베이퍼 챔버 Vapor Chamber

표준 히트 파이프는 히트 파이프의 축을 따라서 만 열을 전달하므로 개별 열원을 냉각하는 데 가장 적합합니다. Vapor Chambers 또는 High Conductivity (HiK ™) Plates는 더 넓은 면적의 소스에서 열을 수집하고 열을 확산하거나 냉각을 위해 콜드 레일로 전달하는 데 사용됩니다. 증기 챔버는 일반적으로 열유속이 높은 응용 분야 또는 진정한 2차원 확산이 필요한 경우에 사용됩니다. 저비용 HiK ™ 플레이트는 맞춤형 방향의 높은 전도성 만 필요할 때 사용됩니다.

 

 

증기 챔버는 평면형 히트 파이프로 열을 2차원으로 확산시킬 수 있습니다. 일반적으로 상대적으로 작은 증발기 영역에 고출력 및 열유속이 적용될 때 사용됩니다. 작동 중에 증발기로 입력된 열은 증발기 심지 내의 액체를 증발시킵니다. 그런 다음 증기는 챔버 전체로 흐르고 등온 열 확산기를 만듭니다. 그런 다음 증기는 응축기 표면에서 응축되어 열이 강제 대류, 자연 대류 또는 액체 냉각에 의해 제거됩니다. 심지의 모세관 힘은 응축수를 증발기로 되돌립니다. 대부분의 증기 챔버는 중력에 민감하지 않으며 증발기가 응축기 위에 있는 상태에서 뒤집어도 작동합니다.

증기 챔버의 장점 중 하나는 열유속 변압기로 사용할 수 있고, 전자 칩이나 레이저 다이오드에서 높은 열유속을 냉각하고 자연 대류 또는 강제 대류로 제거할 수 있는 낮은 열유속으로 변환할 수 있다는 것입니다.

 

 

아래 그림 1은 일반적인 구리 / 수증기 챔버의 구성 요소를 보여줍니다. 증기 챔버에는 100 ° C 미만의 온도 (증기 챔버의 압력이 대기압보다 낮음)에서 상단 덮개를 지지하는 일련의 구리 기둥이 있습니다. 그림 2에 표시된 핀은 강제 대류에 의해 열을 제거하는 데 사용됩니다.

심지는 4cm 이상 2000W까지 제거할 수 있는 높은 열유속 증기 챔버를 위해 개발된2 또는 1cm 이상 700 W 2. 이러한 심지 중 하나의 예가 그림 2에 나와 있습니다. 그림 3에 표시된 것처럼 심지는 열 저항이 매우 낮은 높은 열유속 냉각을 제공합니다.

 

그림 1. 일반적인 증기 챔버 구성 요소, 위에서 아래로 : 1. 핀 스택, 2. 증기 챔버 증발기, 3. 증기 챔버 뚜껑.

 

 

그림 2. 특별히 설계된 증기 챔버 심지는 4cm 2에서 2000W 또는 1cm 2에서 700W를 제거할 수 있습니다.

 

 

그림 3. 혁신적인 심지 디자인은 증기 챔버의 전체 저항을 0.12 ° C-cm2 / W 미만으로 줄입니다.

 

 

그림 4. (a) 일반적인 증기 챔버. (b) 증기 챔버 내부. (c) DBC 엔벨로프가 있는 증기 챔버, 수직 공동 표면 방출 레이저 칩의 다이 부착용.

 

그림 4 (a)는 몇 가지 일반적인 증기 챔버를 보여주고, 그림 4 (b)는 증기 챔버 내부와 면판의 예를 보여줍니다. 그림 4 (c)는 수직 공동 표면 방출 레이저 (VCSEL) 칩을 직접 장착하기 위한 DBC (Direct Bond Copper) 엔벨로프가 있는 증기 챔버를 보여줍니다. (또한 "낮은 CTE, 높은 열 플럭스, 높은 전력, 낮은 저항 증기 챔버 또는 열 접지면"참조 ).

