LỢI ÍCH NHIỆT CỦA HỆ THỐNG TẢN NHIỆT VAPOR CHAMBER

Vapor chamber ngày càng trở thành một giải pháp nhiệt phổ biến dành cho các thiết bị điện tử. Chúng có thể được tìm thấy trong một loạt các hệ thống, từ điện thoại di động đến máy tính xách tay công suất lớn và máy chơi trò chơi điện tử. Trong blog này, chúng ta sẽ khám phá chính xác Vapor chamber là gì; học cách lập mô hình Vapor chamber bằng Simcenter Flotherm XT; và phân tích lợi ích nhiệt của Vapor chamber so với tản nhiệt truyền thống.

Vapor chamber là gì?

Một Vapor chamber điển hình bao gồm một vỏ bọc bằng đồng rỗng (buồng) được đổ đầy một lượng nhỏ nước lỏng. Buồng này sau đó được ép chân không dưới áp suất khí quyển; cho phép nước lỏng bay hơi (hơi) ở nhiệt độ thấp hơn 100°C.

Cấu trúc điển hình của vapor chamber

Nguyên lý hoạt động đằng sau một vapor chamber giống như một ống dẫn nhiệt điển hình. Nó dựa vào chu trình bay hơi và ngưng tụ của nước để truyền nhiệt từ khoang nóng sang khoang lạnh. Sau đó, bấc bên trong hoạt động như một carrier mang nước lỏng ngưng tụ chảy ngược về phía nước bay hơi bằng cách sử dụng tác động của mao dẫn. Sau đó, chu kỳ có thể bắt đầu lại.

Chu kỳ hoạt động của vapor chamber

Các buồng hơi có thể được sử dụng như một giải pháp tản nhiệt để tự lan tỏa và phát tán nhiệt. Điều này thường thấy ở một số điện thoại di động khi không gian bị hạn chế. Tuy nhiên, các vapor chamber cũng có thể được gắn vào đế của bộ tản nhiệt thông thường khi yêu cầu hiệu suất làm mát cao hơn nữa.

Vapor chambers có tốt hơn ống dẫn nhiệt không?

Mặc dù chu kỳ hoạt động của cả vapor chambers và ống dẫn nhiệt là tương tự nhau, nhưng việc lựa chọn giải pháp tản nhiệt sẽ phụ thuộc vào ứng dụng. Ví dụ, các vapor chamber rất hiệu quả trong việc truyền nhiệt đồng đều theo phương ngang trên bề mặt. Ngược lại, ống dẫn nhiệt rất tốt trong việc truyền nhiệt từ nơi này sang nơi khác.

Vapor chamber và ống dẫn nhiệt

Hình dạng phẳng của Vapor chamber có nghĩa là chúng có thể tiếp xúc bề mặt tốt hơn với chip IC hoặc với đế của bộ tản nhiệt gắn liền để tạo ra một đường truyền nhiệt trực tiếp hơn. Điều này trái ngược với dạng hình trụ của một ống dẫn nhiệt ngăn nó được gắn trực tiếp vào một chi tiết. Thay vào đó, họ yêu cầu các bộ phận kết nối bổ sung hoặc sửa đổi trước khi nhiệt có thể truyền đến các đường ống.

Sản xuất hiện đại có thể tạo ra các vapor chambers mỏng tới 2,5mm. Điều này rất hữu ích trong các thiết bị điện tử nhỏ gọn như điện thoại di động hoặc máy tính xách tay có vapor chamber. Ngoài ra, hình dạng mỏng của vapor chamber thể hiện chúng ít bị ảnh hưởng bởi phương hướng, không giống như một ống dẫn nhiệt truyền thống mà hướng của trọng lực có thể ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát của nó.

Để hình dung lợi ích nhiệt của vapor chamber, hãy sử dụng một số phân tích CFD với Simcenter Flotherm XT.

Mô hình hóa một vapor chamber

Hãy bắt đầu bằng cách lấy một mô hình điển hình của máy chơi trò chơi điện tử công suất lớn. Hầu hết hiệu suất toả nhiệt là từ Hệ thống chính trên chip (SoC) tạo ra 100 watt nhiệt điện. Chúng tôi sẽ so sánh nhiệt độ của SoC với 2 tản nhiệt khác nhau đi kèm: Đầu tiên là tản nhiệt cơ bản đế bằng đồng tiêu chuẩn, sau đó là tản nhiệt đế vapor chamber. Cả hai sẽ có kích thước bằng nhau và có gắn các cánh tản nhiệt bằng nhôm.

