Die Dampfkammerkühlung spielt eine wachsende Rolle bei heißen Produkten

Die Implementierung der Dampfkammerkühlungstechnologie könnte sich für bestimmte Anwendungen wie . auszahlen als eingebettete Systeme mit kritischen Bedenken hinsichtlich des Wärmemanagements.

Ingenieure, die Produkte mit eingebetteter Technologie entwickeln, müssen ständig erforschen, wie ein angemessenes Temperaturmanagement erreicht werden kann. Da die heutigen Produkte immer kleiner und leistungsfähiger werden, erhöhen diese Eigenschaften die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung eines Geräts, wenn es keine internen Funktionen hat, die ihm helfen, kühl zu bleiben.

Die Dampfkammerkühlung ist eine Möglichkeit, die immer mehr Aufmerksamkeit erhält. Dampfkammern haben flache Strukturen, die eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf kleinem Raum unterstützen. Außerdem enthalten sie eine Flüssigkeit, die zu einem Gas verdampft, sobald es heiß genug wird. Die Kammern haben auch kleine Pfosten, die verhindern, dass die Struktur aufgrund des äußeren atmosphärischen Drucks zusammenbricht und die Flüssigkeit an die richtigen Stellen leitet.

Ein thermodynamischer Unterschied zwischen einer Dampfkammer und einem herkömmlichen Wärmerohr besteht darin, dass die Dampfkammer Wärme in zwei Dimensionen statt in einer überträgt. Ingenieure verwenden sie normalerweise, um Wärme von ihrer Quelle zu den Rippen eines Kühlkörpers zu verteilen.

Darüber hinaus hängt die effektive Wärmeleitfähigkeit von den thermodynamischen Eigenschaften und der Dicke des Dampfraums ab. Wenn der Dampfraum dicker wird, wird der Strömungsdruckabfall weniger ausgeprägt, was die effektive Wärmeleitfähigkeit erhöht.

Viele Desktop-Computer haben auf die Dampfkammern geschweißte Heatpipes, was die effiziente Wärmeübertragung weiter unterstützt. Einige Designs platzieren jedoch Wärmerohre in der Dampfkammer, was den gesamten Prozess rationalisiert. Da einige Dampfkammern nur 1 Zoll x 1 Zoll groß sind, eignen sie sich für Projekte, die kleine Packungsgrößen erfordern. Außerdem beträgt ihre Standarddicke 3-9 Millimeter, was das Einsetzen in eine vorhandene Basis erleichtert.

Abwägen der Vor- und Nachteile

Die Übertragungseffizienz ist einer der Hauptvorteile der Wahl der Dampfkammerkühlung gegenüber anderen Methoden. Es kann bis zu 2.000 Watt Wärme auf einer Fläche von etwa 4 Quadratzentimetern abführen. Ingenieure wählen es auch aus, um bei der Reduzierung von Hotspots oder beim Umgang mit hohen Leistungsdichten in kleinen Gehäusen zu helfen.

Darüber hinaus tolerieren Dampfkammern den direkten Kontakt mit wärmeerzeugenden Komponenten, wie z. B. Zentraleinheiten (CPUs).

Allerdings gibt es auch Nachteile. Für den Anfang kann die Dampfkammerkühlung teurer sein als Wärmerohrmethoden. Bei Verwendung für Großserien-Verbraucherprodukte können die Gesamtherstellungskosten unerschwinglich sein. Die Implementierung einer Dampfkammer-Kühltechnologie könnte sich jedoch für bestimmte Anwendungen wie eingebettete Systeme mit kritischen Bedenken hinsichtlich des Wärmemanagements auszahlen. Die Abwägung von Kostenüberlegungen und Leistungsanforderungen hilft Ingenieuren bei der Entscheidung, ob sich die zusätzlichen Kosten für ein bestimmtes Projekt lohnen.

Das traditionelle zweiteilige Dampfkammerdesign umfasst zwei gestanzte Kupferplatten. Dieser Typ ist teurer als die meisten Heatpipes, obwohl es jetzt einteilige Designs gibt. Da die Nachfrage nach diesen gestiegen ist, sind die Kosten auf ungefähr die gleichen Kosten wie bei einigen herkömmlichen Heatpipes gesunken.

