Koeling in een beperkte ruimte: hoe moderne miniatuurapparaten thermisch beheersbaar blijven.

1. De thermische uitdaging van het miniaturisatietijdperk
2. Luchtkoeling op microschaal: meer dan een kleine ventilator
3. Vloeistofkoeling op miniatuurschaal: gerichte warmteafvoer waar het het meest nodig is
4.BESTEen totaalleverancier voor thermisch beheer van miniatuursystemen
5. Conclusie

De thermische uitdaging van het miniaturisatietijdperk
Elektronica wordt steeds kleiner. De nieuwste generatie consumentengadgets heeft echter één ding gemeen: ze beschikken allemaal over enorme rekenkracht en zijn in staat tot dingen die een paar jaar geleden nog ondenkbaar waren, zoals smartwatches, VR-headsets en ultradunne laptops.
De warmteontwikkeling neemt niet af met het apparaat. Bij gelijk stroomverbruik produceert een kleine chip met hoge kloksnelheden dezelfde warmtebelasting als een grote chip met lagere kloksnelheden, maar de warmteafvoer is beperkt door een veel kleiner oppervlak. Het netto-effect is een probleem met de vermogensdichtheid: het aantal watt per vierkante centimeter neemt gestaag toe, terwijl de fysieke ruimte om dit vermogen te huisvesten gelijk blijft of zelfs afneemt.
De traditionele methoden voor het beheersen van de warmteontwikkeling zijn niet eenvoudig overdraagbaar naar deze nieuwe situatie. Een grote koelplaat is niet haalbaar of betaalbaar in een VR-headset. Een omvangrijke ventilatorunit past niet in een fitness tracker. Het beperken van de prestaties van het apparaat om de warmte te beheersen is geen acceptabele oplossing voor gebruikers die het apparaat juist voor de prestaties hebben gekocht.
De vraag voor thermische ingenieurs die de volgende generatie geminiaturiseerde elektronica ontwikkelen, is nu hoe ze warmte efficiënt, stil en betrouwbaar kunnen afvoeren uit een ruimte waar daar weinig tot geen ruimte voor is.
BEST werkt al geruime tijd aan oplossingen voor precies die vraag. BESTDe expertise van het bedrijf op het gebied van piëzo-elektrische technologie en MEMS heeft specifiek betrekking op thermisch beheer en is de reden waarom het een productportfolio heeft ontwikkeld dat is afgestemd op de actuele thermische uitdagingen van moderne apparaten. In deze blog worden twee belangrijke technologieën besproken: luchtkoeling gebaseerd op een stille micro-piëzo-elektrische ventilator en vloeistofkoeling gebaseerd op een micro-metalen vloeistofpomp. Beide technologieën verdienen een diepgaande beschouwing.

