图像

两阶段热溶液指南

概述

几十年来,Boyd 一直是两阶段冷却的领先创新者,为从消费电子产品到空间应用的所有产品提供卓越的解决方案。Boyd 利用这一经验和专业知识开发本参考指南,帮助您了解两个阶段的技术,并为您的应用找到合适的解决方案。本文解释了最流行的两相热解决方案、集成和自定义,以及在为您的应用选择最佳技术时要考虑什么。利用热管、均温板或热管是优化冷却的最佳方式,在更紧凑的几何形状中具有更高的性能,以获得最佳的总价值。

简介

随着世界各地的电子产品需要更多的电源功能和可靠性,热量仍然是实现性能最大化和实现重大创新的主要障碍之一。每个行业,特别是移动、医疗、电信和物联网,都在开发新的应用,这些应用具有轻量级、多功能、高功率和更可靠的要求。工程师正在努力有效地处理多余的热量,因为消费者需要更小,更薄,更强大的设备以及更多的选择和功能。

两相冷却在解决这些问题方面正迅速普及。这些技术特别适用于散热,可实现更快的耗散、轻量化、更高的可靠性和使用寿命,但它们最重要的优势是设计灵活性以及能够轻松地将它们集成到系统中,从而大大提高冷却效率和容量。单独的主动风冷或液体冷却通常太大且过于繁琐,并且具有自身的复杂性,例如声学,重量和振动。通过集成或设计出更多的有源元件,两相也可以解决声学和振动问题,

虽然大多数工程师最熟悉热管,热管提供了以更线性和非常灵活的系数进行相冷的好处,但有几种主要类型的两相技术可以处理更多的热量或具有自己的特定优点和功能。蒸汽室以平面几何形状传递热量,允许我均匀地传热。热虹吸管不需要芯吸结构,通过使用重力来移动流体可以更具成本效益。同时,浸入式冷却在高功率市场中变得越来越流行,因为它们可以与更高的热负荷一起工作。

以下指南将介绍这些技术中的每一种,以及利用它们来冷却应用程序时的好处和注意事项。

多技术热管组件
两相冷却的工作原理 - 1.热量进入热管或蒸气室,2.少量的流体蒸发成蒸气,3.蒸汽将热量带到溶液的较冷部分,4。蒸汽凝结回工作流体,释放热量,5.流体通过毛细管作用被拉回内部灯芯结构,6.循环重复

两相冷却基础知识

被动

两相技术没有移动部件,并基于热力学和毛细管力定律工作,使这些解决方案安静,高效且非常可靠,没有内部磨损。这样可以延长产品使用寿命,而不会降低性能,改善声学效果,并且由于温度较低而延长保修期。

高效

热管和蒸汽室的电导率为铜、铝和石墨等固体导热材料的 10 -200 倍。它们也往往比实心导体更轻,使用的材料更少。这使得解决方案能够在相同的体积内以更少的重量传输更多的热量,或者反之亦然,热管可以在比固体解决方案小得多的重量和体积中传输相同数量的热量。

蒸汽室特别有效,因为它们用于平面X-Y扩散,而热管通常用于增强散热器底座扩散或提高其翅片效率。将来自单个或多个芯片的热量散布在增加的蒸汽室表面积上,可以产生更均匀的传热并改善冷却。

两相技术的高效率和高效率可实现更低、更稳定的触摸温度。改进的散热性能还提高了用户的安全性和舒适性,并降低了设备持续运行或超过平均使用时间时过热的可能性。这减轻了用户对由于过热甚至着火而导致的设备故障的投诉。可以减少或消除风扇的使用,两相组件可以减轻声学和振动问题。

经济高效

更轻的重量、更少的材料使用和更高的性能也节省了成本。更好的冷却允许更小的解决方案和BOM节省,或者为更多组件和附加功能提供更多空间。通过先进的工程和制造设计(DFM)技术(如Boyd使用的技术),可以进一步节省成本。通过有效的热建模和测试,实现最佳性能,并专门设计从原型到大批量生产的可扩展制造,可以进一步提高成本节约并将其传递给最终客户。当重力固定时,热虹吸技术可以提供额外的成本效益。没有芯吸结构,并且否定制造步骤可以节省时间和金钱。

提高设计灵活性

吸湿排汗结构允许蒸汽室和热管在任何方向上运行,包括蒸发器高于冷凝器的重力,对性能的影响最小。这种能力使它们非常适合需要在各种方向(包括横向,纵向和倒置)中操作的移动,便携式和消费电子产品。

除了多个方向外,这些解决方案还为独特和高公差几何形状提供了更大的设计灵活性。而热管可以弯曲,压平和布置,以优化传热和流动;蒸汽室可以容纳各种设备高度和用于安装的通孔。利用钛或不锈钢等替代材料,可以提高定制水平,提供更好的性能和关键的市场差异化。

随着Boyd的不断创新,我们的技术已经发展到充分利用设计和材料,以进一步提高应用性能并优化尺寸和重量。Boyd两阶段创新结合了新的制造工艺和先进的增材制造实践,以进一步提高成本节约,易于制造,设计灵活性和整体热性能。

