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2단계 열 솔루션 가이드

개요

수십 년 동안 Boyd는 가전 제품에서 우주 응용 제품에 이르기까지 모든 것을 위한 우수한 솔루션을 갖춘 2단계 냉각의 선도적인 혁신가였습니다. Boyd는 이 경험과 전문 지식을 활용하여 이 참조 가이드를 개발하여 두 단계 기술을 이해하고 애플리케이션에 적합한 솔루션을 찾을 수 있도록 지원합니다. 이 문서에서는 응용 프로그램에 가장 적합한 기술을 선택할 때 고려해야 할 사항뿐만 아니라 가장 인기 있는 2단계 열 솔루션, 통합 및 사용자 지정에 대해 설명합니다. 히트 파이프, 증기 챔버 또는 보온력을 활용하는 것이 최적의 총 가치를 위해 보다 컴팩트한 형상에서 더 높은 성능으로 냉각을 최적화하는 가장 좋은 방법이 될 수 있습니다.

소개

전 세계의 전자 장치가 더 많은 전력 기능과 신뢰성을 요구함에 따라 열은 최대화된 성능을 달성하고 주요 혁신을 실현하는 데 있어 주요 장벽 중 하나로 남아 있습니다. 모든 산업, 특히 모바일, 의료, 통신 및 IoT는 가볍고 다기능적이며 고전력이며 더 신뢰할 수 있어야 하는 새로운 애플리케이션을 개발하고 있습니다. 엔지니어들은 소비자들이 더 많은 옵션과 기능을 갖춘 더 작고, 더 얇고, 더 강력한 장치를 요구함에 따라 과도한 열을 효과적으로 처리하기 위해 고군분투하고 있습니다.

두 단계 냉각은 이러한 문제를 해결하는 데 빠르게 인기를 얻고 있습니다. 이러한 기술은 더 빠른 발산, 경량화, 높은 신뢰성 및 수명을 위해 열 확산에 특히 이상적이지만 가장 큰 이점은 설계 유연성과 냉각 효율과 용량을 크게 향상시키는 시스템에 쉽게 통합 할 수있는 능력입니다. 능동적 인 공기 냉각 또는 액체 냉각만으로는 종종 너무 크고 번거롭고 음향, 무게 및 진동과 같은 자체 합병증이 있습니다. 더 많은 활성 구성 요소를 통합하거나 설계함으로써 두 단계는 음향 및 진동 문제를 해결할 수 있습니다.

대부분의 엔지니어는 요인에 대해보다 선형적이고 매우 유연한 위상 냉각의 이점을 제공하는 히트 파이프에 가장 익숙하지만 더 많은 열을 처리하거나 고유 한 이점과 기능을 제공 할 수있는 몇 가지 주요 유형의 두 가지 상 기술이 있습니다. 증기 챔버는 평면 지오메트리에서 열을 전달하여 균일 한 열 확산을 허용합니다. 써모사이펀은 위킹 구조를 필요로 하지 않으며 중력을 사용하여 유체를 이동시킴으로써 더 비용 효율적일 수 있습니다. 한편, 침수 냉각은 더 높은 열 부하로 작업 할 수 있기 때문에 고전력 시장에서 점점 인기를 얻고 있습니다.

다음 가이드에서는 이러한 각 기술과 이를 활용하여 응용 프로그램을 냉각할 때의 이점과 고려 사항에 대해 설명합니다.

다 기술 히트 파이프 어셈블리
두 단계 냉각 작동 방식 - 1. 열은 히트 파이프 또는 증기 챔버, 2로 들어갑니다. 소량의 유체가 증기로 증발합니다 (3). 증기는 열을 용액의 더 차가운 부분(4)으로 운반한다. 증기는 작동 유체로 다시 응축되어 열을 방출합니다 (5). 유체는 모세관 작용을 통해 내부 심지 구조물 아래로 다시 당겨진다(6). 주기 반복

두 단계 냉각 기본 사항

수동태

두 단계 기술은 움직이는 부품이 없으며 열역학 및 모세관력의 법칙에 따라 작동하므로 이러한 솔루션은 내부 마모없이 조용하고 효율적이며 매우 신뢰할 수 있습니다. 이를 통해 성능 저하 없이 제품 수명을 연장하고, 음향을 개선하며, 낮은 온도로 인한 보증 기간을 연장할 수 있습니다.

