Resfriamento por câmara de vapor encontra um papel crescente em produtos quentes

A implementação de tecnologia de resfriamento por câmara de vapor pode valer a pena para aplicações específicas, como como sistemas embarcados com questões críticas de gerenciamento térmico.
Os engenheiros que desenvolvem produtos com tecnologia incorporada devem explorar continuamente como alcançar o gerenciamento de temperatura adequado. À medida que os produtos de hoje ficam cada vez menores e mais capazes, essas características aumentam a probabilidade de um dispositivo superaquecer se ele não tiver recursos internos que o ajudem a se manter frio.

O resfriamento da câmara de vapor é uma possibilidade que tem recebido cada vez mais atenção. As câmaras de vapor possuem estruturas planas que auxiliam na transferência de calor uniformemente em um pequeno espaço. Além disso, eles contêm um fluido que evapora em um gás assim que fica quente o suficiente. As câmaras também possuem pequenos postes que evitam o colapso da estrutura devido à pressão atmosférica externa e conduzem o fluido para os locais corretos.

Uma diferença termodinâmica entre uma câmara de vapor e um tubo de calor convencional é que a câmara de vapor transfere calor em duas dimensões em vez de uma. Os engenheiros normalmente os usam para espalhar o calor de sua fonte para as aletas de um dissipador de calor.

Além disso, a condutividade térmica efetiva está relacionada às propriedades termodinâmicas e à espessura do espaço de vapor. À medida que o espaço de vapor fica mais espesso, a queda de pressão do fluxo se torna menos proeminente, o que aumenta a condutividade térmica efetiva.

Muitos computadores de mesa têm tubos de calor soldados no topo das câmaras de vapor, o que ajuda ainda mais na transferência de calor eficiente. No entanto, alguns projetos colocam tubos de calor na câmara de vapor, agilizando todo o processo. Como algumas câmaras de vapor têm apenas 1 polegada por 1 polegada, elas se adaptam a projetos que exigem embalagens pequenas. Além disso, sua espessura padrão é de 3-9 milímetros, facilitando a inserção em uma base existente.

Pesando os prós e contras

A eficiência de transferência é um dos principais benefícios de escolher o resfriamento da câmara de vapor em vez de outros métodos. Ele pode dissipar até 2.000 watts de calor em uma área de aproximadamente 4 centímetros quadrados. Os engenheiros também o selecionam para ajudar a reduzir os pontos quentes ou lidar com altas densidades de potência em pacotes pequenos.

Além disso, as câmaras de vapor toleram o contato direto com componentes produtores de calor, como unidades de processamento central (CPUs).

No entanto, também existem desvantagens. Para começar, o resfriamento da câmara de vapor pode ser mais caro do que os métodos de tubo de calor. Se usado para produtos de consumo de alto volume, os custos gerais de fabricação podem ser proibitivos. No entanto, a implementação da tecnologia de resfriamento de câmara de vapor pode valer a pena para aplicações específicas, como sistemas embarcados com questões críticas de gerenciamento térmico. Pesar as considerações de custo com as necessidades de desempenho ajuda os engenheiros a decidir se o custo extra vale a pena para um projeto específico.

O projeto tradicional da câmara de vapor de duas peças inclui duas placas de cobre estampadas. Esse tipo é mais caro do que a maioria dos tubos de calor, embora agora haja designs de peça única. Como a demanda por esses aumentou, os custos caíram para aproximadamente os mesmos custos de alguns tubos de calor tradicionais.

Do ponto de vista dos custos de fabricação e da disponibilidade, as câmaras de vapor têm algumas desvantagens. A maioria dos projetos são personalizados e produzidos em volumes relativamente baixos. A falta de designs padrão aumenta a flexibilidade do projeto, mas também pode aumentar o custo. No entanto, os pesquisadores investigaram o uso de manufatura aditiva para alguns componentes da câmara de vapor. Isso pode aumentar a disponibilidade e reduzir custos.

Resfriamento de Smartphone

Os smartphones representam uma categoria de produtos em que as pessoas querem progressivamente os modelos mais recentes e esperam que essas opções façam mais por eles a cada lançamento. Alguns líderes da empresa esperam que o resfriamento da câmara de vapor possa aprimorar as capacidades de seus novos modelos.

A Apple está testando o método de resfriamento para seus próximos modelos.

Um analista familiarizado com o assunto acredita que a marca precisaria dele para acompanhar as características mais exigentes dos telefones 5G. Eles observaram que os testes de confiabilidade anteriores ficaram aquém das expectativas da Apple, mas acreditam que a marca de tecnologia pode ter como objetivo incorporar a opção em um modelo futuro. Nesse caso, o método de resfriamento pode melhorar a potência de processamento enquanto prolonga a vida útil da bateria.

A Microsoft também patenteou recentemente um sistema envolvendo câmaras de vapor flexíveis conectadas às dobradiças de telefones dobráveis. Os registros de patentes sugerem que a marca de tecnologia usaria essa abordagem para manter a refrigeração de dispositivos dobráveis ​​de tela dupla.

