7 häufigste Mythen über Heatpipes

Übersicht

Über viele Jahrzehnte hinweg hat Boyd die Innovation von überlegenen Heatpipe- und Zweiphasen-Wärmemanagementlösungen in vielen wichtigen Branchen angeführt, von der Mobil- und Unterhaltungselektronik bis hin zu NASA-Anwendungen und Unternehmens- und 5G-Geräten der nächsten Generation. Wir haben viele Missverständnisse über Heatpipes beobachtet, wie sie funktionieren und wie man sie am besten in Anwendungen einsetzt, während wir eng mit Engineering-Teams in führenden wichtigen Märkten zusammenarbeiten. Dieses Papier befasst sich mit den Top 7 der häufigsten Missverständnisse oder "Mythen" über Heatpipes, auf die wir mit Best Practices für die Verwendung von Heatpipes gestoßen sind.

Und die Wahrheit über die Entwicklung von Anwendungen mit Zweiphasenkühlung

Da die Elektronik immer leistungsfähiger wird und mehr Funktionalität mit größerer Zuverlässigkeit erfordert, bleibt überschüssige Wärme ein erhebliches Hindernis für die Entwicklung leistungsfähigerer Anwendungen der nächsten Generation und bahnbrechender Innovationen. Jede Branche, insbesondere Mobile, Medizin, Telekommunikation und IoT, entwickelt neue Produkte und Systeme, die leicht, multifunktional und in der Lage sein müssen, hohe Wärmelasten mit hoher Zuverlässigkeit zu bewältigen. Ingenieure haben Schwierigkeiten, effektiv mit der Hitze umzugehen, da die Verbraucher kleinere, dünnere und leistungsfähigere Geräte mit mehr Optionen, Funktionen und Fähigkeiten verlangen.

Die Zweiphasenkühlung entwickelt sich rasant weiter und gewinnt bei der Lösung dieser Probleme an Popularität. Heatpipes sind besonders ideal, um Wärme für eine schnellere Ableitung, geringes Gewicht, höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu verteilen. Der wichtigste Vorteil von Heatpipes ist jedoch die Designflexibilität und die Möglichkeit, sie einfach in thermische Systeme zu integrieren, um die Kühleffizienz und -kapazität erheblich zu verbessern.

Weitere Informationen zu den verschiedenen Zweiphasentechnologien, einschließlich Heatpipes, Dampfkammern, Thermosiphons und Tauchkühlung, finden Sie im Boyd's Guide to Two Phase Cooling.

Das Hinzufügen von Heatpipes zu Ihrer Lösung oder Ihrem System kann die thermische Leistung für ein effizienteres Wärmemanagement erheblich verbessern, ohne aktive Komponenten hinzuzufügen, die sich nachteilig auf die Lebensdauer, Zuverlässigkeit oder Genauigkeit der Anwendung auswirken können.

Aktive Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung kann groß oder umständlich sein. Die aktive Luftkühlung ist mit Komplikationen wie Akustik, Gewicht und Vibrationen verbunden. Nicht alle Anwendungen verfügen über eine Infrastruktur, die Flüssigkeitskühlsysteme unterstützt. Die Zweiphasenkühlung wird genutzt, um die Leistung des Luftkühlsystems zu erhöhen, akustische und Vibrationsprobleme zu lösen und die vorhandene Kühlinfrastruktur zu nutzen.

Mythos #1: Wenn Heatpipes kaputt gehen, werden sie auf meiner Elektronik flüssig.

Wahrheit: Heatpipes brechen selten, wenn überhaupt. In dem höchst unwahrscheinlichen Fall, dass einer brechen würde, wäre die extrem kleine Menge an Flüssigkeit, die im Rohr gehalten wird, vollständig in seinen Docht gesättigt und könnte nicht auf Ihre Elektronik tropfen oder austreten.

Heatpipes sind von Natur aus robust und sind ein rein passives System, das keine beweglichen Teile hat, die sich im Laufe der Zeit abnutzen können. Um ein gut verarbeitetes Heatpipe zu "brechen", müssten Sie das Rohr aufschneiden oder das Rohr durch eine übermäßige Menge an wiederholtem Biegen oder Falten führen.