고효율

히트 파이프 및 증기 챔버는 구리, 알루미늄 및 흑연과 같은 고체 열 전도성 물질의 전도도가 10X - 200X입니다. 그들은 또한 고체 도체보다 훨씬 가볍고 재료를 덜 사용하는 경향이 있습니다. 이를 통해 솔루션은 동일한 부피에서 더 적은 무게로 더 많은 열을 운반 할 수 있으며, 그 반대의 경우도 히트 파이프는 고체 용액보다 훨씬 작은 무게와 부피로 동일한 양의 열을 운반 할 수 있습니다.

증기 챔버는 평면, X-Y 확산에 활용되는 반면, 히트 파이프는 일반적으로 히트 싱크 베이스 확산을 강화하거나 핀 효율을 높이기 위해 강등되기 때문에 특히 효과적입니다. 단일 또는 다중 칩의 열을 증기 챔버의 증가 된 표면적에 걸쳐 확산시키는 것은보다 균일 한 열 전달을 생성하고 냉각을 향상시킵니다.

두 단계 기술의 높은 효율과 효능은 더 낮고 규제된 터치 온도를 가능하게 합니다. 향상된 열 확산은 또한 사용자의 안전과 편안함을 향상시키고 장치가 지속적으로 작동하거나 평균 사용 시간보다 오래 지속되는 경우 과열 가능성을 줄입니다. 이를 통해 과열 또는 화재로 인한 장치 고장에 대한 사용자 불만을 완화 할 수 있습니다. 팬 사용을 줄이거나 제거할 수 있는 두 단계 어셈블리는 음향 및 진동 문제를 완화할 수 있습니다.

비용 효율이 좋음

무게 감소, 재료 사용량 및 성능 향상으로 비용 절감 효과도 절감됩니다. 더 나은 냉각을 통해 더 작은 솔루션과 BOM 절감 또는 더 많은 구성 요소와 추가 기능을 위한 더 많은 공간을 확보할 수 있습니다. Boyd에서 활용되는 것과 같은 고급 엔지니어링 및 DFM(제조 설계) 기술을 통해 비용 절감을 더욱 강화할 수 있습니다. 최적의 성능을 위한 효과적인 열 모델링 및 테스트와 프로토타입에서 대량으로 확장 가능한 제조를 위해 특별히 설계함으로써 비용 절감을 더욱 개선하고 최종 고객에게 전달할 수 있습니다. 써모사이펀 기술은 중력이 고정될 때 추가 비용 효율성을 제공할 수 있습니다. 위킹 구조가 없으며 제조 단계를 부정하면 시간과 비용이 절약됩니다.

설계 유연성 증대

위킹 구조는 증기 챔버와 히트 파이프가 응축기보다 높은 증발기를 사용하여 중력에 대항하는 것을 포함하여 성능에 최소한의 영향을 미치는 것을 포함하여 모든 방향으로 작동 할 수있게합니다. 이러한 기능을 통해 가로, 세로 및 반전을 포함한 다양한 방향으로 작동해야 하는 모바일, 휴대용 및 가전 제품에 이상적입니다.

여러 방향 외에도 이러한 솔루션은 고유하고 높은 공차 형상에 대해 향상된 설계 유연성을 제공합니다. 히트 파이프는 구부러지고, 평평하게하고, 열 전달 및 흐름을 최적화하도록 배열 될 수 있지만; 증기 챔버는 장착을위한 다양한 장치 높이와 관통 구멍을 수용 할 수 있습니다. 티타늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 대체 재료를 활용하면 사용자 정의 수준이 향상되어 더 나은 성능과 주요 시장 차별화를 제공합니다.