Luchtkoeling op microschaal: meer dan een kleine ventilator
Het werkingsprincipe van luchtkoeling is heel eenvoudig. Wanneer lucht over een heet oppervlak stroomt, wordt de warmte van het oppervlak overgedragen aan de bewegende lucht, die de warmte vervolgens afvoert. Hoe sneller de lucht kan stromen en hoe groter het oppervlak, hoe meer warmte er per tijdseenheid kan worden afgevoerd. Dit staat bekend als convectiekoeling en is al tientallen jaren de meest gebruikte methode voor het koelen van elektronische apparaten.
Luchtkoeling is op macroschaal goed ontwikkeld en begrepen, oftewel op het niveau van de desktopcomputer, een serverrack of een industrieel apparaat.
Microventilatoren gaan op deze plek om verschillende redenen niet lang mee. Ze bevatten roterende onderdelen (lagers) die na verloop van tijd slijten en trillingen veroorzaken. Hun minimale dikte wordt bepaald door de geometrie van de motor en de ventilatorbladen. Ze gebruiken een energiebron die afkomstig is van een batterij, en de efficiëntie is direct gerelateerd aan de gebruiksduur.
BEST'S micro piëzo-elektrische ventilator Het is zo stil dat de ventilator zo stil is dat mensen er dichtbij kunnen lezen en praten. In plaats van een roterende motor die een bladenassemblage aandrijft, gebruiken ze piëzo-elektrische aandrijving om de luchtstroom te genereren. Bepaalde keramische materialen hebben een piëzo-elektrische eigenschap, dat wil zeggen dat ze van vorm veranderen onder invloed van een elektrische stroom. BEST heeft uitgebreide kennis van de fabricage van dergelijke materialen met de precisie die nodig is voor actuatortoepassingen.
De fysieke implicaties van deze oplossing zijn significant voor apparaatontwerpers. Omdat de ventilator geen bewegende onderdelen bevat, slijt hij niet. Hij zou ook na jarenlang continu gebruik nog steeds moeten functioneren. De trillingsafgifte wordt vrijwel nul, wat belangrijk is voor apparaten met precisiesensoren, optische componenten of haptische feedbacksystemen die gevoelig zijn voor mechanische ruis in de structuur.
De stille micro-piëzo-elektrische koelventilator voldoet aan de thermische prestatie-eisen voor mini-apparaten. De ventilator levert een goede luchtstroom per volume-eenheid, waardoor een aanzienlijk convectief koeleffect wordt bereikt bij een acceptabel formaat voor thermisch ontwerpers. De reactietijd bedraagt ​​milliseconden, wat cruciaal is voor apparaten met hoge pieken in de rekenbelasting.
De extreem dunne afmetingen van de BEST Piëzo-elektrische ventilatoren bieden niet alleen voordelen, maar bepalen soms zelfs of actieve koeling mogelijk is in een bepaald apparaatontwerp. Een andere beperkende factor voor veel consumentenelektronica is niet zozeer het thermische budget, maar de afmetingen van de ventilator. Wanneer de ontwerpruimte beperkt is, biedt een ventilator die in die ruimte past nieuwe ontwerpmogelijkheden die met een dikkere, conventionele ventilator niet haalbaar zouden zijn.

Vloeistofkoeling op miniatuurschaal: gerichte warmteafvoer waar het er het meest toe doet.
Als het gaat om het afvoeren van warmte van oppervlakken, is luchtkoeling zeer effectief, maar de effectiviteit ervan is beperkt bij geconcentreerde warmtebelastingen. Als de hoeveelheid warmte die in een klein gebied wordt gegenereerd hoog is, wordt de warmteoverdracht van de bovenkant van de chip naar de stromende lucht de beperkende factor. Warmte kan niet zo snel in de lucht worden afgevoerd als in een vloeistof.
Vloeistofkoelingstechnologie maakt gebruik van de fysische eigenschappen van vloeistoffen. Koelvloeistoffen kunnen per massa-eenheid veel meer warmte-energie absorberen voordat hun temperatuur stijgt, waardoor ze veel meer energie kunnen absorberen dan water en zelfs meer dan lucht. Door net genoeg koelvloeistof te gebruiken om een ​​hete chip te omringen, kan aanzienlijk meer warmte van de chip worden afgevoerd dan met hetzelfde volume bewegende lucht.
Vloeistofkoeling is vooral nuttig voor miniatuurelektronica, met name voor apparaten met hete plekken. Een luchtgekoeld systeem kan de hoge thermische belasting van een krachtige processor op een kleine printplaat mogelijk niet aan, terwijl de temperatuur van de rest van het circuit relatief laag is. Door de warmte in vloeibare vorm af te voeren, kunnen ingenieurs de warmte gericht naar de plek leiden waar deze nodig is: een gesloten circuit van vloeistof dat naar de warmtebron wordt geleid en vervolgens teruggebracht naar een locatie waar de warmte kan worden afgevoerd.
Het probleem met vloeistofkoeling is dat er een pomp nodig is, maar pompen zijn, toen ze werden uitgevonden, groot, lawaaiig en duur in gebruik. Het is mogelijk gebleken om een ​​vloeistofkoelsysteem in een gamebehuizing van dit formaat te bouwen. Totdat de pomp kleiner genoeg is om in de behuizing te passen, is het erg moeilijk om de ruimte te delen, tenzij het apparaat kleiner wordt gemaakt dan de behuizing.
Om dit probleem op te lossen, BEST heeft zijn geminiaturiseerde versie ontwikkeld metalen vloeistofpomp (MMP10/MMP07)Het biedt de benodigde vloeistofcirculatie voor een vloeistofkoelsysteem, in een formaat en op een schaal die het echt praktisch maakt in compacte apparaten.
Vanwege de achtergrondexpertise van BEST Bij piëzotechnologie ligt de focus bij het ontwerp hierop. De afwezigheid van de conventionele roterende pompmechanismen draagt ​​bij aan een compactere, gebruiksvriendelijkere unit met een langere levensduur. Doordat er geen mechanische slijtage-elementen in de pomp zitten, zal het apparaat gedurende zijn levensduur niet achteruitgaan. De MMP10/MMP07 biedt een oplossing voor thermische ingenieurs die hoogwaardige, compacte koelsystemen ontwerpen.

