Tin tức

Sự khác biệt giữa tản nhiệt dạng khối và bộ tản nhiệt trong điện tử là gì?

Tản nhiệt là một linh kiện thụ động truyền nhiệt từ thiết bị nóng sang chất lỏng mát hơn, thường là không khí, thông qua dẫn nhiệt và đối lưu, trong khi bộ tản nhiệt là một linh kiện truyền nhiệt giữa hai chất lỏng, chẳng hạn như chất làm mát và không khí, và thường là một phần của vòng tuần hoàn làm mát bằng chất lỏng. Sự khác biệt chính nằm ở môi trường truyền nhiệt: tản nhiệt hoạt động trực tiếp trên không khí hoặc một chất lỏng duy nhất, trong khi bộ tản nhiệt yêu cầu một vòng tuần hoàn chất lỏng được bơm để hoạt động hiệu quả. Trong điện tử, tản nhiệt được sử dụng để làm mát cục bộ một chip đơn, trong khi bộ tản nhiệt được sử dụng để tiêu tán nhiệt thu được từ toàn bộ hệ thống, chẳng hạn như máy chủ làm mát bằng chất lỏng hoặc GPU hiệu suất cao.

Điều gì định nghĩa tản nhiệt trong điện tử?

Tản nhiệt là một bộ trao đổi nhiệt thụ động làm mát một linh kiện điện tử bằng cách tiêu tán nhiệt vào không khí xung quanh. Nó thường được làm bằng nhôm hoặc đồng và có các cánh tản nhiệt làm tăng diện tích bề mặt để truyền nhiệt đối lưu. Tản nhiệt được gắn cơ học vào linh kiện bằng vật liệu tiếp xúc nhiệt (TIM), chẳng hạn như keo tản nhiệt hoặc miếng đệm chuyển pha, với độ dẫn nhiệt điển hình từ 1 đến 8 W/mK đối với keo gốc silicone tiêu chuẩn và lên đến 80 W/mK đối với hợp chất kim loại lỏng.

Hiệu suất của tản nhiệt được định lượng bằng điện trở nhiệt của nó, đo bằng °C/W. Ví dụ, một tản nhiệt nhôm đùn điển hình cho CPU có điện trở nhiệt từ 0,5 đến 1,0 °C/W ở luồng không khí đối lưu tự nhiên 0,5 m/s. Dưới đối lưu cưỡng bức với quạt cung cấp luồng không khí 2,0 m/s, cùng một tản nhiệt có thể đạt điện trở nhiệt từ 0,2 đến 0,4 °C/W. Điều này có nghĩa là một CPU 100 W sẽ duy trì nhiệt độ vỏ tăng từ 20 đến 40 °C so với nhiệt độ môi trường xung quanh với luồng không khí cưỡng bức, điều này có thể chấp nhận được đối với hầu hết các giới hạn mối nối silicon từ 85 đến 105 °C.

Điều gì định nghĩa bộ tản nhiệt trong điện tử?

Bộ tản nhiệt trong điện tử là một bộ trao đổi nhiệt chất lỏng-không khí tiêu tán nhiệt từ chất làm mát ra không khí xung quanh. Nó là một thành phần thiết yếu của hệ thống làm mát bằng chất lỏng, nơi một máy bơm tuần hoàn chất làm mát qua một tấm lạnh gắn vào nguồn nhiệt, sau đó qua bộ tản nhiệt nơi nhiệt được thải ra. Bộ tản nhiệt bao gồm một lõi với nhiều kênh cho dòng chất lỏng và một dãy cánh tản nhiệt dày đặc để truyền nhiệt phía không khí, thường được làm từ đồng hoặc nhôm.

Bộ tản nhiệt được đánh giá bằng công suất tiêu tán nhiệt của chúng, thường được biểu thị bằng watt trên mỗi khe quạt 120 mm. Một bộ tản nhiệt 240 mm tiêu chuẩn (hai quạt 120 mm) có thể tiêu tán 200 đến 300 W nhiệt ở chênh lệch nhiệt độ 10 °C giữa chất làm mát và không khí xung quanh, với luồng không khí 60 CFM mỗi quạt. Một bộ tản nhiệt dày 45 mm có thể xử lý 300 đến 400 W, nhưng yêu cầu quạt áp suất tĩnh cao hơn để vượt qua lực cản phía không khí tăng lên. Tốc độ dòng chất làm mát thường là 1,0 đến 1,5 lít mỗi phút, và độ giảm áp suất qua bộ tản nhiệt thường là 0,5 đến 1,5 psi ở tốc độ dòng chảy này.

Tản nhiệt và bộ tản nhiệt truyền nhiệt khác nhau như thế nào?