Heatpipes werden mit einem Vakuum geladen, während sie gefüllt werden, um sicherzustellen, dass die im Rohr enthaltene Flüssigkeitsmenge immer in Dampfform vorliegt und daher nicht tropft.

Ihre Haltbarkeit, erhöhte Zuverlässigkeit und Leckagefreiheit machen Heatpipes zu einer idealen Lösung in Märkten wie Luft- und Raumfahrt, Medizin, Unterhaltungselektronik, Hochleistungsanwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern und bei denen Leckagen aus herkömmlichen Flüssigkeitslösungen katastrophal sein können.

Durch jahrzehntelange Verfeinerung von Fertigungstechniken und technischen Spezifikationen hat Boyd gleichbleibend robuste, qualitativ hochwertige Heatpipes entwickelt. Boyd-Heatpipes werden in thermischen Labors getestet, wobei Hochtemperaturtests in beschleunigten Lebensdauertests und anderen umfassenden Zuverlässigkeits- und Leistungstests durchgeführt werden, um die Design-, Dichtungs- und Schweißqualität nachzuweisen.

Heatpipes werden in einer integrierten Lösung verwendet, um Platz und Gewicht zu sparen.

Mythos #2: Heatpipes sind schwer.

Wahrheit: Heatpipes können mehr Gewicht entfernen, als sie einer Baugruppe hinzufügen.

Da sie typischerweise aus Kupfer, einem schwereren Material, bestehen, glauben einige, dass die Integration von Heatpipes ihrer Lösung mehr Gewicht verleiht. Boyd-Ingenieure verwenden sie häufig mit anderen Kühltechnologien, um das Gewicht oder Volumen einer Gesamtlösung als Experten für die Nutzung und Integration von Heatpipes zu reduzieren.

Obwohl sie aus Kupfer bestehen, sind Heatpipes hohl und können das Gewicht Ihrer Lösung verringern und gleichzeitig die thermische Leistung auf verschiedene Weise verbessern. Heatpipes werden häufig verwendet, um Wärme auf einen kühleren, abgelegeneren, offeneren Bereich eines Geräts oder einer Baugruppe mit besserem Zugang zu Luftstrom und Raum zu übertragen, wo ein Lüfter und leichte Lamellenstrukturen hinzugefügt werden können, um die Gesamtgröße und das Gewicht Ihrer Kühllösung zu verringern.

Ein weiteres häufiges Beispiel ist das Ersetzen eines herkömmlichen Kupferstreuers oder eines größeren Kühlkörpers durch eine Aluminium-Kühlkörperbasis mit eingebetteten Heatpipes. Die hohe Wärmeverteilungseffizienz von Heatpipes verteilt die Wärme gleichmäßig und schnell auf einen vollständigen Kühlkörper, erhöht die Effizienz des Kühlkörpers, reduziert die Größe des Kühlkörpers und die Menge des benötigten Materials und reduziert dadurch das Gesamtgewicht und die Kosten Ihrer Lösung.

Mythos #3: Heatpipes funktionieren nur mit dem Verdampfer und dem Kondensator an den Enden.

Wahrheit: Heatpipes funktionieren über die gesamte Länge des Rohrs und übertragen die Wärme konsistent von wärmeren Regionen in kühlere Regionen, unabhängig von ihrer Position entlang des Rohrs.

Heatpipes sind oft in Wärmemanagement-Baugruppen ausgeführt, um Wärme von der Wärmequelle an einem Ende zum anderen Ende zu transportieren, um sicher und effizient abzuführen. Diese Verwendung ist üblich, aber es ist nicht die einzige Möglichkeit, Heatpipes zu verwenden.