Alguns smartphones já contêm refrigeração por câmara de vapor. Um deles é o Sony Xperia Pro.

Um desmonte técnico do dispositivo confirmou que ele tem uma peça de metal que atua como interface com folhas de grafite que dissipam o calor dos componentes do telefone, incluindo suas antenas 5G. O metal envia o calor para uma câmara de vapor que é quase tão alta e larga quanto o próprio dispositivo. Finalmente, a câmara passa o calor pela tela do dispositivo.

Implicações de design

Os engenheiros também estão interessados ​​em aplicar resfriamento a vapor aos designs de laptops, principalmente com mais consumidores usando-os para jogos intensivos. A principal vantagem das câmaras de vapor nesses casos de uso é que elas permitem designs mais finos. Quando os engenheiros escolhem tubos de calor para resfriamento, o design do computador geralmente apresenta três a quatro deles para mover o calor.

No entanto, a escolha de um projeto de resfriamento de câmara de vapor permite eliminar vários tubos de calor de circuito fechado. Então, uma única câmara desempenha a mesma função que vários tubos de calor, permitindo designs de laptop mais finos.

Uma câmara de vapor permite que os projetistas de hardware sincronizem cargas térmicas de nível inferior com o dissipador de calor principal, fazendo com que tenham contato direto com a câmara de vapor. Essa opção oferece aos componentes de armazenamento e memória um caminho direto para qualquer dissipador de calor com ventoinha ou aletas usado para um projeto.

Benefícios comprovados

Os designers de laptops selecionaram câmaras de vapor para resfriar esses aparelhos nos últimos anos. As evidências conectadas a um modelo recente de laptop para jogos mostram as mudanças relacionadas à temperatura que podem acontecer.

Por exemplo, o Dell Alienware m15 R3 possui refrigeração por câmara de vapor. Uma extensa revisão do modelo comparou as temperaturas associadas a ele em relação ao modelo R2 anterior. Os testadores confirmaram que a temperatura do modelo R2 se estabilizou em 99 ° Celsius (C) e 70 ° C para a CPU e GPU, respectivamente, mesmo ao usar o recurso Turbo fan do laptop. No entanto, com o R3, as temperaturas do CPU e GPU estabilizaram em 73 ° C e 65 ° C respectivamente. Os revisores citaram o resfriamento da câmara de vapor como a razão mais provável para essa mudança entre os modelos.

Combinação de métodos de resfriamento

Os engenheiros interessados ​​em explorar métodos de resfriamento de câmara de vapor para seus projetos devem ter em mente que tais soluções podem oferecer suporte a outras opções de controle de temperatura, em vez de substituí-las.

Por exemplo, um laptop para jogos Acer lançado recentemente possui um teclado deslizante que revela um painel de vidro. Esse recurso de design permite que os usuários verifiquem a tecnologia de resfriamento sem desmontar o computador.

Além de uma câmara de vapor, a tecnologia de resfriamento inclui três tubos de calor de cobre, ventiladores e aberturas perto da tela. O modelo também possui a tecnologia PowerGem da Acer, que tem uma abordagem diferente da prática comum de colocar CPUs sob uma camada de pasta térmica que retira o calor do chip. O PowerGem usa um pad que a Acer afirma funcionar várias vezes melhor do que o cobre.

Iluminação Inteligente do Cooler

A pesquisa também sugere que o resfriamento a vapor pode resolver alguns dos desafios associados aos sistemas de iluminação da Internet das Coisas (IoT) que usam lâmpadas LED. Uma equipe que investigou o assunto indicou que os componentes eletrônicos adicionais necessários para os aspectos de comunicação, controle, detecção e potência dos recursos de IoT poderiam adicionar até 70% ao calor total gerado durante a operação em comparação ao caso os produtos não tivessem esses recursos de conectividade .

Além disso, se o calor aumentar 70%, a temperatura máxima dos eletrônicos aumenta cerca de 25%, descobriram os pesquisadores. Assim, torna-se ainda mais crucial lidar com os pontos quentes provocados pela temperatura geral mais alta encontrada nas lâmpadas IoT.

No entanto, uma das recomendações da pesquisa foi desenvolver um substrato dissipador de calor baseado na tecnologia de câmara de vapor. Os testes mostraram que essas opções fornecem desempenho térmico quase 25% melhor do que as soluções sem câmara de vapor quando colocadas na frente de uma placa de circuito impresso, em vez de na lateral. Além disso, as investigações indicaram que o uso de sistemas de câmara de vapor pode abordar as elevações de temperatura do LED devido à geração de calor local e caminhos de transferência de calor limitados.

Este exemplo mostra que a escolha do resfriamento da câmara de vapor é apenas o início do planejamento do projeto. Os engenheiros também devem explorar outros fatores que causam aumento de temperatura ou efeitos de resfriamento associados.