Boyd가 혁신을 계속함에 따라 당사의 기술은 설계 및 재료를 최대한 활용하여 응용 제품 성능을 더욱 향상시키고 크기와 무게를 최적화하도록 발전했습니다. 보이드 두 단계 혁신은 새로운 제조 공정과 고급 적층 제조 관행을 통합하여 비용 절감, 제조 용이성, 설계 유연성 및 전반적인 열 성능을 더욱 향상시킵니다.

주요 혁신은 다음과 같습니다.

  • 전례없는 수준의 심지 사용자 정의 및 매우 구체적이거나 다양한 응용 프로그램 및 사용자 요구 사항에 대한 성능 일치에 도달합니다.
  • 전통적인 방법이 쉽게 생산할 수없는 방식으로 독특하고 복잡한 형상을 가능하게하는 독점적 인 방법 또는 필요한 수준의 비용 효율성.
  • 여러 형상과 특징을 단일 공정에 통합하여 제조 시간을 단축하는 고급 제조 기술. 이를 통해 노동력과 자재의 비용을 절감하고 리드 타임을 단축 할 수 있습니다.
  • 침수 냉각 보일러 플레이트와 같은 새롭고 향상된 기술과 고급 초박형 증기 챔버.
  • 열 관리에 대한 고려 및 최적화는 새로운 기술을 마케팅하는 많은 고객에게 핵심 판매 포인트가되었습니다. 열은 최종 사용자 장치 혁신의 최종 장벽 중 하나입니다.

기술

사용 시기

사용하지 않을 때

주요 이점

주요 분야

히트 파이프

핀 효율성이 저하될 때

방열판이 전체 대류 냉각 성능이 충분하지만 베이스 내에 확산되어야 하는 핫 스폿이 발생하는 경우.

증기 챔버가 아닌 여러 히트 파이프를 구현하는 것이 더 간단 할 때.

열을 열원에서 멀리 운반해야 할 때

열원과 열을 발산하는 면적 사이의 거리가 ~<70mm로 짧을 때.

열원이 방열판 베이스와 유사한 크기일 때 핀 효율은 허용된다.

필요한 히트 파이프의 수가 너무 많으면 증기 챔버를 사용하는 것이 더 효율적입니다.

성능을 향상 시키거나 업그레이드하려는 노력이 거의없는 대부분의 방열판 유형에 포함될 수 있습니다.

비용 효율적이며 열 솔루션의 무게 또는 부피를 줄이면서 성능 요구 사항을 충족합니다.

모바일 장치
게임
서버, 네트워킹 및 텔레콤의 엔터프라이즈 응용 프로그램.
산업용
E-모빌리티
의료용

증기 챔버

방열판이 충분한 냉각 성능을 가지고 있지만 히트 싱크베이스를 덜 효과적으로 만드는 핫 스폿으로 사용할 때.

성능 요구 사항이 최대 확산 성능을 보증하고 충분한 히트 파이프를 물리적 또는 경제적으로 내장할 수 없는 경우

과도한 수의 관통 구멍과 주머니가있는 기지의 경우.

히트 파이프를 추가 할 때 요구 사항을 충족시키지 못합니다.

방열판의 바닥에 이상적인 열이 확산되어 모든 핀이 부착되어 가능한 한 효율적으로 만들 수 있습니다.

흑연 대비 훨씬 더 높은 효과적인 열전도율을 가능하게 합니다.

3Dvc를 사용할 때 열이 3D 볼륨을 통해 확산되고 전체 볼륨이 흐를 수 있습니다.

AR / VR을 포함한 모바일 장치
게임
Server, 네트워킹 및 텔레콤의 엔터프라이즈 응용 프로그램.
산업용
E-모빌리티

열 사이펀

열원과 핀 열교환기 표면 또는 응축기 사이의 전력 및 거리가 열사이펀의 2개 튜브 대 필요한 히트 파이프의 과도한 수로 인해 히트 파이프가 실용적이지 않도록 할 때.