 

 

증기 챔버와 스폿 냉각 히트 파이프의 주요 차이점은 증기 챔버는 2차원으로 열을 전달하는 반면, 스폿 냉각 히트 파이프는 한 차원에서만 열을 전달한다는 것입니다. HiK ™ 플레이트는 열전도율과 비용이 낮으며 열을 1.5차원으로 분산시킵니다. 증기 챔버는 HiK ™ 플레이트 밀도의 약 2.3 배이지만 효과적인 열전도율은 10 ~ 100 배 더 높습니다.

 

 

 

증기 챔버 이점 및 제한 사항

 

표 1은 증기 챔버의 주요 이점과 한계를 보여줍니다. 증기 챔버의 장점은 1-2 ° C까지 등온이고 여러 구성 요소를 냉각하는 데 사용할 수 있으며 3mm까지 얇게 만들 수 있으며 열 저항이 낮다는 것입니다. 표준 심지의 열유속은 히트 파이프와 유사하지만 심지 향상을 통해 크게 증가할 수 있습니다.

 

 

표준 히트 파이프 제한 사항 외에도 증기 챔버는 HiK ™ 플레이트에 비해 비용이 높고 구조 부재로 사용할 수 없다는 것이 주요 제한 사항입니다. 수압이 대기보다 높을 때 페이스 시트가 휘는 경향이 있기 때문에 표준 증기 챔버의 최대 온도는 105 ° C입니다. 특수 증기 챔버 설계를 사용하면 온도를 150 ° C까지 높일 수 있습니다.

 

마지막으로, 여기에 설명된 다른 장치는 서로에 대해 임의의 방향으로 열 입력 및 열 출력 표면을 가질 수 있습니다. 대조적으로, 증기 챔버의 증발기와 응축기는 항상 평행하거나, 평면 또는 증기 챔버의 반대쪽에 있습니다.

 

 

표 1. 증기 챔버의 장점과 한계

혜택	한계
두께 3mm (0.12 인치)	표준 히트파이프 제한
캡슐화된 전도 냉각보다 저렴	HiK ™ 플레이트에 비해 비용 증가
우수한 열 확산	다른 옵션보다 더 높은 최소 두께
우수한 열 확산	중량 패널티를 지불하지 않고 구조 부재로 사용할 수 없습니다.
저항 <0.15 ° C / W, <0.08 ° C / W 특수 심지	표준 증기 챔버의 경우 최대 105 ° C, 향상된 증기 챔버의 경우 150 ° C
우수한 등온 화	증발기와 응축기는 동일한 평면 또는 평행 평면에 있어야 합니다.
높은 열유속에서 낮은 열유속 변환
동결 / 해동 내성
높은 열유속 / 고성능 애플리케이션에 이상적입니다. 열유속> 60 W / cm 2 , 특수 심지의 경우 최대 750 W / cm 2
전자 장치에 직접 결합 가능
열 순환의 영향을 받지 않음

 

증기 챔버 선택 매개 변수

증기 챔버는 다음에 가장 적합합니다.

최대 750 W / cm 2의 매우 높은 열 유속

얇은 구조의 플럭스 변환

매우 균일 한 온도 프로파일

선택 기준은 표 2에 나와 있습니다.

증기 챔버에 대해 기억해야 할 중요한 사항은 히트 파이프와 유사한 이점이 있다는 것입니다.

높은 효과적인 열 전도율, 수동 작동, 매우 높은 열 유속을 처리할 수 있는 능력, 다이렉트 다이에 사용할 수 있습니다.

AlN DBC와 연결합니다.

 

 

표 2. 증기 챔버 선택 기준.