BESTAR: Een totaalleverancier voor Miniatuur thermisch beheer
BEST Het bedrijf ontwerpt en produceert de Micro Piezoelectric Cooling Silent Fan en de Miniature Metal Liquid Pump, die de basis vormen van de thermische managementproducten van het bedrijf. De verticale integratie garandeert controle over de prestatie-eigenschappen van de producten. BEST Merkidentiteit op materiaalniveau. Dat is belangrijk wanneer klanten dezelfde prestaties verwachten bij een hoge productieomvang.
Het engineeringteam van het bedrijf helpt klanten niet alleen bij de selectie van componenten, maar ook bij de integratie. Er zijn variabelen voor warmteoverdracht in toepassingsgerelateerde ruimtes die op miniaturisatieniveau moeten worden begrepen: de thermische weerstand van de omringende behuizing, de stromingskarakteristieken binnenin de behuizing, het thermische belastingprofiel van de specifieke chip die wordt gekoeld, en welke oplossing van toepassing is en hoe deze moet worden geconfigureerd. In plaats daarvan, BEST Het helpt ontwikkelaars om met die variabelen om te gaan, zodat de gebruiker zich geen zorgen hoeft te maken over de integratie met een apparaat.

Conclusie
In de komende jaren zullen de apparaten geavanceerder, kleiner en thermisch veeleisender zijn dan de apparaten die nu beschikbaar zijn. Het concept van piëzo-elektrische luchtkoeling, geïmplementeerd in de BEST De micro-stille ventilator zorgt voor convectieve warmteafvoer zonder mechanisch contact, werkt vrijwel geruisloos en heeft een zeer dun profiel waardoor hij past in producten waar een conventionele ventilator niet in past. BEST De MMP10/MMP07 miniatuurpomp is een vloeistofkoelsysteem dat zorgt voor een zeer efficiënte koeling van de warmtebelasting op een beperkte ruimte en is compact genoeg voor echt draagbare toepassingen.
De thermische limiet blijkt een daadwerkelijke beperking te zijn voor de prestaties van het apparaat. Het is een thermisch probleem als een apparaat zijn eigen warmteafvoer niet kan regelen. Wanneer dit probleem is opgelost, kan het apparaat op het beoogde prestatieniveau functioneren, in plaats van op een lager prestatieniveau vanwege de temperatuurlimieten.
Het praktische nut van wat BEST Het creëren van componenten zorgt ervoor dat een miniatuurapparaat optimaal, stil en betrouwbaar functioneert binnen de ruimte die nodig is voor het productontwerp. Hoe kleiner en krachtiger de apparaten worden, hoe belangrijker deze eigenschap wordt.