Die Heatpipe-Dochtstruktur ermöglicht es ihnen, in jeder Ausrichtung zu arbeiten und verläuft typischerweise über die gesamte Länge des Rohrinnenraums. Wärme wandert von Natur aus von heiß nach kalt und dies gilt für Heatpipes. Unabhängig davon, wo Wärme entlang des Rohrs platziert wird, wandert die Wärme immer von der Wärmequelle(n) weg zu den Kondensationspunkten und wieder zurück durch den Docht. Dies erhöht die Designflexibilität und die Heatpipe-Nutzungsoptionen, um ein innovativeres und kosteneffizienteres Wärmemanagement zu ermöglichen.

Heatpipes, die Wärme von der zentralen Wärmequelle transportieren, um in Lamellenstapeln abgeführt zu werden

Eingebettete Heatpipes zur Wärmeausbreitung

Eine solche Verwendung ist das Einbetten von Heatpipes, um Wärme zu verteilen, anstatt sie zu übertragen. Wenn Heatpipes in die Basis eines Kühlkörpers eingebettet sind, kondensiert die Wärme entlang der gesamten Länge der Heatpipe und nicht über einen festgelegten Bereich. Ein Beispiel hierfür ist die Integration von Heatpipes in luftgekühlte Kühlkörper, um die hohe Leistungsfähigkeit zu verlängern und die Notwendigkeit eines Flüssigkeitssystems bei der Kühlung von Hochleistungs-IGBTs zu verringern.

Mythos #4: Heatpipes verteilen Wärme nur in einer geraden Linie. Wenn ich Wärme über die gesamte Basis verteilen möchte, brauche ich eine Dampfkammer.

Wahrheit: Heatpipes können ähnlich wie eine Dampfkammer gebogen und verwendet werden, jedoch mit mehr struktureller Integrität.

Als Heatpipes zum ersten Mal eingeführt wurden und sich mit anderen Technologien zu integrieren begannen, wurden sie in gerade Linien eingebettet. Für eine gleichmäßigere Wärmeverteilung verwendeten die Ingenieure Dampfkammern. Dampfkammern sind zwar für eine gleichmäßige Wärmeverteilung geeignet, haben jedoch ihre eigenen Designherausforderungen, die möglicherweise nicht für jede Anwendung ideal sind.

Obwohl eine Heatpipe nur Wärme entlang ihrer Achse bewegt, kann diese Achse gebogen oder mit mehreren Heatpipes verwendet werden, um effektiv als planarer Ausbreitungsmechanismus ähnlich einer Dampfkammer zu wirken. Heatpipes sind kostengünstiger und bieten eine erhöhte strukturelle Integrität und können so ausgelegt werden, dass sie die Funktion und Leistung einer Dampfkammer nachahmen. Wenn sie richtig eingebettet sind, können Heatpipes eine erhebliche Menge an Montagekraft in Anwendungen aufnehmen, in denen sich Dampfkammern als zu empfindlich erweisen.

Eingebettete Heatpipes für gleichmäßige Wärmeverteilung um mehrere Durchgangslöcher

Die Ingenieure von Boyd haben über mehrere Jahrzehnte daran gearbeitet, unsere Heatpipe-Biegetechniken und Heatpipe-Fähigkeiten zu perfektionieren, einschließlich der Entwicklung flexibler Heatpipes. Boyd hat jahrzehntelange empirische Testdaten zusammengestellt, die es uns sogar ermöglicht haben, eine proprietäre Modellierungssoftware, SmartCFD, zu entwickeln, die genauere Simulationen mit gebogenen oder integrierten Heatpipes durchführen kann.

Mythos #5: Es muss sehr heiß sein, damit Heatpipes funktionieren.

Wahrheit: Fertigungstechniken ermöglichen es Heatpipes, auch bei kleinen Temperaturunterschieden zu funktionieren.