매개 변수
표준 시스템의 최대 열유속	~ 60 ~ 70W / cm 2
최적화 된 심지, 특정 위치에 대한 최대 열유속	500 W / cm 2 over 4 cm 2                                                      750 W / cm 2 over 1 cm 2
효과적인 열전도율	5,000 ~ 100,000 W / mK
밀도 대 Al	~ 2.8
퍼짐	2차원
최소 두께	3mm (0.120 인치)
최대 치수	10 인치 x 20 인치 (25cm x 50cm)
최대 가속	2-3g
최저 온도	-55 ° C, 전도열 전달은 0 ° C 미만에서만 가능
최대 온도	비표준 설계의 경우 ~ 105 ° C, 150 ° C
봉투 재료 :	구리
직접 접착 용 봉투 재료 :	AlN 직접 결합 구리
일반적인 배송 시간	8-10 주

 

 

 

히트 파이프 및 증기 챔버 – 차이점은 무엇입니까?

 

열 시스템 설계 프로젝트의 어느 시점에서 열효율을 높이기 위한 검증된 방법 (솔리드베이스, 핀 및 팬)만으로는 충분하지 않다는 것이 분명해질 수 있습니다. 이유는 다음과 같습니다.

• 제한 구역은 더 큰 방열판 (두꺼운 베이스, 추가된 핀 영역 등)을 금지합니다.
• 인클로저 크기 및 / 또는 공기 흐름을 늘릴 수 없습니다.
• 전체적으로 또는 부분적으로 견고한 구리 방열판으로 전환하면 너무 많은 무게가 추가되고 어떤 경우에는 너무 많은 비용이 추가됩니다.
• 구성 요소 전력 / 밀도는 열원에서 40-50mm 이상 떨어진 원격 위치로 열을 이동해야 합니다.

 

 

이유에 관계없이 대부분의 열 엔지니어는 관련된 수많은 프로젝트에서 히트 파이프 또는 증기 챔버를 사용하는 2 단계 냉각 솔루션이 필요합니다. 그러나 어떤 것이 최선의 선택일까요? 오늘의 블로그에서는 매우 유사하지만 다소 독특한 2 상 장치 사이의 구조적 차이와 열 설계 고려 사항에 대한 개요 개요를 작성하고 싶습니다.

 

말할 것도 없이 모든 2상 장치의 작동 원리는 동일합니다. 심지 구조 (소결 분말, 메쉬 스크린 및 / 또는 홈)가 인클로저의 내부 벽 (튜브 또는 평면 모양)에 적용됩니다. 액체 (보통 물)를 장치에 추가하고 진공 밀봉한 후 심지가 장치 전체에 액체를 분배합니다. 한 영역에 열이 가해지면 액체는 증기로 바뀌고 더 낮은 압력의 영역으로 이동하여 냉각되고 액체 형태로 돌아온 후 모세관 작용에 의해 열원으로 다시 이동합니다. 이런 의미에서 히트 파이프와 증기 챔버는 동일합니다.

단순화를 위해 가장 일반적인 유형의 2 상 장치 인 모든 구리 용기에 초점을 맞출 것입니다. 물을 작동 유체로 사용하는 소결 구리 심지 구조를 사용합니다.

 

 

구조 설계 및 비용

 

 

열 설계 고려 사항

히트 파이프

 

수십 년 동안 히트 파이프는 주로 증기 챔버와 관련된 비용 차이로 인해 열 엔지니어가 선택한 기본 2 상 장치였습니다. 그들은 여전히 ​​장점이 있는 열전달과 일반적으로 서로 근접한 여러 파이프를 사용하는 열 확산에 모두 사용되었습니다. 저전력 애플리케이션 (아마도 하나의 작은 히트 파이프만 필요하거나 열이 효과적으로 전달되어야 하는 경우)의 경우, 낮은 비용과 설계 유연성으로 인해 히트 파이프가 여전히 우위를 유지합니다.