전력이 핀 응축기 내의 3D 볼륨에 걸쳐 분배되어야 할 때 히트 파이프를 핀 스택에 배치하는 것보다는보다 효과적으로

열원이 중력에 대하여 응축기 영역 위에 있을 때.

방향이 변경되거나 다른 힘이 써모사이펀에 작용할 수 있는 경우(자동차 또는 항공 우주와 같은 움직이는 플랫폼에는 권장되지 않음).

중력을 사용하여 유체를 회수할 수 있는 한 HP 또는 VC가 원하는 더 먼 거리에서 열을 이동할 수 있는 기능을 제공합니다.

솔루션이 구리와 알루미늄의 조합을 사용하여 무게와 비용을 최소화하는 동시에 열유속이 높은 영역에서 구리를 추가 할 수 있습니다.

기업(서버, 네트워킹 및 실외 통신 장비)
산업용
전력

침지냉각

직접 액체 냉각이 고려되지만 각 PCB의 배관은 비실용적입니다.

공기 또는 액체 냉각이 각 칩에 동일한 국소 주변 조건을 주요하지 않을 때(shadowing) 냉각 용액의 설계를 통해 남는다.

**높은 열유속 구성 요소가 사용될 때 BEC가 적용된 적절한 끓는 판을 사용해야합니다.

공기 냉각이 충분한 곳

시설에 유동성을 담을 인프라가 아직 갖추어져 있지 않은 경우

소형 모바일 장치용

유체는 모든 전자 장치에 대해 일정한 국소 주변 조건을 허용합니다.

간단한 방열판으로 더 낮은 열유속으로 냉각하거나 부품을 냉각하거나 경우에 따라 방열판이 전혀 없는 경우도 있습니다.

몇 가지 고출력 또는 고열유속 부품에 초점을 맞춘 시스템 열 설계 최소화

엔터프라이즈 서버

히트 파이프

히트 파이프 어셈블리는 수동 두 상 열 수송의 입증된 신뢰성과 다양한 다른 열 관리 기술을 결합하여 효과적이고 오래 지속되는 냉각 솔루션을 생성합니다. Boyd는 오십 년 이상 히트 파이프 솔루션을 혁신하고 제작해 왔습니다. 우리의 경험을 통해 우리는 가장 까다로운 환경 조건에서 작동하는 효과적이고 오래 지속되는 냉각 솔루션을 설계하고 제조 할 수 있습니다.

연성 구리 벽과 심지는 구부러짐 또는 평탄화를 가능하게 하여 응용 제품의 열 및 기하학적 요구 사항을 충족합니다. 이는 전체 높이를 줄이거나, 표면 접촉을 늘리거나, 장착 하드웨어와 같은 배제 영역 주위로 히트 파이프를 라우팅하는 데 사용할 수 있습니다.

히트 파이프는 더 빠른 열 확산을 위해 다른 기술에 내장되거나 시스템 내에서 열원에서 안전하게 발산될 수 있는 곳으로 열을 전달하기 위해 활용될 수 있습니다. 구리-물 히트 파이프는 종종 효과적인 전도성과 효율성을 향상시키기 위해 열 관리 어셈블리에 통합되어 전반적인 시스템 성능을 향상시킵니다.

임베디드 구리 히트 파이프

히트 파이프 변형

  • 대체 재료 및 유체
    • 극저온 옵션, 극한의 온도 변화, 고열 허용
  • 유연성
    • 벨로우즈를 사용하면 히트 파이프 성능을 저하시키지 않고 자주 접고 움직일 수 있습니다.
  • 초박형
    • 매우 낮은 프로파일 응용 프로그램을 허용하는 평평한 히트 파이프 근처.
  • 루프 히트 파이프
    • 최대 23미터의 장거리에서 열방향을 운반하고 제어합니다.

