeöverföringsförmåga

även om koppar är tyngre och dyrare, krävs det ofta i högpresterande termiska applikationer.

naturlig konvektion kontra forcerad konvektion

Kylflänsar klassificeras vanligtvis i två kategorier basrat på luftflödesförhållanden.

naturlig konvektion (passiv kylning)

Passiva kylflänsar förlitar sig enbart på naturligt luftflöde för att avlägsna värme.

de är utformade för att:

• maximera ytan

• låta luften cirkulera naturligt

• fungera utan ytterligare aktiva komponenter

Passiva kylflänsar används ofta i elektroniska apparater med låg effekt.

forcerad konvektion (aktiv kylning)

aktiva kylflänsar använder fläktar eller blåsmaskiner för att tvinga luft genom flänsarna.

Detta påtvingade luftflöde skapar turbulens, vilket avsevärt ökar värmeöverföringseffektiviteten och kylprestandan.

Aktiva kyllösningar används ofta inom:

• servrar

• kraftelektronik

• högpresterande datorsystem

vanliga typer av kylflänsar

Flera tillverkningstekniker används för att producera kylflänsar, var och en lämpad för olika termiska krav och tillämpningar.

1. stämplade kylflänsar (på kortnivå)

Stämplade kylflänsar tillverkas av plåt med hjälp av progressiva stämplingsprocesser. Varje stämplingssteg tillför funktioner och detaljer allt eftersom metallen passerar genom formen.

Dessa kylflänsar är vanligtvis utformade för specifika typer av elektroniska kapslar för att säkerställa optimal passform på kretskort (PCB).

de kan fungera i passivt läge eller inkludera en fläkt för att öka luftflödet över hela kortet.

fördelar

• idealisk för applikationer med låg effekt (0–5 W)

• snabb och enkel montering

• låg tillverkningskostnad

• skalbar för högvolymsproduktion

• tillgänglig för många pakettyper

nackdelar

• Ej lämplig för applikationer över 5W

• storleksbegränsad (vanligtvis under 50 mm)

• utformad för att endast kyla en enda enhet

2. extruderade kylflänsar i aluminium

Extrudering är en av de mest populära och kostnadseffektiva metoderna för tillverkning av kylflänsar.

Extruderade kylflänsar varierar i storlek beroende på applikation. Mindre versioner används för kylning på kortnivå, medan större är utformade för medelhög effekt i kylningen.

De kan optimeras för både passiv och aktiv kylning, beroende på fengeometri och avstånd.

Extruderade kylflänsar på kortnivå används ofta för komponenter som:

• bga

• FPGA

Extruderingsprocessen börjar med en profilform som definierar flänsstruktur, avstånd och basdimensioner. Uppvärmd aluminium trycks sedan genom formen för att skapa en lång profil, som senare skärs till önskad längd och bearbetas vidare.

fördelar

• idealisk för applikationer med medelhög effekt

• kostnadseffektiv produktion

• mycket skalbar för massproduktion

• enkel anpassning

• konstruktion i ett stycke med låg värmebeständighet

nackdelar

• inte lämplig för applikationer med mycket hög effekt

• storleksbegränsningar (ungefär 59 cm bred och 114 cm lång)

• Stora profiler kan ha begränsningar i efterbehandlingen

3. kylflänsar med skivade fenor

Skiving är en bearbetningsprocess som formar fenor direkt från ett massivt metallblock. Tunna lager skärs upp från basn och viks uppåt för att skapa fenor.

Eftersom fenorna och basn är gjorda av samma materialstycke finns det inga fogar eller gränssnitt, vilket minskar värmemotståndet.

Denna process möjliggör också mycket tunna fenor och hög fentäthet, vilket avsevärt ökar den totala ytarean.

Till skillnad från extrudering kräver skiving inga dedikerade verktyg, vilket sänker verktygskostnaderna och möjliggör snabbare prototypframställning.

fördelar

• hög kyleffektivitet

• tunna fenor och hög fentäthet

• lägre verktygskostnader

• ekonomiskt för kylflänsar i koppar

nackdelar

• inte idealisk för applikationer med extremt hög effekt

• storleksbegränsningar

• tunna fenor kan vara mer ömtåliga

• mindre lämplig för mycket stora produktionsvolymer

4. kylflänsar med bundna och lödda flänsar

Kylflänsar med bondad kylfläns består av två huvudkomponenter:

• en bas (extruderad eller maskinbearbetad)

• individuella fenor fästa med värmeledande lim, epoxi eller lödning

Fenorna är vanligtvis stansade av tunn plåt, medan basn kan extruderas, gjutas eller bearbetas.

Ytterligare termisk teknik som värmerör eller ångkammare kan också integreras i basn för att förbättra prestandan.

Bondade kylflänsar ger större designflexibilitet och möjliggör högre flänstäthet med mindre yta.

fördelar

• kompakt design för utrymmesbegränsade tillämpningar

• hög termisk prestanda

• lämplig för forcerad konvektion

• snävt fenavstånd

• höga fenformatförhållanden

• flexibel designintegration

• lägre verktygskostnader

nackdelar

• inte idealisk för miljöer med hög vibration

• inte lämplig när erforderlig värmeresistans är under 0,01°C/W

5. kylflänsar för dragkedja

Dragkedjans fenor är gjorda av en serie individuellt stämplade plåtfenor som är vikta och sammankopplade.

Dessa fenor kan arrangeras på antingen:

• slutna kanaler för riktat luftflöde

• öppna konfigurationer för flerriktat luftflöde

Flänsstapeln är vanligtvis fäst vid kylflänsens bas eller värmerör genom lödning, hårdlödning eller epoxibindning.

Denna design erbjuder utmärkt mekanisk stabilitet och hög flexibilitet för integrerade termiska lösningar.

fördelar

• hög termisk prestanda

• idealisk för applikationer med forcerat luftflöde

• flexibel designintegration

• lägre verktygskostnad

• lättvikt

• kan förbättra värmerörets effektivitet

• förbättrad mekanisk stabilitet

nackdelar

• vissa begränsningar för extremt låga krav på värmemotstånd

6. kylflänsar med vikta fenor

Vikta fenor skapas genom att böja tunna metallplåtar till komplexa former för att öka ytan.

Dessa flänsar är vanligtvis bundna eller lödda till en bas för att bilda den slutliga kylflänsenheten. Vikta flänsar kan också användas i flytande kylplattlösningar.

fördelar

• ökad yta

• hög feneffektivitet

• kompatibel med flera material

• lättviktsstruktur

nackdelar

• fungerar bäst när luftflödet leds direkt genom lamellerna

• högre produktionskostnader i vissa fall

7. gjutna kylflänsar

Gjutna kylflänsar tillverkas som strukturer i ett stycke med hjälp av smält metall som injiceras i specialformar.

Denna tillverkningsmetod är idealisk för storskalig produktion och möjliggör komplexa geometrier som skulle vara svåra att uppnå genom andra processer.

Efter gjutning krävs minimal bearbetning och efterbehandling för att uppnå slutprodukten.

fördelar

• idealisk för högvolymproduktion

• lämplig för komplexa former

• låg eller nästan noll termisk resistans

nackdelar

• höga initiala verktygs- och formkostnader