 

더 큰 총 전력 및 전력 밀도로 인해 결국 열 문제를 해결하기 위해 여러 히트 파이프가 사용되었습니다. 아래의 두 이미지는 모두 소형 폼 팩터의 고성능 데스크톱 PC 용 방열판입니다. 왼쪽에 있는 것은 히트 파이프 애플리케이션 (간접 접촉)에서 일반적으로 사용되는 것처럼 열원과 히트 파이프 사이에 구리 베이스 플레이트를 사용합니다. 이 제품의 후속 세대에서 프로세서 열이 증가함에 따라 회사는 열 문제에 직면했지만 오른쪽 이미지에서 볼 수 있듯이 열 솔루션을 근본적으로 재 설계하고 싶지 않았습니다. 여기에서는 증기 챔버가 구리 베이스 플레이트를 대체하여 열원 전체에 열을 더 고르게 분산시키고 열 파이프로 더 효과적으로 전달합니다. 이것은 두 가지 유형의 2 상 장치를 함께 사용할 수 있는 방법을 보여주는 좋은 예입니다.

 

이 문제에 대한 잠재적인 대안은 '직접 접촉'히트 파이프를 구현하는 것일 수 있습니다. 그러나 이 솔루션에는 단점도 있습니다. 아래에서 볼 수 있듯이이 디자인 옵션은 알루미늄 장착 브래킷에 들어있는 약간 평평하고 가공된 히트 파이프를 사용하여 열원과 직접 접촉합니다. 베이스 플레이트와 추가 TIM 층을 제거하여 열 저항을 감소시키면서 증기 챔버 솔루션만큼 효과적으로 열을 확산하지는 않습니다.

 

 

전통적인 (2 피스) 증기 챔버

 

대부분의 증기 챔버 제조업체는 전통적인 투피스 디자인을 사용합니다. 연구와 실제 적용에 따르면 증기 챔버를 사용하는 히트 싱크의 성능은 히트 파이프 대응 제품에 비해 20-30 % 향상될 수 있지만, 2 피스 설계는 다중 히트 파이프 구성에 비해 대략 동일한 크기의 비용 영향을 받습니다. 그럼에도 불구하고 증기 챔버 사용은 오늘날 장치의 전력 및 전력 밀도가 증가함에 따라 증가했습니다.

 

 

열을 확산시키는 놀라운 작업을 수행하고 로우 프로파일 방열판을 허용하며 사실상 모든 모양으로 만들 수 있고 양각으로 만들 수 있으며 열원과 직접 접촉할 수 있기 때문에 이러한 장치는 다양한 고전력 응용 분야에 사용됩니다. 아래는 두 부분으로 된 증기 챔버를 사용하는 히트 싱크의 두 가지 예입니다.

 

앞서 언급했듯이, 이 설계의 증가된 비용은 때때로 열 솔루션으로의 통합을 제한합니다. 또 다른 잠재적인 단점은 z 방향으로 설계 유연성이 거의 없다는 것입니다. 예를 들어 U 자 모양을 만드는 것은 가능하지만 제조 가능성 / 비용 관점에서 비실용적입니다.

 

 

하이브리드 (1 피스) 증기 챔버

 

점점 더 많은 제조업체에서 사용할 수 있는 일체형 증기 챔버는 2- 피스 대응 제품보다 비용이 절감된 버전이지만 열 성능 특성을 유지하면서 고유 한 기능 (예 : U 자형 굽힘)을 추가합니다. 히트 파이프와 마찬가지로 일체형 제품은 단일 구리 튜브로 수명을 시작하므로 일체형이라는 이름이 붙습니다. 전통적인 투피스 디자인과 마찬가지로, 원피스 증기 챔버는 열원과 직접 접촉하고 다 방향 열 흐름을 가지며 최대 90 PSI의 클램핑 힘을 지원할 수 있습니다. 그러나 툴링이 덜 필요하고 개별 지지대를 사용하지 않으며 4면 모두를 용접할 필요가 없기 때문에 생산 비용이 저렴합니다. 아래는 일체형 증기 챔버의 몇 가지 예입니다.

 

2상 장치에 대해 기억해야 할 점은 히트 파이프가 열을 퍼뜨리는 대신 이동하는 열을 선호하는 반면 증기 챔버의 경우 그 반대입니다. 확실히 좋은 결과를 얻기 위해 둘 중 하나를 사용할 수 있는 수많은 열 문제가 있으므로 하나에 정착하기 위해 두 설계에 대한 철저한 검토 프로세스를 수행하는 것이 중요합니다.