主要创新包括:

  • 达到前所未有的灯芯定制水平和性能匹配,以满足高度特定或不同的应用程序和用户要求。
  • 专有方法,用于实现独特而复杂的几何形状,而传统方法无法轻松生产或具有所需的成本效益水平。
  • 先进的制造技术,可在单个工艺中集成多种几何形状和特征,从而缩短制造时间。这样可以节省劳动力和材料成本,并缩短交货时间。
  • 新的和改进的技术,如浸没式冷却锅炉板到先进的超薄蒸汽室。
  • 对热管理的考虑和优化已成为我们许多客户营销新技术的关键卖点。热量是最终用户设备创新的最终障碍之一。

技术

何时使用

何时不使用

主要优势

主要行业

热管

翅片效率差时

当散热器具有足够的整体对流冷却性能,但遇到需要在底座内分布的热点时。

当实现多个热管而不是蒸汽室更简单时。

当热量需要输送到远离热源的地方时

当热源与散热面积之间的距离较短~<70mm时。

当热源的尺寸与散热器底座相似且翅片效率可接受时。

当所需的热管数量过高并且使用蒸汽室更有效时。

可以包含在大多数散热器类型中,几乎无需努力增强或升级其性能。

具有成本效益,可满足性能需求,同时减轻散热解决方案的重量或体积。

移动设备
赌博
服务器、网络和电信中的企业应用程序。
工业
电动交通
医疗

均温板

当散热器具有足够的散热性能,但作为热点会使散热器底座的效率降低时。

当性能要求保证最大的铺展性能,并且不允许在物理上或经济上嵌入足够的热管时

适用于通孔和型腔过多的底座。

当添加热管时将不符合要求。

允许理想的热量在散热器的底座上扩散,使连接到散热器上的所有翅片尽可能高效。

与石墨相比,可实现更高的有效导热性

当使用3Dvc时,可以允许热量扩散和整个3D体积

移动设备,包括 AR/VR
赌博
服务器、网络和电信中的企业应用程序。
工业
电动交通

虹吸管

当热源与翅片式热交换器表面或冷凝器之间的功率和距离使得热管不实用时,由于需要的热管数量过多,而热虹吸管的2个管子。

当电力需要分布在翅片式冷凝器内的3D体积上时,比将热管放置在翅片堆叠中更有效

当热源相对于重力高于冷凝器区域时。

当方向可能改变,或者其他力可能作用在热虹吸管上时(不建议用于移动平台,如汽车或航空航天)。

提供在HP或VC的更远距离上移动热量的能力,只要可以使用重力来返回流体。

允许解决方案使用铜和铝的组合,以最大限度地减轻重量和降低成本,同时仍然能够在高热通量区域添加铜。

企业(服务器、网络和室外电信设备)
工业
电力

浸入式冷却

当考虑直接液体冷却但每个PCB上的管道是不切实际的时。

当空气或液体冷却不主要时,每个芯片的相同当地环境条件(阴影)留下冷却解决方案的过度设计。

**当使用高热通量组分时,必须使用带有BEC的适当沸腾板。

空气冷却充足的地方

设施尚未具备容纳液体的基础设施

适用于小型移动设备

流体允许所有电子设备的恒定本地环境条件

允许使用简单的散热器或在某些情况下根本没有散热器以较低的热通量冷却或组件。

最大限度地减少系统热设计,重点关注几个高功率或高热通量组件

企业服务器

热管

热管组件将被动式两相传热的可靠性与各种其他热管理技术相结合,以产生有效、持久的冷却解决方案。五十多年来,Boyd一直在创新和制造热管解决方案。我们的经验使我们能够设计和制造在最苛刻的环境条件下运行的有效和持久的冷却解决方案。

延展性铜壁和灯芯可实现弯曲或压平,以满足应用的热和几何要求。这可用于降低整体高度,增加表面接触,或在安装硬件等禁止区域周围布线热管。

热管可以嵌入其他技术中以更快地传热,或者在系统内利用热管将热量从热源输送到可以安全消散的地方。铜水热管通常集成到热管理组件中,以提高有效的导电性和效率,从而提高整体系统性能。

嵌入式铜热管

热管变化

  • 替代材料和流体
    • 允许低温选择,极端温度变化,高温
  • 柔性
    • 使用波纹管允许频繁折叠和移动,而不会降低热管性能
  • 超薄
    • 靠近平坦的热管,允许极薄的应用。
  • 环路热管
    • 长距离输送和控制热量方向,可达 23 米。

铜水热管的典型参数

长度:75毫米 - 500毫米**
直径:3毫米-9.5毫米**
材料:高纯铜
流体:水**

典型非工作温度范围:-55° 至 180°C(水)