Da Heatpipes auf Verdunstung und Kondensation angewiesen sind, um zu funktionieren, ist es ein weit verbreitetes Missverständnis, dass es einen erheblichen Temperaturunterschied oder hohe Temperaturen geben muss, um von der Verwendung von Heatpipes zu profitieren. Da Heatpipes jedoch vor dem Abdichten mit einem Vakuum geladen werden, existiert die Flüssigkeit an ihrem Sättigungspunkt sowohl als Flüssigkeit als auch als Dampf. Dies ähnelt im Prinzip dem Kochen einer Flüssigkeit bei niedrigeren Temperaturen, wenn sie sich in höheren Lagen mit niedrigeren Drücken befindet. Es braucht viel weniger Wärme, damit die Moleküle genug Energie haben, um die Phase von einer Flüssigkeit zu einem Dampf zu wechseln. Daher muss die Temperatur der Wärmequelle nicht den Standardsiedepunkt bei Raumtemperatur erreichen, um eine Phasenänderung der Flüssigkeit zum Dampfen zu bewirken. Tatsächlich sind nur wenige Grad Unterschied zwischen den "heißen" und "kalten" Bereichen einer Heatpipe erforderlich, damit sie funktioniert. Dies ist einer der Hauptvorteile der Verwendung von Heatpipes, da der Wärmewiderstand Ihrer Lösung minimiert wird.

Mythos #6: Heatpipes können nicht unter Gefrierbedingungen verwendet werden

Wahrheit: Heatpipes können so entwickelt werden, dass sie unter extrem rauen Bedingungen wie Gefrierumgebungen funktionieren.

Wie eine Heatpipe unter Umgebungsbedingungen funktioniert, hängt von Material und Design ab. Obwohl Kupfer / Wasser die beliebteste Kombination ist; Andere Materialien können basierend auf speziellen Anforderungen verwendet werden. Flüssigkeiten wie Ammoniak, Methanol und Aceton können alle mit kompatiblen Metallen kombiniert werden, um Heatpipes zu entwickeln, die bei Temperaturen weit unter -60 ° C funktionieren können.

Selbst mit Kupfer und Wasser kann die Lösung so konzipiert werden, dass sie die Umgebungsbedingungen verringert. Durch den Einsatz der richtigen thermischen Technologien und Techniken können thermische Lösungen mit integrierten Heatpipes Gerätefunktionen wie Kaltstart für Anwendungen in den Bereichen Telekommunikation, Verteidigung und Transport ermöglichen. Mit den richtigen Designparametern können Heatpipes auch einer großen Anzahl von wiederholten Frost-/Tauzyklen ohne Ausfälle standhalten.

Mythos #7: Heatpipes sind teuer.

Wahrheit: Das Hinzufügen von Heatpipes kann die Lösungskosten senken.

Die Duktilität von Kupfer ermöglicht es, Heatpipes wirtschaftlich herzustellen, zuverlässig zu versiegeln und leicht in bestimmte Geometrien zu biegen und zu pressen. Boyd hat Fertigungsprozesse und Heatpipe-Designtechniken verfeinert, um extrem kostengünstige Kupfer / Wasser-Hochleistungs-Heatpipes herzustellen. Heatpipes können Kostensenkungen ermöglichen, indem sie es Ingenieuren ermöglichen, Aluminium und eingebettete Heatpipes in Anwendungen zu verwenden, die sonst eine Kupferbasis aus Lamellen erfordern würden. Sie können auch die Notwendigkeit eines Lüfters oder anderer Komponenten eliminieren und so Geld und Gewicht sparen.

Boyd integriert die Heatpipe-Technologie, um neue Lösungen und Nachrüstungen zu entwickeln, die die Leistung verbessern, ohne dass erhebliche Design- oder Systemupgrade-Kosten anfallen. Wir ermöglichen kleinere, leichtere Lösungen für eine höhere Anwendungseffizienz und reduzieren den Strom- und Energiebedarf und die Kosten. Die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Heatpipe reduziert auch die laufenden Wartungskosten und Ausfallzeiten.

DIE REALITÄT DER HEATPIPES - ÜBERBLICK

Heatpipe-Baugruppen kombinieren die bewährte Zuverlässigkeit des passiven zweiphasigen Wärmetransports mit einer Vielzahl anderer Wärmemanagementtechnologien, um effektive, langlebige Kühllösungen zu erzeugen. Boyd entwickelt und fertigt seit mehr als fünf Jahrzehnten Heatpipe-Lösungen. Unsere Erfahrung ermöglicht es uns, effektive und langlebige Kühllösungen zu entwickeln und herzustellen, die unter den anspruchsvollsten Umgebungsbedingungen arbeiten.