 

 

2 단계 열 검토 프로세스

 

이상적인 것은 아니지만 전형적인 열 설계 시나리오는 몇 가지 주요 변수가 이미 정의된 시나리오입니다. 여기에는 인클로저 모양 / 크기, 구성 요소 레이아웃 (관련 차단 영역 포함) 및 공기 흐름은 물론 열원의 총 전력, 전력 밀도 및 크기가 포함됩니다.

 

 

1 단계 - 핀 위치부터 시작

 

이러한 제약 조건을 감안할 때 열 싱크 자체에 초점을 맞추고 콘덴서가 열원에 대해 원격인지 아니면 로컬인지 이해하는 것으로 시작해야 합니다.

40-50mm 이상 떨어져 있으면 히트 파이프로 조사를 시작하십시오. 설계 유연성이 높기 때문에 굽힘 및 평탄화가 3차원의 거의 모든 형태에 맞출 수 있습니다.

지역 및 구리 대안이 배제된 경우, 열원에 대한 히트 싱크의 둘레 비율이 30 : 1보다 크면 열을 확산하는 증기 챔버 솔루션이 가장 좋은 시작점입니다.

 

 

2 단계 : Excel 모델을 실행하여 열교환 기 성능 확인

 

이 입력을 기반으로 열 교환기의 성능을 결정하기 위해 간단한 Excel 모델을 실행해야 합니다. 이것은 열 예산 (핀 대 공기 및 공기 온도 상승)이 얼마나 많이 사용되고 있는지 알려줍니다. 이것은 전도 및 인터페이스에 대한 정보를 제공합니다. 이 두 가지 구성 요소 인 지느러미 대 공기 및 공기 온도 상승은 시스템에서 가장 큰 저항, 즉 개를 흔드는 꼬리이므로이 시점에서 설계 검토는 지느러미 영역과 공기 흐름 및 압력 강하를 최적화하는 것이 정상입니다.

 

 

전도에 대한 남은 열 예산이 10 o C 미만이면 구리 또는 히트 파이프를 살펴보십시오. 저전력의 소형 장치의 경우 단일 히트 파이프로 충분합니다. 총전력으로 열을 전달하는 데 필요한 히트 파이프의 수를 추정할 수 있습니다. 예를 들어, 단일 6mm 히트 파이프는 45 와트 장치의 전력을 전달할 수 있습니다.

 

5 o C 미만인 경우 증기 챔버가 필요할 수 있습니다. 고출력 소형 장치의 경우 일반적으로 증기 챔버가 최상의 솔루션입니다. 반면에 증기 챔버는 일반적으로 성능 제한에 도달하지 않으므로 가능한 한 많은 방열판 바닥을 덮을 수 있는 크기입니다. 플랫 형식으로 인해 VC와 열 생성 구성 요소 사이에 직접 접촉이 있습니다.

 

위의 이미지는 이러한 LED 애플리케이션 모델의 요약 페이지입니다. 이 예에서는 두 개의 8mm 히트 파이프를 비슷한 비용의 단일 15mm 폭 증기 챔버와 비교했습니다. 각 '케이스 시나리오'는 서로 다른 길이의 핀 사용을 나타냅니다. 보시다시피 증기 챔버 솔루션은 섭씨 4-5 도의 추가 열 헤드 룸을 제공하지만이 델타는 종종 더 높습니다.

 

3 단계 –보다 정교한 Excel 모델 및 CFD 분석을 실행하여 설계를 최적화합니다.

보다 포괄적인 히트 파이프 및 증기 챔버 모델링 솔루션은 심지 특성, 증기 공간, 벽 두께, 작동 유체의 변화를 고려하므로 2 단계 설계를 개선하는 데 도움이 됩니다. , 케이스 금속 및 방향. 그 후, CDF 모델링은 전체 방열판 어셈블리에 대한 변형 성능을 결정하는 데 자주 사용됩니다. 그러나 시간과 비용을 가장 잘 활용하는 방법은 단순히 몇 번의 열 모듈 반복을 프로토 타이핑하고 테스트하는 것입니다.