Mô hình được sử dụng để so sánh tản nhiệt

Mô hình hóa vapor chamber một cách rõ ràng không phải là một nỗ lực đơn giản. Nó đòi hỏi nhiều thời gian tính toán (và thời gian của kỹ sư) để mô hình hóa chu trình bay hơi và ngưng tụ mà chúng hoạt động. Do đó, việc tạo một mô hình đơn giản hóa thường nhanh chóng và thuận tiện hơn, mô hình này sẽ gần đúng với các đặc tính của vapor chamber mong muốn.

Chúng tôi sẽ lấy bộ tản nhiệt tiêu chuẩn trong mô hình trên và sửa đổi đế đồng thành đế bánh sandwich có các lớp dẫn rắn đại diện cho vapor chamber:

Hình ảnh mặt cắt ngang mô phỏng các lớp vật liệu rắn được sử dụng trong vapor chamber, được gắn vào các cánh tản nhiệt bằng nhôm

Bây giờ chúng ta có thể áp dụng tính năng dẫn nhiệt hiệu quả của lớp bấc và lớp hơi nước mới được thêm vào. Chúng tôi sẽ sử dụng các giá trị gần đúng nhất với vapor chamber ở trạng thái hoạt động của nó:

Bấc = 40 W/ (m K)

Hơi nước = 30 000 W/ (m K)

Bạn có thể nhận thấy tính dẫn nhiệt hiệu quả rất cao của hơi nước. Điều này cung cấp cho chúng tôi một số thông tin chi tiết về loại hiệu suất làm mát mà chúng tôi có thể mong đợi từ vapor chamber.

Phân tích CFD

Mô hình đầu phân tích cách sử dụng tản nhiệt đế đồng tiêu chuẩn. Tiếp theo là giải pháp thứ hai với phân tích tản nhiệt vapor chamber. Mô hình dòng khí cưỡng bức qua thiết bị có thể được nhìn thấy dưới đây:

Bằng cách tạo biểu đồ mặt phẳng nhiệt độ trên trục tung, chúng ta có thể xem xét nhiệt độ SoC khi sử dụng tản nhiệt cơ bản bằng đồng tiêu chuẩn:

Tản nhiệt đế đồng tiêu chuẩn

SoC đạt nhiệt độ 89°C, với sự tích tụ nhiệt tập trung xung quanh vùng trung tâm tản nhiệt. Nhận thấy rằng ΔT 10°C xuất hiện từ tâm đến mép ngoài của đế đồng. Điều này cho thấy nhiệt không thể tiếp cận hiệu quả đến các cánh tản nhiệt ngoài cùng của bộ tản nhiệt bằng nhôm. Do đó, điều này khiến việc sử dụng không khí xung quanh giữa các cánh tản nhiệt bằng nhôm không được hiệu quả.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét nhiệt độ SoC khi sử dụng tản nhiệt vapor chamber:

Tản nhiệt Vapor chamber

Biểu đồ mặt phẳng này cho thấy nhiệt độ của SoC giảm 5°C so với nhiệt độ của tản nhiệt đế đồng, đây là một cải tiến tuyệt vời! Ngoài ra, buồng hơi thể hiện ΔT chỉ 3°C từ tâm ra rìa ngoài. Điều này chứng tỏ sự lan tỏa theo phương của nhiệt SoC đồng đều hơn và được cải thiện hơn – đây là một lợi ích chung khi sử dụng vapor chamber.

Kết quả của sự lan tỏa nhiệt sang hai bên được cải thiện, vapor chamber cho phép nhiệt truyền đều hơn qua phần cao hơn của các cánh tản nhiệt bằng nhôm. Do đó, điều này cho phép tận dụng tốt hơn tổng lượng không khí đi qua tất cả các cánh tản nhiệt. Điều này trái ngược với tản nhiệt đế đồng, chỉ sử dụng hiệu quả các cánh tản nhiệt ở giữa và luồng khí trung tâm.

Kết luận

Các thiết bị điện tử hiện đại đòi hỏi công nghệ tản nhiệt tiên tiến hơn bao giờ hết và vapor chamber có thể là một giải pháp tản nhiệt tuyệt vời. Sử dụng Simcenter Flotherm XT, chúng tôi đã chứng minh một cách trực quan các lợi ích nhiệt của vapor chamber; cho thấy cách chúng có thể mang lại hiệu quả tản nhiệt được cải thiện với khả năng tản nhiệt tốt hơn so với tản nhiệt truyền thống có cùng kích thước.

Nguồn: Siemens

Leave a Reply

Your email address will not be published.