Duktile Kupferwände und Dochte ermöglichen das Biegen oder Abflachen, um den thermischen und geometrischen Anforderungen einer Anwendung gerecht zu werden. Dies kann verwendet werden, um die Gesamtgröße zu reduzieren, den Oberflächenkontakt zu erhöhen oder Heatpipes um Haltebereiche wie Montagematerial zu verlegen.

Heatpipes können in andere Technologien eingebettet werden, um die Wärmeausbreitung zu beschleunigen, oder innerhalb eines Systems verwendet werden, um Wärme von der Wärmequelle dorthin zu transportieren, wo sie sicher abgeführt werden kann.

Aluminium-Druckgussgehäuse mit gestanzten Reißverschlusslamellen und Heatpipes

Heatpipe-Variationen

Ermöglichen Sie kryogene Optionen, extreme Temperaturschwankungen, hohe Hitze
Weitere Informationen zu alternativen Materialien und Flüssigkeiten finden Sie in Boyds Leitfaden zur zweiphasigen Kühlung.

Die Verwendung eines Faltenbalgs ermöglicht häufiges Falten und Bewegen ohne Verschlechterung der Heatpipe-Leistung

In der Nähe von flachen Heatpipes, die extrem flache Anwendungen ermöglichen.

Transport und Steuerung der Wärmerichtung über große Entfernungen bis zu 23 Metern.

Typische Parameter für Kupfer-Wasser-Heatpipes

Länge: 75mm - 500mm**
Durchmesser: 3mm-9,5mm**
Material: Hochreines Kupfer
Flüssigkeit: Wasser **

Typischer nicht-betrieblicher Temperaturbereich: -55° bis 180°C (Wasser)

Sinterkupferpulver
Axial gerillt
Draht-Mesh-Bildschirm

Maximaler Wärmestrom: >300 W/cm2

Lebensdauer: bis zu 20 Jahre

** Je nach Anwendungseinsatz sind größere Größen und unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten erhältlich

DIE REALITÄT VON HEATPIPES - NUTZUNG UND NUTZEN

Passiv

Die Heatpipe-Technologie hat keine beweglichen Teile und arbeitet nach den Gesetzen der Thermodynamik und der Kapillarkräfte, wodurch Heatpipes leise, effizient und äußerst zuverlässig ohne inneren Verschleiß sind. Dies ermöglicht eine längere Produktlebensdauer ohne Leistungseinbußen, eine verbesserte Akustik und längere Garantiezeiten aufgrund niedrigerer Temperaturen.

Hocheffizient

Heatpipes haben eine Leitfähigkeit von 10X - 200X der von festen wärmeleitenden Materialien wie Kupfer, Aluminium und Graphit. Sie transportieren Wärme schneller als feste Lösungen, da Flüssigkeit und Dampf mehr Wärme transportieren und gleichzeitig gleichmäßigere Temperaturen ermöglichen.

Aus diesen Gründen werden Heatpipes häufig verwendet, um die Effizienz der Kühlkörperlamellen zu erhöhen, indem Wärme schnell von der Basis zu den weniger genutzten Teilen des Lamellenstapels transportiert wird. Dies ermöglicht eine maximale Lamelleneffizienz über den gesamten Kühlkörper und ermöglicht den Einsatz dünnerer Lamellen.

Der hohe Wirkungsgrad und die Effizienz von Heatpipes ermöglichen niedrigere, besser regulierte Berührungstemperaturen. Eine verbesserte Wärmeverteilung verbessert auch die Sicherheit und den Komfort des Benutzers und verringert die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung, wenn das Gerät konstant oder länger als die durchschnittlichen Nutzungszeiten läuft. Dies mildert Benutzerbeschwerden über Geräteausfälle aufgrund von Überhitzung oder sogar Feuerfangen. Sie können die Verwendung von Lüftern verringern oder eliminieren und akustische und Vibrationsprobleme mildern.