Sự khác biệt cơ bản là cơ chế truyền nhiệt và số lượng môi trường chất lỏng liên quan. Tản nhiệt sử dụng dẫn nhiệt rắn từ linh kiện đến các cánh tản nhiệt và sau đó đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức trực tiếp ra không khí. Hệ số truyền nhiệt cho không khí trong đối lưu tự nhiên là 5 đến 25 W/m²K, trong khi đối lưu cưỡng bức với quạt nâng nó lên 25 đến 250 W/m²K. Vì không khí có độ dẫn nhiệt thấp 0,026 W/mK, các tản nhiệt phải có diện tích bề mặt lớn và khoảng cách cánh tản nhiệt hẹp, thường là 1,5 đến 3,0 mm, để có hiệu quả.

Ngược lại, bộ tản nhiệt sử dụng làm mát bằng chất lỏng để đầu tiên truyền nhiệt từ linh kiện sang chất làm mát qua một tấm lạnh. Chất làm mát, thường là hỗn hợp nước và ethylene glycol, có độ dẫn nhiệt từ 0,4 đến 0,6 W/mK, cao hơn 15 đến 20 lần so với không khí. Điều này cho phép nhiệt được di chuyển hiệu quả trên khoảng cách từ 0,5 đến 1,0 mét từ nguồn nhiệt đến bộ tản nhiệt. Trong bộ tản nhiệt, nhiệt sau đó được truyền từ chất lỏng sang không khí qua lõi cánh tản nhiệt. Hệ số truyền nhiệt phía chất lỏng là 1.000 đến 5.000 W/m²K, nhưng hệ số phía không khí vẫn là nút thắt cổ chai, vì vậy mật độ cánh tản nhiệt của bộ tản nhiệt được tối ưu hóa cho hiệu suất phía không khí, thường là 10 đến 20 cánh trên mỗi inch.

Ứng dụng nào nên sử dụng tản nhiệt thay vì bộ tản nhiệt?

Tản nhiệt là lựa chọn đúng đắn cho các ứng dụng có một nguồn nhiệt duy nhất, tổng công suất tiêu tán thấp và hạn chế về không gian. Ví dụ bao gồm bộ vi xử lý trong máy tính xách tay, MOSFET công suất trong bộ điều chỉnh điện áp và mảng đèn LED. Đối với một CPU 65 W duy nhất trong PC để bàn, một tản nhiệt có điện trở nhiệt 0,3 °C/W là đủ để duy trì nhiệt độ vỏ 50 °C ở nhiệt độ môi trường 35 °C. Chi phí của một tản nhiệt như vậy là 2 đến 8 USD ở khối lượng sản xuất 10.000 đơn vị, với thời gian giao hàng từ 2 đến 3 tuần cho nhôm đúc hoặc đùn.

Bộ tản nhiệt là cần thiết khi tổng nhiệt hệ thống vượt quá 300 W, khi nhiều linh kiện cần làm mát, hoặc khi nguồn nhiệt nằm xa điểm tiêu tán cuối cùng. Ví dụ, trong một giàn khai thác 4 GPU tiêu tán 1.200 W, một bộ tản nhiệt 360 mm với ba quạt 120 mm có thể thải 450 đến 600 W nhiệt, nghĩa là cần hai bộ tản nhiệt như vậy. Chi phí của một bộ tản nhiệt 360 mm là 40 đến 80 USD, và toàn bộ vòng tuần hoàn bao gồm máy bơm, ống dẫn và tấm lạnh thêm 150 đến 300 USD. Bộ tản nhiệt cũng được ưa chuộng trong các vỏ kín nơi lưu thông không khí bên trong kém, vì vòng tuần hoàn chất lỏng có thể truyền nhiệt đến một bộ tản nhiệt bên ngoài gắn trên tường vỏ.

Tại sao tản nhiệt không đủ cho các thiết bị điện tử công suất cao?

Hạn chế của tản nhiệt là khả năng chịu nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt của không khí. Trong đối lưu tự nhiên, một tản nhiệt chỉ có thể tiêu tán 0,5 đến 1,0 W/cm² diện tích đế. Đối với một CPU máy chủ 300 W với diện tích đế 30 cm², điều này có nghĩa là một tản nhiệt đối lưu tự nhiên sẽ yêu cầu diện tích đế từ 300 đến 600 cm², điều này là không thể về mặt vật lý. Ngay cả với đối lưu cưỡng bức ở luồng không khí 3,0 m/s, giới hạn thông lượng nhiệt chỉ là 2,0 đến 4,0 W/cm², vẫn không đủ cho ứng dụng này.

Điện trở nhiệt của tản nhiệt cũng tăng theo tải nhiệt do nhiệt độ không khí tăng khi đi qua các cánh tản nhiệt. Đối với một tản nhiệt dài 100 mm, nhiệt độ không khí tăng ở 100 W là 5 đến 10 °C, làm giảm chênh lệch nhiệt độ hiệu quả giữa đế cánh tản nhiệt và không khí. Ngược lại, một bộ tản nhiệt với vòng tuần hoàn chất lỏng duy trì nhiệt độ chất làm mát gần như không đổi trên toàn bộ vòng tuần hoàn, vì chất lỏng mang nhiệt đi ở tốc độ dòng chảy cao. Nhiệt độ chất làm mát tăng qua tải 300 W ở tốc độ dòng 1,0 L/phút chỉ là 4,3 °C, cho phép bộ tản nhiệt hoạt động ở chênh lệch nhiệt độ thấp hơn và do đó hiệu suất cao hơn.