Aus Sicht der Herstellungskosten und der Verfügbarkeit haben Dampfkammern einige Nachteile. Die meisten Designs sind kundenspezifisch und werden in relativ geringen Stückzahlen produziert. Das Fehlen von Standarddesigns erhöht die Projektflexibilität, kann aber auch die Kosten erhöhen. Forscher haben jedoch die additive Fertigung für einige Dampfkammerkomponenten untersucht. Das könnte die Verfügbarkeit erhöhen und die Kosten senken.

Smartphone-Kühlung

Smartphones stellen eine Produktkategorie dar, bei der die Menschen nach und nach die neuesten Modelle wünschen und erwarten, dass diese Optionen mit jeder Veröffentlichung mehr für sie tun. Einige Unternehmensführer hoffen, dass die Dampfkammerkühlung die Fähigkeiten ihrer neuen Modelle verbessern könnte.

Apple testet angeblich die Kühlmethode für seine kommenden Modelle.

Ein mit der Angelegenheit vertrauter Analyst glaubt, dass die Marke diese benötigen würde, um mit den anspruchsvolleren Eigenschaften von 5G-Telefonen Schritt zu halten. Sie stellten fest, dass frühere Zuverlässigkeitstests hinter den Erwartungen von Apple zurückblieben, glauben jedoch, dass die Technologiemarke möglicherweise darauf abzielen könnte, die Option in ein zukünftiges Modell zu integrieren. In diesem Fall könnte die Kühlmethode die Verarbeitungsleistung verbessern und gleichzeitig die Akkulaufzeit verlängern.

Microsoft hat sich kürzlich auch ein System patentieren lassen, bei dem flexible Dampfkammern an den Scharnieren faltbarer Telefone angebracht sind. Die Patentanmeldungen deuten darauf hin, dass die Technologiemarke diesen Ansatz verwenden würde, um zusammenklappbare Dual-Screen-Geräte kühl zu halten.

Einige Smartphones enthalten bereits eine Vapor-Chamber-Kühlung. Einer davon ist das Sony Xperia Pro.

Ein technischer Teardown des Geräts bestätigte, dass es ein Metallstück hat, das als Schnittstelle zu Graphitplatten dient, die Wärme von den Komponenten des Telefons, einschließlich der 5G-Antennen, ableiten. Das Metall leitet die Wärme an eine Dampfkammer, die fast so groß und breit ist wie das Gerät selbst. Schließlich leitet die Kammer Wärme durch den Bildschirm des Geräts ab.

Implikationen für das Design

Ingenieure sind auch daran interessiert, Laptop-Designs mit Dampfkühlung zu versehen, insbesondere wenn mehr Verbraucher sie für intensives Gaming verwenden. Der Hauptvorteil von Dampfkammern in diesen Anwendungsfällen besteht darin, dass sie dünnere Designs ermöglichen. Wenn Ingenieure Heatpipes zur Kühlung auswählen, sieht das Design des Computers oft drei bis vier davon vor, um die Wärme abzuleiten.

Wenn Sie sich jedoch für ein Dampfkammer-Kühldesign entscheiden, können Sie auf mehrere geschlossene Heatpipes verzichten. Dann erfüllt eine einzelne Kammer dieselbe Funktion wie mehrere Heatpipes, wodurch dünnere Laptop-Designs ermöglicht werden.

Eine Vapor Chamber ermöglicht es Hardwaredesignern, thermische Lasten auf niedrigerer Ebene mit dem Hauptkühlkörper zu synchronisieren, indem sie direkten Kontakt mit der Vapor Chamber haben. Diese Option bietet Speicher- und Speicherkomponenten einen direkten Weg zu allen gelüfteten oder gerippten Kühlkörpern, die für ein Design verwendet werden.