구리 - 물 히트 파이프에 대한 일반적인 매개 변수

길이 : 75mm - 500mm **
직경 : 3mm-9.5mm **
재질 : 고순도 구리
액체: 물**

일반적인 비작동 온도 범위: -55° ~ 180°C(물)

  • 소결 구리 분말
  • 축경 그루브
  • 와이어 메쉬 스크린


최대 열유속: >300 W/cm2

수명: 최대 20 년

** 더 큰 크기와 다양한 작동 유체는 응용 용도에 따라 사용할 수 있습니다.

주문 증기 약실

증기 챔버

증기 챔버는 평면 형식으로 두 상 냉각의 높은 열 수송 기능을 활용하므로 증기 챔버는 높은 열 밀도 또는 열 부하를 더 큰 표면에 분산시킬 때 이상적인 구성 요소를 조립합니다. 이를 통해 더 균일한 열 확산이 가능하므로 방열판 성능을 최적화할 때 이상적입니다.

Boyd는 증기 챔버를 특수 공랭식 방열판에 통합하여 각 핀에 대한 열 분포를 개선하여 방열판의 전반적인 성능을 향상시킵니다. Boyd는 다양한 재료와 작동 유체로 개발하고 제조하기 위해 지속적으로 혁신하고 있습니다. 여기에는 PEM 연료 전지 및 저높이 소비자 및 모바일 전자 제품과 같은 응용 분야에서 고열 밀도, 고강도 냉각을 위한 초박형 구리-물 및 스테인리스강-수증기 챔버가 포함됩니다.

추가 고려 사항 및 이점

  • 더 차가운 장치 온도를 위한 보다 균일한 열 확산
  • 핀을 보다 효과적으로 사용하여 방열판 부피와 전체 열 솔루션 무게를 줄입니다(또는 동일한 볼륨을 사용하여 열 부하/장치 성능 향상).
  • 복잡한 구부러진 형상을 가진 여러 히트 파이프가 아닌 하나의 증기 챔버를 사용하여 열 용액 복잡성을 줄입니다.
  • 지퍼 핀 또는 폴딩 핀과 같은 핀은 납땜에 의해 증기 챔버에 직접 장착 될 수 있습니다.
  • 증기 챔버는 또한 납땜 또는 열 에폭시에 의해 압출되거나 주조 된 히트 싱크 베이스와 함께 포켓에 삽입될 수 있다.

진보된 3D 증기 약실

3D 증기 챔버는 일반적으로 열원의 로컬 방열판 볼륨 내에서 매우 높은 성능이 필요한 경우에 사용됩니다. 이 솔루션은 빠른 열 확산과 보다 효율적인 열 방출을 위해 베이스와 핀에 증기 챔버가 통합된 특수 공랭식 방열판입니다. 이러한 혁신적인 어셈블리는 공간이 제한되고 효율성이 핵심인 등온, 고성능 냉각에 대한 문제를 해결합니다.

고급 통합 설계 및 조립 외에도 Boyd 증기 챔버 혁신에는 고급 작동 유체 활용이 포함됩니다. 물은 여전히 주요 작동 유체이며 매우 효과적이지만 항공 우주 및 극한 환경에서 사용되는 것과 같은 일부 응용 분야에는 물을 부적합하게 만드는 요구 사항이 있습니다. 이는 극한의 온도나 열 사이클링이 있는 환경에서 특히 그렇습니다. 적절한 기능을 허용하기 위해 유체 및 재료 특성을 일치시키는 것이 필수적입니다. 호환되지 않는 재료를 사용하면 부식, 수명 단축 또는 성능 손실이 발생할 수 있습니다.

3U, 4U, 5U 및 6U 증기 챔버
CPU용 써모사이펀

열 사이펀

써모사이펀은 히트 파이프 또는 증기 챔버에 비해 더 높은 전력 열 수송을 제공하지만 사악하기 때문에 작동하려면 중력과 관련하여 알려진 방향이 필요합니다. 추가 비용 절감을 위해 Boyd는 원샷 브레이징을 가능하게 하는 고급 엔지니어링 및 간소화된 제조를 제공합니다. Boyd는 또한 보다 안정적인 고전력 냉각을 위해 수동 액체 냉각을 제공하는 루프 써모사이펀 솔루션을 개발했습니다. 써모사이펀은 종종 더 큰 열 시스템에 통합되는 구성 요소 인 히트 파이프 및 증기 챔버에 비해 더 완벽한 시스템 솔루션입니다.

