En diferentes aplicaciones, las decisiones de ingeniería con respecto a la solución óptima para los disipadores de calor pueden depender del costo y el rendimiento. En teoría, parece fácil obtener el producto de menor costo que cumpla con los requisitos de desempeño. De hecho, los clientes suelen optar por cambiar las especificaciones de rendimiento (utilizando chips diferentes) o sacrificar algo de rendimiento (como degradar los chips según las condiciones) cuando se enfrentan a precios elevados.
Este artículo compara varios disipadores de calor basados en tubos de calor/cámara de vapor en cuanto a indicadores de rendimiento y costos:
Rendimiento: utilice el paquete de software FloTHERM CFD para calcular el rendimiento general del disipador de calor Δ T.
Costo: Suponiendo que el tamaño del lote sea lo suficientemente grande, el costo de inversión del molde duro no se reflejará en el precio unitario. Además, el precio unitario es relativo a la solución de menor costo (1 vez, 1,1 veces, etc.), ya que aumentar el tamaño del lote reducirá el costo unitario.
Parámetros de diseño del disipador de calor
Potencia de la fuente de calor: 250 vatios
Tamaño de la fuente de calor: 30 x 30 mm
Temperatura ambiente máxima: 25 grados
Caudal de aire: 40 pies cúbicos por minuto (CFM)
Condensador: tamaño de aleta a presión 115 * 85 * 65 mm
Comencemos con el diseño más básico y profundicemos gradualmente en procesos complejos para ver cómo el diseño afecta el rendimiento y el costo.
1. Disipador térmico de tubo de calor a base de aluminio o cobre
Disipador térmico de tubo de calor con base de aluminio en forma de U
Este es el diseño más tradicional de radiador de tubo de calor. Cuatro tubos de calor en forma de U se sueldan a una base de aluminio o cobre y luego se ponen en contacto con una fuente de calor. El calor primero debe pasar a través de la base y luego puede llegar al tubo de calor.
Aparte de doblar, no se realizaron otras operaciones secundarias en los cuatro tubos de calor de 6 mm, aunque el área de contacto entre los tubos de calor y la base en este ejemplo es ligeramente plana.
CFD de radiador de tubo de calor con base de aluminio
El modelo FloThermal muestra que la temperatura del disipador de calor es 53,9 grados más alta que la temperatura ambiente (78,9 grados -25 grados =temperatura máxima de referencia - temperatura ambiente), y utilizamos esta temperatura como punto de referencia de rendimiento, con un punto de referencia de costos definido como 1 vez.
Si se requiere un mayor rendimiento, se puede utilizar una base de cobre en lugar de una base de aluminio. La conductividad térmica de la base de cobre es el doble que la de la base de aluminio, por lo que el rendimiento de la base de cobre mejora en 2,3 grados. El diseño con base de cobre aumenta el costo en un 5% en comparación con la base de aluminio, y también hay un ligero aumento en el peso.
2. Radiador disipador de calor con tubo de calor de contacto directo
Radiador de tubo de calor de contacto directo
Este diseño permite el contacto directo entre la fuente de calor y el tubo de calor, eliminando así la base absorbente de calor y los materiales de interfaz (soldadura utilizada para asegurar el tubo de calor a la base). Sin embargo, para obtener la suavidad superficial necesaria, el tubo de calor debe mecanizarse (operación secundaria).
CFD del radiador de tubo de calor de contacto directo
Debido al contacto directo entre el tubo de calor y la fuente de calor, el rendimiento de este diseño de disipador de calor se ha mejorado a 49,3 grados, que es 4,6 grados más que el punto de referencia y 2,3 grados más que el diseño que utiliza una base de cobre. Sin embargo, requiere un procesamiento adicional de la base (incrustar ranuras del tubo de calor) y el procesamiento del tubo de calor, que es 1,1 veces el costo del diseño de referencia (10% más caro).
3. Disipador de calor de placa de temperatura uniforme en forma de U
Disipador de calor de placa de temperatura uniforme en forma de U
Esta solución reemplaza cuatro tubos de calor de 6 mm con una única cámara de vapor en forma de U. En términos de diseño, es más similar a un disipador de calor de tubo de calor de contacto directo, los cuales permiten que la CPU de la fuente de calor entre en contacto directo con los componentes de dos fases. La consideración importante para elegir este diseño es si el proveedor del disipador de calor puede fabricar una cámara de vapor integrada, ya que los diseños tradicionales de dos piezas no se pueden doblar en forma de U.
CFD del disipador de calor de placa de temperatura uniforme en forma de U
En comparación con el diseño de tubo de calor de contacto directo, el rendimiento de la solución de disipador térmico vc mejoró un 21,5 % (11,6 grados), mientras que el costo solo aumentó un 4,55 %. Sin embargo, el aumento en el espesor de la pared del disipador térmico vc resultó en un aumento de aproximadamente 75 g en el peso del radiador disipador térmico.
4. Disipador de calor de placa de temperatura uniforme 3D
Disipador de calor de placa de temperatura uniforme 3D
En este diseño, la placa inferior absorbente de calor es una cámara de vapor que comparte un pasaje de vapor con el tubo de calor vertical del condensador. Durante la fase de fabricación, se sueldan 8 tubos de calor de tipo abierto en una placa de cámara de vapor con aberturas; La cámara de vapor está en contacto directo con la fuente de calor, distribuyendo uniformemente el calor a lo largo del plano XY y dispersando el calor a las aletas a través de tubos de calor verticales.
CFD de disipador de calor 3D con cámara de vapor
Este diseño tiene el mejor rendimiento, pero el costo es alto. En comparación con su competidor más cercano, el diseño de placa de disipador térmico vc en forma de U, su temperatura ha disminuido casi 2 grados (el rendimiento ha aumentado un 4,9%), pero su precio se ha duplicado (aumentó un 117%).
Sin embargo, cabe señalar que este caso no destacó plenamente las ventajas potenciales del diseño de la cámara de vapor 3D. A medida que aumenta el tamaño requerido de la placa inferior, también aumenta la diferencia de rendimiento entre esta solución y el diseño de la placa de la cámara de vapor en forma de U.
resumen
La siguiente tabla muestra que cambiando el material o los componentes bifásicos del disipador de calor se puede conseguir una mejora considerable del rendimiento. Desde el disipador de calor de referencia con base de aluminio hasta la solución de placa de disipador de calor 3D vc, el rendimiento ha mejorado en 17 grados, pero el costo ha aumentado en un 150%.
Comparación del rendimiento y el costo del radiador.
Al reemplazar la base con material de cobre con una conductividad térmica más fuerte o al hacer que el tubo de calor esté en contacto directo con la fuente de calor, se puede lograr una mejora moderada del rendimiento de aproximadamente un 7% -15% y un aumento de costos (en relación con el punto de referencia). .
El diseño con el mejor valor global dados los parámetros de aplicación puede ser un disipador de calor de cámara de vapor. Aunque es un 15% más caro que el precio de referencia, su rendimiento ha mejorado un 28% (15,2 grados).
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