Nachgewiesene Vorteile

Laptop-Designer haben in den letzten Jahren Dampfkammern ausgewählt, um diese Geräte zu kühlen. Beweise, die mit einem aktuellen Gaming-Laptop-Modell verbunden sind, zeigen die temperaturbedingten Veränderungen, die auftreten können.

So verfügt beispielsweise das Dell Alienware m15 R3 über eine Dampfkammerkühlung. In einer ausführlichen Überprüfung des Modells wurden die damit verbundenen Temperaturen mit denen des Vorgängermodells R2 verglichen. Tester bestätigten, dass sich die Temperatur des R2-Modells bei 99 °C (C) bzw. 70 °C für CPU und GPU stabilisiert hat, selbst wenn die Turbo-Lüfter-Funktion des Laptops verwendet wird. Beim R3 stabilisierten sich die CPU- und GPU-Temperaturen jedoch bei 73 °C bzw. 65 °C. Die Rezensenten nannten die Dampfkammerkühlung als wahrscheinlichsten Grund für diesen Wechsel zwischen den Modellen.

Kühlmethoden kombinieren

Ingenieure, die daran interessiert sind, Dampfkammer-Kühlmethoden für ihre Projekte zu erkunden, sollten bedenken, dass solche Lösungen andere Temperaturregelungsoptionen unterstützen können, anstatt sie zu ersetzen.

Ein kürzlich veröffentlichter Acer-Gaming-Laptop verfügt beispielsweise über eine verschiebbare Tastatur, die eine Glasscheibe freigibt. Dieses Designmerkmal ermöglicht es Benutzern, die Kühltechnologie zu testen, ohne den Computer zu zerlegen.

Neben einer Dampfkammer umfasst die Kühltechnologie drei Kupfer-Heatpipes, Lüfter und Belüftungsöffnungen in der Nähe des Bildschirms. Das Modell verfügt außerdem über die PowerGem-Technologie von Acer, die einen anderen Ansatz verfolgt als die übliche Praxis, CPUs unter einer Schicht Wärmeleitpaste zu platzieren, die die Wärme vom Chip ableitet. PowerGem verwendet ein Pad, von dem Acer behauptet, dass es um ein Vielfaches besser als Kupfer funktioniert.

Kühlere intelligente Beleuchtung

Die Forschung legt auch nahe, dass die Dampfkühlung einige der Herausforderungen im Zusammenhang mit Beleuchtungssystemen für das Internet der Dinge (IoT), die LED-Lampen verwenden, angehen könnte. Ein Team, das die Angelegenheit untersuchte, gab an, dass die zusätzliche Elektronik, die für die Kommunikations-, Steuerungs-, Erfassungs- und Leistungsaspekte der IoT-Funktionen erforderlich ist, bis zu 70 % der während des Betriebs erzeugten Gesamtwärme ausmachen könnte, verglichen mit Produkten ohne diese Konnektivitätsfunktionen .

Darüber hinaus erhöht sich die maximale Temperatur der Elektronik um etwa 25 %, wenn die Wärme um 70 % zunimmt, fanden die Forscher heraus. Daher wird es noch wichtiger, mit Hotspots umzugehen, die durch die insgesamt höhere Temperatur in IoT-Lampen verursacht werden.

Eine der Empfehlungen aus der Forschung war jedoch, ein Heatspreader-Substrat basierend auf der Vapor-Chamber-Technologie zu entwickeln. Tests haben gezeigt, dass solche Optionen eine um fast 25 % bessere thermische Leistung als Nicht-Dampfkammer-Lösungen bieten, wenn sie an der Vorderseite einer Leiterplatte statt an der Seite platziert werden. Darüber hinaus zeigten Untersuchungen, dass durch die Verwendung von Dampfkammersystemen LED-Temperaturerhöhungen aufgrund lokaler Wärmeerzeugung und begrenzter Wärmeübertragungswege behoben werden könnten.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Wahl der Dampfkammerkühlung nur der Anfang der Projektierung ist. Ingenieure müssen auch andere Faktoren untersuchen, die einen Temperaturanstieg oder damit verbundene Kühleffekte verursachen.