Em diferentes aplicações, as decisões de engenharia relativas à solução ideal para dissipadores de calor podem depender do custo e do desempenho. Em teoria, parece fácil obter o produto de menor custo para atender aos requisitos de desempenho. Na verdade, os clientes muitas vezes optam por alterar as especificações de desempenho (usando chips diferentes) ou sacrificar parte do desempenho (como degradar os chips com base nas condições) quando enfrentam preços altos.
Este artigo compara vários dissipadores de calor baseados em tubos de calor/câmara de vapor para indicadores de desempenho e custo:
Desempenho: Use o pacote de software FloTHERM CFD para calcular o desempenho geral do dissipador de calor Δ T.
Custo: Supondo que o tamanho do lote seja grande o suficiente, o custo de investimento do molde rígido não será refletido no preço unitário. Além disso, o preço unitário é relativo à solução de menor custo (1 vez, 1,1 vez, etc.), pois aumentar o tamanho do lote reduzirá o custo unitário.
Parâmetros de projeto do dissipador de calor
Potência da fonte de calor: 250 watts
Tamanho da fonte de calor: 30 x 30 mm
Temperatura ambiente máxima: 25 graus
Taxa de fluxo de ar: 40 pés cúbicos por minuto (CFM)
Condensador: aleta de encaixe tamanho 115 * 85 * 65 mm
Vamos começar com o design mais básico e gradualmente nos aprofundar em processos complexos para ver como o desempenho e o custo são afetados pelo design.
1. Dissipador de calor com tubo de calor à base de alumínio ou cobre
Dissipador de calor com tubo de calor com base de alumínio em forma de U
Este é o design mais tradicional de um radiador de tubo de calor. Quatro tubos de calor em forma de U são soldados a uma base de alumínio ou cobre e depois entram em contato com uma fonte de calor. O calor deve primeiro passar pela base e depois alcançar o tubo de calor.
Além da dobra, nenhuma outra operação secundária foi realizada nos quatro tubos de calor de 6 mm, embora a área de contato entre os tubos de calor e a base neste exemplo seja ligeiramente plana.
CFD de radiador de tubo de calor com base de alumínio
O modelo FloThermal mostra que a temperatura do dissipador de calor é 53,9 graus mais alta que a temperatura ambiente (78,9 graus -25 graus =temperatura máxima de referência - temperatura ambiente), e usamos essa temperatura como referência de desempenho, com uma referência de custo definida como 1 vez.
Se for necessário um desempenho superior, uma base de cobre pode ser usada em vez de uma base de alumínio. A condutividade térmica da base de cobre é duas vezes maior que a da base de alumínio, portanto o desempenho da base de cobre é melhorado em 2,3 graus. O design da base de cobre aumenta o custo em 5% em comparação com a base de alumínio e também há um ligeiro aumento no peso.
2. Radiador do dissipador de calor com tubo de calor de contato direto
Radiador de tubo de calor de contato direto
Este design permite o contato direto entre a fonte de calor e o tubo de calor, eliminando assim a base absorvente de calor e os materiais de interface (solda usada para fixar o tubo de calor à base). Porém, para obter a lisura superficial necessária, o tubo de calor deve ser usinado (operação secundária).
CFD de radiador de tubo de calor de contato direto
Devido ao contato direto entre o tubo de calor e a fonte de calor, o desempenho deste projeto de dissipador de calor foi melhorado para 49,3 graus, que é 4,6 graus mais alto que o padrão de referência e 2,3 graus mais alto que o projeto usando uma base de cobre. No entanto, requer processamento adicional da base (incorporação de ranhuras do tubo de calor) e processamento do tubo de calor, que é 1,1 vezes o custo do projeto de referência (10% mais caro).
3. Dissipador de calor de placa de temperatura uniforme em forma de U
Dissipador de calor de placa de temperatura uniforme em forma de U
Esta solução substitui quatro tubos de calor de 6 mm por uma única câmara de vapor em forma de U. Em termos de design, é mais semelhante a um dissipador de calor com tubo de calor de contato direto, sendo que ambos permitem que a CPU da fonte de calor entre em contato direto com os componentes bifásicos. A consideração importante ao escolher este projeto é se o fornecedor do dissipador de calor pode fabricar uma câmara de vapor integrada, já que os projetos tradicionais de duas peças não podem ser dobrados em formato de U.
CFD de dissipador de calor de placa de temperatura uniforme em forma de U
Em comparação com o design do tubo de calor de contato direto, o desempenho da solução de dissipador de calor vc melhorou 21,5% (11,6 graus), enquanto o custo aumentou apenas 4,55%. Porém, o aumento na espessura da parede do dissipador vc resultou em um aumento de aproximadamente 75g no peso do radiador do dissipador.
4. Dissipador de calor de placa de temperatura uniforme 3D
Dissipador de calor de placa de temperatura uniforme 3D
Neste projeto, a placa inferior de absorção de calor é uma câmara de vapor que compartilha uma passagem de vapor com o tubo de calor vertical do condensador. Durante a fase de fabricação, 8 tubos de calor do tipo aberto são soldados em uma placa de câmara de vapor com aberturas; A câmara de vapor está em contato direto com a fonte de calor, distribuindo uniformemente o calor ao longo do plano XY e dispersando o calor para as aletas através de tubos de calor verticais.
CFD de dissipador de calor 3D com câmara de vapor
Este projeto tem o melhor desempenho, mas o custo é alto. Comparado ao seu concorrente mais próximo, o design da placa do dissipador de calor vc em forma de U, sua temperatura diminuiu quase 2 graus (o desempenho aumentou 4,9%), mas seu preço dobrou (aumentou 117%).
No entanto, deve-se notar que este caso não destacou totalmente as vantagens potenciais do projeto de câmaras de vapor 3D. À medida que o tamanho necessário da placa inferior aumenta, a diferença de desempenho entre esta solução e o design da placa da câmara de vapor em forma de U também aumenta.
resumo
A tabela abaixo mostra que a alteração do material ou dos componentes bifásicos do dissipador de calor pode proporcionar uma melhoria considerável no desempenho. Do dissipador de calor baseado em alumínio de referência à solução de placa de dissipador de calor 3D vc, o desempenho foi melhorado em 17 graus, mas o custo aumentou 150%.
Comparação de desempenho e custo do radiador
Ao substituir a base por material de cobre com condutividade térmica mais forte ou ao colocar o tubo de calor em contato direto com a fonte de calor, é possível obter uma melhoria moderada de desempenho de cerca de 7% -15% e um aumento de custo (em relação ao benchmark). .
O projeto com o melhor valor global dados os parâmetros de aplicação pode ser um dissipador de calor com câmaras de vapor. Embora seja 15% mais caro que o preço de referência, o seu desempenho melhorou 28% (15,2 graus).
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