Im Bereich des Wärmemanagements beschreiben wir unsere luftgekühlten Geräte so, dass sie entweder natürliche Konvektion oder erzwungene Konvektion verwenden. Lüfter und Gebläse sind die Mechanismen hinter Luftkühlungslösungen mit erzwungener Konvektion, aber wie sieht es mit der natürlichen Konvektion aus? Auftrieb ist die treibende Kraft der natürlichen Konvektion.
Was ist Auftrieb?
Sie sind sich der Auswirkungen des Auftriebs bereits bewusst und erfahren. Auftrieb ist das, was Boote schweben und Heißluftballons fliegen lässt. Das ist der Grund, warum das Wasser im Ozean von der Luft am Himmel getrennt ist. Dies ist auf die unterschiedlichen Dichten dieser verschiedenen Flüssigkeiten zurückzuführen.
Wir bewegen es gerne, bewegen es
Auftrieb ist der Druck, der durch die kinetische Energie aller Flüssigkeitsmoleküle erzeugt wird, die sich bewegen und miteinander und mit anderen Objekten in der Nähe kollidieren. Während diese kinetische Energie in alle Richtungen drückt, ist ihre größte Gegenkraft die Schwerkraft.
Die schwere Wissenschaft hinter der Kraft des Auftriebs
Die Höhe des Auftriebs hängt von der Dichte der Flüssigkeit ab. Dichtere oder kühlere Flüssigkeiten haben weniger kinetische Energie als stärker angeregte Flüssigkeiten, so dass sie weniger Druck auf andere umgebende Moleküle ausüben. Da von dieser Flüssigkeit weniger Druck erzeugt wird, wirkt die Schwerkraft stärker auf diese Flüssigkeit als auf wärmere Flüssigkeiten. Deshalb fällt kühle Luft und warme Luft steigt auf.
Warum ist Auftrieb beim Wärmemanagement wichtig?
Natürliche Konvektion
Der Auftrieb treibt die natürliche Konvektion an, bei der der Druckunterschied zwischen der von Wärmequellen erwärmten Luft und der umgebenden Umgebungsluft die heiße Luft nach oben und von der Wärmequelle weg treibt. Die Luft steigt mit der aufgenommenen Energie auf und entzieht ihr so die Energie aus dem Bereich um die Wärmequellen. Kühlere Umgebungsluft strömt dann ein und ersetzt die erwärmte Luft, die nach oben gewandert ist. Dieses Aufsteigen und Ersetzen von heißer und kalter Luft erzeugt eine gleichmäßige Strömung, ohne dass aktive Mechanismen erforderlich sind, um sie anzutreiben.
Vorteile der natürlichen Konvektion
Einer der wichtigsten Punkte der natürlichen Konvektion ist die Ermöglichung der Wärmeübertragung ohne die zusätzlichen Kosten und die Montagezeit, die mit dem Hinzufügen eines Lüfters zum Produkt verbunden sind. Lüfter oder Gebläse können die Gesamtzuverlässigkeit des Geräts beeinträchtigen, da sie von Motoren angetrieben werden, die verschleißen und bei längerem Gebrauch des Produkts kaputt gehen können.
Einer der wichtigsten Punkte der natürlichen Konvektion ist die Ermöglichung der Wärmeübertragung ohne die zusätzlichen Kosten und die Montagezeit, die mit dem Hinzufügen eines Lüfters zum Produkt verbunden sind. Lüfter oder Gebläse können die Gesamtzuverlässigkeit des Geräts beeinträchtigen, da sie von Motoren angetrieben werden, die verschleißen und bei längerem Gebrauch des Produkts kaputt gehen können.
Wie Sie Auftrieb und natürliche Konvektion für sich nutzen können
Da der Auftrieb es Flüssigkeiten ermöglicht, gegen die Schwerkraft aufzusteigen, sollten Oberflächen, die Wärme ableiten, in die gleiche Richtung wie der Schwerkraftvektor ausgerichtet sein. In der Regel ist diese Oberfläche Ihr Kühlkörper. Die längste Abmessung der Kühlkörperflächen sollte vertikal sein, damit die kühle Luft, wenn sie den Boden des Kühlkörpers berührt, nach oben wandert und weiter erwärmt wird und die Druckdifferenz erhöht.
Natürliche Konvektion und der Kamineffekt
Durch die Optimierung der Luftmenge, die in die Lamellenspalten gesaugt werden kann, und der Länge des Kühlkörpers können Sie die natürliche Konvektion ganz einfach nutzen, um Geräte zu kühlen, die an Ihre Kühlkörperoberfläche angeschlossen sind. Sie werden in der Regel sehen, dass gute Kühlkörper mit natürlicher Konvektion einen Lamellenabstand von etwa 0,25 Zoll oder 6,35 mm haben. Dadurch bleibt genügend Platz zwischen den Lamellen, um Grenzschichten aufzunehmen, die sich auf jeder der Lamellenoberflächen bilden, und dennoch eine nach oben gerichtete Strömung der erwärmten Luft zu ermöglichen.
Natürliche Konvektion in Genie
Als Wärmebildingenieure sind wir begeistert von der Auftriebsdynamik und davon, wie sie es uns ermöglicht, die natürliche Konvektion als effektive Methode zur Wärmeübertragung zu nutzen. In Boyd Genie, we enable you to simulate natural convection with your heat sink design. Vor der Simulation können Sie die Ausrichtung der Lamellen auf Ihrem Kühlkörper in Bezug auf die Schwerkraft auswählen.
Die Ausrichtung eines Kühlkörpers mit der Strömungslänge der Lamellen in die gleiche Richtung wie der Schwerkraftvektor ist die ideale Ausrichtung.
Ansonsten solltest du zumindest die Flossenspitzen nach oben zeigen. Andere Ausrichtungen Ihres Kühlkörpers, wie z. B. Ihre Lamellenspitzen und die Strömungslänge, die seitlich oder sogar nach unten zeigen, hemmen die natürliche Konvektionsströmung, die durch Auftrieb erzeugt wird. Die erwärmte Luft zwischen diesen Lamellen neigt dazu, zu stagnieren, da sie Schwierigkeiten hat, nach oben und unten aufzusteigen, da die Lamellen oder der Boden des Kühlkörpers im Weg sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Best Practices für Kühlkörper mit natürlicher Konvektion darin bestehen, die Strömungslänge der Lamellen vertikal auszurichten und Ihren Lamellen genügend Platz zu geben, um effektiv Luft anzusaugen. Probieren Sie Ihren eigenen natürlichen Konvektionskühlkörper in Genie aus!
Happy Designing