    管芯
  • 烧结铜粉
  • 轴向凹槽
  • 铁丝网屏幕


最大热通量: >300 W/cm2

使用寿命:长达 20 年

** 根据应用用途提供更大的尺寸和不同的工作流体

定制蒸气室

均温板

蒸汽室利用平面两相冷却的高传热能力,使蒸汽室组件成为在较大表面上扩散高热密度或热负荷时的理想组件。这样可以增加和更均匀的散热,这是优化散热器性能的理想选择

Boyd将蒸汽室集成到专门的风冷散热器中,以改善每个翅片的热量分布,从而提高散热器的整体性能。Boyd不断创新,以各种材料和工作流体开发和制造它们。这包括我们的超薄铜水蒸气室和不锈钢水蒸气室,用于PEM燃料电池和薄型消费电子和移动电子产品等应用中的高热密度,高强度冷却。

其他注意事项和好处

  • 更均匀的热扩散,适用于较冷的设备温度
  • 通过更有效地使用翅片(或使用相同的体积来提高热负荷/设备性能),减少散热器体积和整体散热解决方案重量
  • 通过使用一个蒸汽室而不是具有复杂弯曲几何形状的多个热管来降低热解决方案的复杂性
  • 拉链翅片或折叠翅片等翅片可以通过焊接直接安装到蒸汽室中。
  • 蒸汽室也可以通过焊接或热环氧树脂与挤出或铸造的散热器底座一起插入到口袋中。

先进的 3D 蒸汽室

3D蒸汽室通常用于在热源处的局部散热器体积内需要极高性能的情况。这些解决方案是专用的风冷散热器,其蒸汽室并入底座和翅片中,以实现快速散热和更有效的散热。这些创新组件解决了等温、高性能冷却的挑战,其中空间有限,效率是关键。

除了先进的集成设计和组装外,Boyd蒸气室的创新还包括利用先进的工作流体。虽然水仍然是主要的工作流体并且非常有效,但一些应用(例如航空航天和极端环境中使用的应用)的要求使水不合适。在极端温度或热循环的环境中尤其如此。必须匹配流体和材料属性,以实现适当的功能。使用不相容的材料会导致腐蚀、缩短使用寿命或性能下降。

3U、4U、5U 和 6U 蒸汽室
用于 CPU 的热虹吸管

虹吸管

与热管或蒸汽室相比,热虹吸管提供更高功率的热传输,但由于它们是无芯的,因此它们需要相对于重力的已知方向才能运行。为了进一步节省成本,Boyd提供先进的工程和简化的制造,可实现一次性钎焊。Boyd还开发了回路热虹吸管解决方案,提供被动液体冷却,以实现更可靠的大功率冷却。与热管和蒸汽室相比,热虹吸管通常是更完整的系统解决方案,而热管和蒸汽室通常是集成到更大热系统中的组件。

有两种主要类型的热虹吸管:

  • 空气对空气热交换器,利用热虹吸工作流体将热量从一个气流排斥到另一个气流
  • 使用热虹吸工作流体将热量从局部组件远程喷射到环境空气中,以使用远程冷凝器拒绝热量。

浸入式冷却

浸入式冷却系统包括一个沸腾板,该板连接到浸没在介电液中的高热通量设备(如CPU和GPU)上。这些板包括BEC(沸腾增强涂层),该涂层以较小的温差启动流体的沸腾。在流体中沸腾的气泡将热量带到表面,并在换热器或冷却盘管式冷凝器上冷凝时拒绝来自系统的热量。

Boyd的浸没式冷却锅炉板具有极高的性能,其独特之处在于具有高沸腾能力和低温升的沸腾增强涂层(BEC),可确保组件温度保持在最大限值以下。

材料:铜用于高热通量,铝用于低热通量组件。

浸入式冷却板

设计注意事项

两相解决方案提供了更高的设计灵活性,并且具有极强的可定制性。在优化解决方案时,考虑您的选择至关重要。

芯吸结构

除烧结外,芯吸选项还包括凹槽和筛网选项。凹槽与管子一起挤出。筛网或网被卷起并沿着内壁插入管道中。

低温工作液

工作流体

水通常是最佳选择,因为它具有出色的汽化热和工作温度范围,是电子冷却应用的理想选择。对于需要极低或极高温度的专业应用,可以考虑其他流体。每个工作流体都有一组兼容的材料,可用于蒸气室热管的外壁。

材料

热管和蒸汽室可以制造成各种材料和合金,尽管铜是最常见的。铜与水和其他几种流体非常相容,导电性高,易于制造。如果需要额外的强度,可以选择不锈钢或钛,后者是需要减轻重量时的最佳选择。

材料

抗拉强度
(兆帕)

密度
(千克/米3

比强度
(千米/千克)

铜(铜)

220

8960

24.5

不锈钢 (不锈钢)

505

7700

65.5

下一步是什么?

Boyd数十年的创新专业知识,经验,资源和将多种技术集成到简化产品中的独特方法将继续使公司保持在创新和改进制造的最前沿。如果您已准备好改进或改造您的冷却解决方案,或者希望为下一代应对新的挑战,请首先联系 Boyd,了解有关两相解决方案、定制和其他可能性的更多信息,以更好地优化冷却。

有疑问?我们随时可以提供帮助!