Kosteneffizient

Weniger Gewicht, verbesserter Materialeinsatz und verbesserte Leistung führen auch zu Kosteneinsparungen. Eine bessere Kühlung ermöglicht kleinere Lösungen und Stücklisteneinsparungen oder mehr Platz für mehr Komponenten und zusätzliche Funktionalität. Kosteneinsparungen können durch fortschrittliche Engineering- und Design for Manufacture (DFM) -Techniken, wie sie bei Boyd verwendet werden, weiter verbessert werden. Durch effektive thermische Modellierung, Tests auf optimale Leistung und Design speziell für die skalierbare Fertigung von Prototypen bis hin zu hohen Stückzahlen können Kosteneinsparungen weiter verbessert und an den Endkunden weitergegeben werden.

Erhöhte Designflexibilität

Die Dochtstruktur ermöglicht es Heatpipes, in jeder Ausrichtung zu arbeiten, einschließlich gegen Schwerkraft, wobei der Verdampfer höher als der Kondensator ist und minimale Auswirkungen auf die Leistung für die meisten Anwendungen. Diese Fähigkeit macht sie ideal für mobile, tragbare und Unterhaltungselektronik, die in verschiedenen Ausrichtungen wie Querformat, Hochformat und umgekehrt betrieben werden müssen.

Zusätzlich zu mehreren Ausrichtungen bieten Heatpipes eine erhöhte Designflexibilität für einzigartige und hohe Toleranzgeometrien. Sie können gebogen, abgeflacht und angeordnet werden, um die Wärmeübertragung und den Wärmefluss zu optimieren. Die Verwendung alternativer Materialien erhöht den Grad der Anpassung, bietet eine bessere Leistung und eine wichtige Marktdifferenzierung.

Während Boyd weiterhin innovativ ist, haben sich unsere Techniken weiterentwickelt, um Design und Materialien optimal zu nutzen, um die Anwendungsleistung weiter zu verbessern und Größe und Gewicht zu optimieren. Die zweiphasigen Innovationen von Boyd umfassen neue Fertigungsprozesse und fortschrittliche additive Fertigungsverfahren, um Kosteneinsparungen, einfache Herstellung, Designflexibilität und thermische Gesamtleistung weiter zu verbessern.

Zu den wichtigsten Innovationen gehören:

Erreichen eines beispiellosen Maßes an Dochtanpassungen und Leistungsanpassungen an hochspezifische oder variierende Anwendungs- und Benutzeranforderungen.
Proprietäre Methoden, um einzigartige und komplexe Geometrien auf eine Weise zu ermöglichen, die herkömmliche Methoden nicht einfach oder mit der erforderlichen Kosteneffizienz herstellen könnten
Fortschrittliche Fertigungstechniken zur Integration mehrerer Geometrien und Merkmale in einem einzigen Prozess, um die Fertigungszeiten zu verkürzen. Dies ermöglicht Kosteneinsparungen bei Arbeit und Material sowie kürzere Durchlaufzeiten.
Die Berücksichtigung und Optimierung des Thermomanagements ist für viele unserer Kunden, die neue Technologien vermarkten, zu einem wichtigen Verkaufsargument geworden. Wärme ist eines der letzten Hindernisse für die Innovation von Endgeräten für Endbenutzer.

Boyds jahrzehntelange zweiphasige Kühlung, Innovation, Integration und Massenproduktion waren ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung dieser Technologien und ihres Einsatzes in den meisten wichtigen Branchen. Wenn Sie bereit sind, Ihre Kühllösungen zu verbessern oder nachzurüsten oder neue Herausforderungen für die nächste Generation angehen möchten, wenden Sie sich zunächst an Boyd, um mehr über integrierte Zweiphasenlösungen, Anpassungen und andere Möglichkeiten für eine besser optimierte Kühlung zu erfahren.