열 사이펀에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

  • 열사이펀 작동 유체를 사용하여 한 공기 흐름 스트림에서 다른 공기 흐름으로 열을 거부하는 공기 대 공기 열교환기
  • 원격 콘덴서를 사용하여 열을 거부하기 위해 써모사이펀 작동 유체를 사용하여 로컬 구성 요소에서 주변 공기로 원격 열 배출.

침지냉각

침지 냉각 시스템에는 유전체 유체에 잠겨있는 CPU 및 GPU와 같은 높은 열유속 장치에 부착 된 비등판이 포함됩니다. 이 플레이트에는 작은 온도 차이로 유체의 비등을 시작하는 BEC (끓는 향상 코팅)가 포함됩니다. 유체에서 끓는 기포는 열을 표면으로 가져오고 열교환기 또는 냉각 코일 유형 응축기에서 응축 될 때 시스템의 열을 거부합니다.

Boyd의 침수 냉각 보일러 플레이트는 부품 온도가 최대 한계 이하로 유지되도록 높은 비등 용량과 낮은 온도 상승으로 최적화된 BEC(비등 향상 코팅)로 차별화된 매우 높은 성능입니다.

물자: 높은 열유속을 위한 구리 및 더 낮은 열유속 분대를 위한 알루미늄.

침수 냉각 플레이트

설계 고려 사항

두 단계 솔루션은 향상된 설계 유연성을 제공하며 매우 사용자 정의가 가능합니다. 솔루션을 최적화할 때 옵션을 고려하는 것이 중요합니다.

위킹 구조

소결 외에도 위킹 옵션에는 그루브 및 스크린 메쉬 옵션이 포함됩니다. 홈은 튜브로 압출됩니다. 스크린 또는 메쉬는 압연되어 내부 벽을 따라 파이프에 삽입됩니다.

극저온 작동 유체

작업 유체

물은 일반적으로 전자 냉각 응용 제품에 이상적인 우수한 기화 열 및 작동 온도 범위로 인해 최상의 선택입니다. 매우 낮거나 높은 온도를 요구하는 특수 응용 분야의 경우 다른 유체를 고려할 수 있습니다. 주목되는 각 작동 유체는 증기 챔버의 히트 파이프의 외벽에 사용할 수있는 호환 가능한 재료 세트를 가지고 있습니다.

재료

히트 파이프 및 증기 챔버는 구리가 가장 일반적이지만 광범위한 또는 재료 및 합금으로 제조 될 수 있습니다. 구리는 물 및 여러 다른 유체와 매우 호환되며 전도성이 높으며 제조가 쉽습니다. 추가 강도가 필요한 경우, 스테인레스 스틸 또는 티타늄은 중량 감소가 필요할 때 후자의 최선의 선택으로 선택 될 수 있습니다.

재료

인장 강도
(마파)

밀도
(kg/m3)

특정 강도
(kNm/kg)

구리 (Cu)

220

8960

24.5

스테인레스 스틸 (SS)

505

7700

65.5

다음은 무엇입니까?

Boyd의 수십 년간의 혁신 전문 지식, 경험, 자원 및 여러 기술을 간소화 된 제품에 통합하기위한 고유 한 접근 방식은 회사를 혁신과 향상된 제조의 최전선에 계속 유지할 것입니다. 냉각 솔루션을 개선하거나 개조할 준비가 되었거나 다음 세대를 위한 새로운 과제를 해결하고자 하는 경우 Boyd에 연락하여 두 단계 솔루션, 사용자 정의 및 더 나은 최적화된 냉각을 위한 기타 가능성에 대해 자세히 알아보십시오.

질문이 있으십니까? 저희가 도와드리겠습니다!