In diverse applicazioni, le decisioni ingegneristiche riguardanti la soluzione ottimale per i dissipatori di calore possono dipendere da costi e prestazioni. In teoria, ottenere il prodotto dal costo più basso per soddisfare i requisiti prestazionali sembra facile. In effetti, i clienti spesso scelgono di modificare le specifiche prestazionali (utilizzando chip diversi) o di sacrificare alcune prestazioni (ad esempio degradando i chip in base alle condizioni) quando devono far fronte a prezzi elevati.
Questo articolo mette a confronto diversi dissipatori di calore basati su tubi di calore/camera di vapore per indicatori di prestazioni e costi:
Prestazioni: utilizzare il pacchetto software FloTHERM CFD per calcolare le prestazioni complessive del dissipatore di calore Δ T.
Costo: supponendo che la dimensione del lotto sia sufficientemente grande, il costo di investimento dello stampo duro non si rifletterà nel prezzo unitario. Inoltre, il prezzo unitario è relativo alla soluzione dal costo più basso (1 volta, 1,1 volte, ecc.), poiché l'aumento delle dimensioni del lotto ridurrà il costo unitario.
Parametri di progettazione del dissipatore di calore
Potenza fonte di calore: 250 watt
Dimensioni fonte di calore: 30 x 30 mm
Temperatura ambiente massima: 25 gradi
Portata d'aria: 40 piedi cubi al minuto (CFM)
Condensatore: aletta a scatto dimensioni 115*85*65 mm
Iniziamo con la progettazione più elementare e approfondiamo gradualmente i processi complessi per vedere come le prestazioni e i costi vengono influenzati dalla progettazione.
1. Dissipatore di calore per tubi di calore a base di alluminio o rame
Dissipatore di calore con tubo di calore con base in alluminio a forma di U
Questo è il design più tradizionale di un radiatore a tubi di calore. Quattro tubi di calore a forma di U sono saldati su una base di alluminio o rame e quindi a contatto con una fonte di calore. Il calore deve prima passare attraverso la base e poi raggiungere il tubo termico.
A parte la piegatura, non sono state eseguite altre operazioni secondarie sui quattro tubi di calore da 6 mm, sebbene l'area di contatto tra i tubi di calore e la base in questo esempio sia leggermente piatta.
CFD del radiatore a tubi di calore con base in alluminio
Il modello FloThermal mostra che la temperatura del dissipatore di calore è di 53,9 gradi superiore alla temperatura ambiente (78,9 gradi -25 gradi =temperatura massima di riferimento - temperatura ambiente) e utilizziamo questa temperatura come benchmark delle prestazioni, con un benchmark di costo definito come 1 volta.
Se sono necessarie prestazioni più elevate, è possibile utilizzare una base in rame al posto di una base in alluminio. La conduttività termica della base in rame è doppia rispetto a quella della base in alluminio, quindi le prestazioni della base in rame sono migliorate di 2,3 gradi. Il design con base in rame aumenta il costo del 5% rispetto alla base in alluminio e c'è anche un leggero aumento di peso.
2. Radiatore del dissipatore di calore del tubo di calore a contatto diretto
Radiatore a tubi di calore a contatto diretto
Questo design consente il contatto diretto tra la fonte di calore e il tubo di calore, eliminando così la base che assorbe il calore e i materiali di interfaccia (saldatura utilizzata per fissare il tubo di calore alla base). Tuttavia, per ottenere la necessaria levigatezza superficiale, il tubo termico deve essere lavorato (operazione secondaria).
CFD del radiatore a tubo di calore a contatto diretto
Grazie al contatto diretto tra il tubo di calore e la fonte di calore, le prestazioni di questo design del dissipatore di calore sono state migliorate a 49,3 gradi, ovvero 4,6 gradi in più rispetto al benchmark e 2,3 gradi in più rispetto al design che utilizza una base in rame. Tuttavia, richiede un'ulteriore lavorazione della base (incasso delle scanalature del tubo di calore) e la lavorazione del tubo di calore, che costa 1,1 volte il costo del progetto di riferimento (10% più costoso).
3. Dissipatore di calore a piastra di temperatura uniforme a forma di U
Dissipatore di calore a piastra con temperatura uniforme a forma di U
Questa soluzione sostituisce quattro tubi di calore da 6 mm con un'unica camera di vapore a forma di U. In termini di design, è molto simile a un dissipatore di calore a tubo di calore a contatto diretto, entrambi i quali consentono alla CPU sorgente di calore di entrare in contatto diretto con i componenti bifase. La considerazione importante per la scelta di questo design è se il fornitore del dissipatore di calore può produrre una camera di vapore integrata, poiché i tradizionali design a due pezzi non possono essere piegati a forma di U.
CFD del dissipatore di calore con piastra a temperatura uniforme a forma di U
Rispetto al design del tubo di calore a contatto diretto, le prestazioni della soluzione del dissipatore di calore VC sono migliorate del 21,5% (11,6 gradi), mentre il costo è aumentato solo del 4,55%. Tuttavia, l'aumento dello spessore della parete del dissipatore di calore in PVC ha comportato un aumento di circa 75 g del peso del radiatore del dissipatore di calore.
4. Dissipatore di calore a piastra di temperatura uniforme 3D
Dissipatore di calore a piastra con temperatura uniforme 3D
In questo progetto, la piastra inferiore che assorbe il calore è una camera di vapore che condivide un passaggio del vapore con il tubo di calore del condensatore verticale. Durante la fase di produzione, 8 tubi di calore di tipo aperto vengono brasati in una piastra con camera di vapore dotata di aperture; La camera di vapore è a diretto contatto con la fonte di calore, distribuendo uniformemente il calore lungo il piano XY e disperdendolo alle alette attraverso tubi di calore verticali.
CFD del dissipatore di calore 3D con camera di vapore
Questo design ha le migliori prestazioni, ma il costo è elevato. Rispetto al suo concorrente più vicino, il design della piastra del dissipatore di calore in PVC a forma di U, la sua temperatura è diminuita di quasi 2 gradi (le prestazioni sono aumentate del 4,9%), ma il suo prezzo è raddoppiato (aumentato del 117%).
Tuttavia, va notato che questo caso non ha evidenziato pienamente i potenziali vantaggi della progettazione della camera di vapore 3D. All’aumentare della dimensione della piastra inferiore richiesta, aumenta anche la differenza di prestazioni tra questa soluzione e il design della piastra della camera di vapore a forma di U.
riepilogo
La tabella seguente mostra che cambiando il materiale o i componenti bifase del dissipatore di calore si può ottenere un notevole miglioramento delle prestazioni. Dal dissipatore di calore di riferimento basato in alluminio alla soluzione con piastra del dissipatore di calore VC 3D, le prestazioni sono state migliorate di 17 gradi, ma il costo è aumentato del 150%.
Confronto tra prestazioni e costi del radiatore
Sostituendo la base con materiale in rame con conduttività termica più forte o mettendo il tubo termico a diretto contatto con la fonte di calore, è possibile ottenere un moderato miglioramento delle prestazioni di circa il 7% -15% e un aumento dei costi (rispetto al benchmark) .
Il progetto con il miglior valore complessivo considerati i parametri applicativi può essere un dissipatore di calore a camera di vapore. Sebbene sia più caro del 15% rispetto al prezzo di riferimento, le sue prestazioni sono migliorate del 28% (di 15,2 gradi).
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