Dans différentes applications, les décisions techniques concernant la solution optimale pour les dissipateurs thermiques peuvent dépendre du coût et des performances. En théorie, il semble facile d’obtenir le produit le moins cher pour répondre aux exigences de performance. En fait, les clients choisissent souvent de modifier les spécifications de performances (en utilisant des puces différentes) ou de sacrifier certaines performances (comme la dégradation des puces en fonction des conditions) face à des prix élevés.
Cet article compare plusieurs dissipateurs thermiques basés sur des caloducs/chambre à vapeur pour des indicateurs de performances et de coûts :
Performances : utilisez le progiciel FloTHERM CFD pour calculer les performances globales du dissipateur thermique Δ T.
Coût : En supposant que la taille du lot soit suffisamment grande, le coût d’investissement du moule dur ne sera pas reflété dans le prix unitaire. De plus, le prix unitaire est relatif à la solution la moins coûteuse (1 fois, 1,1 fois, etc.), car l'augmentation de la taille du lot réduira le coût unitaire.
Paramètres de conception du dissipateur thermique
Puissance de la source de chaleur : 250 watts
Taille de la source de chaleur : 30 x 30 mm
Température ambiante maximale : 25 degrés
Débit d'air : 40 pieds cubes par minute (CFM)
Condenseur : taille d'aileron encliquetable 115 * 85 * 65 mm
Commençons par la conception la plus élémentaire et abordons progressivement les processus complexes pour voir comment les performances et les coûts sont affectés par la conception.
1. Dissipateur thermique à caloduc à base d'aluminium ou de cuivre
Dissipateur thermique à caloduc à base d'aluminium en forme de U
Il s’agit de la conception la plus traditionnelle d’un radiateur à caloduc. Quatre caloducs en forme de U sont soudés sur une base en aluminium ou en cuivre puis en contact avec une source de chaleur. La chaleur doit d’abord traverser la base pour ensuite atteindre le caloduc.
Hormis le pliage, aucune autre opération secondaire n'a été réalisée sur les quatre caloducs de 6 mm, même si la zone de contact entre les caloducs et la base est dans cet exemple légèrement plate.
CFD de radiateur à caloduc à base d'aluminium
Le modèle FloThermal montre que la température du dissipateur thermique est 53,9 degrés supérieure à la température ambiante (78,9 degrés -25 degrés =température maximale de référence - température ambiante), et nous utilisons cette température comme référence de performances, avec une référence de coût définie comme 1 fois.
Si des performances plus élevées sont requises, une base en cuivre peut être utilisée à la place d'une base en aluminium. La conductivité thermique de la base en cuivre est deux fois supérieure à celle de la base en aluminium, de sorte que les performances de la base en cuivre sont améliorées de 2,3 degrés. La conception à base de cuivre augmente le coût de 5 % par rapport à la base en aluminium, et il y a également une légère augmentation de poids.
2. Radiateur de radiateur à caloduc à contact direct
Radiateur à caloduc à contact direct
Cette conception permet un contact direct entre la source de chaleur et le caloduc, éliminant ainsi la base absorbant la chaleur et les matériaux d'interface (soudure utilisée pour fixer le caloduc à la base). Cependant, afin d'obtenir le lissé de surface nécessaire, le caloduc doit être usiné (opération secondaire).
CFD de radiateur à caloduc à contact direct
En raison du contact direct entre le caloduc et la source de chaleur, les performances de cette conception de dissipateur thermique ont été améliorées à 49,3 degrés, soit 4,6 degrés de plus que la référence et 2,3 degrés de plus que la conception utilisant une base en cuivre. Cependant, cela nécessite un traitement supplémentaire de la base (encastrement des rainures du caloduc) et un traitement du caloduc, ce qui représente 1,1 fois le coût de la conception de référence (10 % plus cher).
3. Dissipateur thermique à plaque de température uniforme en forme de U
Dissipateur thermique à plaque de température uniforme en forme de U
Cette solution remplace quatre caloducs de 6 mm par une seule chambre à vapeur en forme de U. En termes de conception, il ressemble le plus à un dissipateur thermique à caloduc à contact direct, qui permettent tous deux au processeur de la source de chaleur d'entrer en contact direct avec les composants biphasés. La considération importante pour le choix de cette conception est de savoir si le fournisseur du dissipateur thermique peut fabriquer une chambre à vapeur intégrée, car les conceptions traditionnelles en deux parties ne peuvent pas être pliées en forme de U.
CFD d'un dissipateur thermique à plaque de température uniforme en forme de U
Par rapport à la conception du caloduc à contact direct, les performances de la solution de dissipateur thermique VC se sont améliorées de 21,5 % (11,6 degrés), tandis que le coût n'a augmenté que de 4,55 %. Cependant, l'augmentation de l'épaisseur de paroi du dissipateur thermique VC a entraîné une augmentation d'environ 75 g du poids du radiateur du dissipateur thermique.
4. Dissipateur thermique à plaque de température uniforme 3D
Dissipateur thermique à plaque de température uniforme 3D
Dans cette conception, la plaque inférieure absorbant la chaleur est une chambre à vapeur qui partage un passage de vapeur avec le caloduc du condenseur vertical. Pendant la phase de fabrication, 8 caloducs de type ouvert sont brasés dans une plaque à chambre à vapeur avec des ouvertures ; La chambre à vapeur est en contact direct avec la source de chaleur, distribuant uniformément la chaleur le long du plan XY et dispersant la chaleur vers les ailettes via des caloducs verticaux.
CFD d'un dissipateur thermique 3D avec chambre à vapeur
Cette conception offre les meilleures performances, mais son coût est élevé. Par rapport à son concurrent le plus proche, la conception de plaque de dissipateur thermique en forme de U, sa température a diminué de près de 2 degrés (les performances ont augmenté de 4,9 %), mais son prix a doublé (augmenté de 117 %).
Cependant, il convient de noter que ce cas n’a pas pleinement mis en évidence les avantages potentiels de la conception d’une chambre à vapeur 3D. À mesure que la taille requise de la plaque inférieure augmente, la différence de performances entre cette solution et la conception de la plaque à chambre à vapeur en forme de U augmente également.
résumé
Le tableau ci-dessous montre que le changement du matériau ou des composants biphasés du dissipateur thermique peut entraîner une amélioration considérable des performances. Du dissipateur thermique de référence à base d'aluminium à la solution de plaque de dissipateur thermique 3D vc, les performances ont été améliorées de 17 degrés, mais le coût a augmenté de 150 %.
Comparaison des performances et du coût des radiateurs
En remplaçant la base par un matériau en cuivre ayant une conductivité thermique plus forte ou en mettant le caloduc en contact direct avec la source de chaleur, une amélioration modérée des performances d'environ 7 % -15 % et une augmentation des coûts (par rapport à la référence) peuvent être obtenues. .
La conception offrant la meilleure valeur globale compte tenu des paramètres d’application peut être un dissipateur thermique à chambres à vapeur. Bien qu'il soit 15 % plus cher que le prix de référence, ses performances se sont améliorées de 28 % (de 15,2 degrés).
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