 

 

 

히트 파이프 대 증기 챔버 : 차이점은 무엇입니까?

 

인터넷에는 히트 파이프와 증기 챔버가 공랭식 히트 싱크에 놀라운 추가 기능이라는 것에 대한 많은 소문이 있습니다. 그러나 히트 파이프와 증기 챔버의 차이점은 무엇입니까?

 

 

2 단계 냉각

 

히트 파이프와 증기 챔버 모두 동일한 2 단계 냉각 프로세스를 사용합니다. 액체는 열원에서 증발하여 증기가 됩니다. 이 증기는 히트 파이프 또는 증기 챔버의 공동을 통해 파이프 또는 챔버 내의 더 차가운 장소로 이동하여 응축됩니다. 모세관 작용에 의해 응축된 액체는 심지를 통해 핫스팟으로 다시 이동합니다.

 

 

히트 파이프를 히트 파이프로 만드는 것은 무엇입니까?

 

히트 파이프는 소리에 매우 가깝습니다. 물론 열을 전달하는 데 사용되는 파이프입니다. 그러나 파이프는 심지를 포함하도록 변경되었으며 파이프에 설치된 모든 유체를 소매하기 위해 밀봉되었습니다. 히트 파이프는 다양한 재료로 만들 수 있지만 구리와 물은 금속 및 작동 유체에 가장 많이 사용됩니다. 구리는 이미 높은 전도성을 가지고 있으며 상업적으로 이용 가능하며 제조 과정에서 쉽게 조작할 수 있습니다. 물의 동결과 증발 사이의 작동 온도 범위는 대부분의 응용 분야에 적용되므로 대부분의 히트 파이프는 그 안에서 물을 사용합니다.

 

 

증기 챔버를 증기 챔버로 만드는 것은 무엇입니까?

 

증기 챔버는 파이프 대신 챔버 내에 증기를 수용하므로 히트 파이프와 유사하므로 "증기 챔버"가 됩니다. 증기 챔버에는 유체를 열원으로 다시 전달하는 심지가 있습니다. 이 증기 공간 및 심지 구조를 수용하는 파이프 대신 증기 챔버는 일반적으로 유체를 유지하기 위해 함께 밀봉된 두 개의 플레이트를 사용합니다.

 

 

히트 파이프 대 증기 챔버

 

히트 파이프와 증기 챔버를 비교할 때 가장 큰 차이점은 열 확산 방향입니다. 히트 파이프는 축을 따라 집중된 높은 유효 열전도율을 갖는 반면 증기 챔버는 보다 2차원적인 평면 열전달 방향을 가지고 있습니다.

증기 챔버를 사용하면 더 많은 방향으로 열을 전달할 수 있으므로 2차원이 1차원보다 낫습니다. 항상 그런 것은 아닙니다. 현재 증기 챔버의 구성 방법은 압축 강도와 관련하여 약간 더 취약합니다. 대부분의 애플리케이션은 열 인터페이스 재료 및 냉각되는 장치에 대한 좋은 접촉을 보장하기 위해 방열판에 기계적 부하가 필요합니다. 때때로 이 부하는 증기 공간을 압축하고 파괴하지 않고 심지 구조도 손상시키지 않고 증기 챔버가 처리하기에는 너무 많습니다.

 

 

반면에 히트 파이프는 일반적으로 증기 챔버 보다 지지되지 않는 공간이 적습니다. 이를 통해 히트 파이프가 이러한 기계적 응력을 더 잘 처리할 수 있습니다. 재미있는 부분은 히트 파이프를 구부릴 수 있다는 것입니다. 히트 파이프를 특정 용도에 더 적합한 더 최적화된 모양으로 구부림으로써 높은 열 전달률을 한 차원에서 완전한 2차원에 조금 더 가까운 것으로 변환할 수 있습니다.