Sự đánh đổi về chi phí và hiệu suất giữa tản nhiệt và bộ tản nhiệt là gì?

Bảng dưới đây so sánh các thông số kỹ thuật và chi phí điển hình cho một tản nhiệt và một bộ tản nhiệt trong ứng dụng làm mát điện tử 200 W.

Dữ liệu cho thấy bộ tản nhiệt cung cấp điện trở nhiệt thấp hơn đáng kể và công suất tiêu tán nhiệt cao hơn nhưng với chi phí hệ thống và độ phức tạp cao hơn nhiều. Đối với tải 200 W, tản nhiệt là khả thi nếu giới hạn nhiệt độ mối nối trên 85 °C và nhiệt độ môi trường dưới 40 °C. Nếu giới hạn mối nối là 70 °C hoặc nhiệt độ môi trường là 50 °C, bộ tản nhiệt là bắt buộc.

Kỹ sư nên lựa chọn giữa tản nhiệt và bộ tản nhiệt như thế nào?

Quá trình lựa chọn bắt đầu bằng việc tính toán tổng tải nhiệt và nhiệt độ mối nối tối đa cho phép. Đối với một linh kiện đơn có tải nhiệt dưới 150 W và ngân sách điện trở nhiệt từ mối nối đến môi trường từ 0,5 °C/W trở lên, hãy sử dụng tản nhiệt. Đối với một hệ thống có nhiều linh kiện tổng cộng trên 300 W, hoặc một linh kiện đơn có ngân sách điện trở nhiệt dưới 0,2 °C/W, hãy sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng dựa trên bộ tản nhiệt.

Tiếp theo, đánh giá các điều kiện môi trường. Nếu nhiệt độ không khí xung quanh trên 45 °C, tản nhiệt sẽ yêu cầu hệ số giảm công suất từ 10 đến 15% cho mỗi 10 °C tăng, trong khi bộ tản nhiệt có thể hoạt động với hệ số giảm tương tự nhưng có thể được làm quá khổ để bù đắp. Nếu sản phẩm ở trong môi trường bụi bẩn hoặc ăn mòn, tản nhiệt có bước cánh rộng từ 3,0 mm trở lên được ưa chuộng để tránh tắc nghẽn, trong khi bộ tản nhiệt với 10 đến 16 cánh trên mỗi inch sẽ yêu cầu bộ lọc. Cuối cùng, xem xét tổng chi phí sở hữu. Đối với khối lượng sản xuất trên 5.000 đơn vị mỗi năm, giải pháp tản nhiệt rẻ hơn 3 đến 5 lần so với giải pháp bộ tản nhiệt, nhưng đối với thiết bị điện toán hiệu suất cao hoặc viễn thông hoạt động 24/7, tiết kiệm năng lượng từ tốc độ quạt thấp hơn trên bộ tản nhiệt có thể bù đắp chi phí ban đầu trong vòng 2 đến 3 năm.

Một giải pháp kết hợp có thể kết hợp lợi ích của tản nhiệt và bộ tản nhiệt không?

Có, một giải pháp kết hợp sử dụng tản nhiệt để làm mát trực tiếp linh kiện và bộ tản nhiệt như một phần của vòng tuần hoàn nhiệt siphon hoặc buồng hơi. Trong một nhiệt siphon, một tản nhiệt kín chứa một chất lỏng làm việc bay hơi ở bề mặt nóng và ngưng tụ trong phần cánh tản nhiệt, cung cấp truyền nhiệt mà không cần máy bơm. Điều này có thể đạt được điện trở nhiệt từ 0,1 đến 0,2 °C/W cho tải 200 W, nằm giữa tản nhiệt tiêu chuẩn và bộ tản nhiệt có bơm.

Một giải pháp kết hợp khác là cấu hình tản nhiệt từ xa, nơi một ống dẫn nhiệt kết nối linh kiện với một cụm cánh tản nhiệt đặt cách xa nguồn nhiệt. Ống dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt hiệu quả từ 5.000 đến 10.000 W/mK và có thể truyền 50 đến 200 W trên khoảng cách từ 100 đến 300 mm. Điều này cho phép cụm cánh tản nhiệt được đặt ở khu vực có luồng không khí cao hơn hoặc bên ngoài vỏ, kết hợp chi phí thấp của tản nhiệt với tính linh hoạt về vị trí của bộ tản nhiệt. Đối với một máy chủ 300 W, một tản nhiệt từ xa với bốn ống dẫn nhiệt và một cụm cánh tản nhiệt 120 mm x 120 mm x 40 mm có thể duy trì nhiệt độ vỏ 60 °C ở nhiệt độ môi trường 35 °C, với tổng chi phí từ 25 đến 40 USD, làm cho nó trở thành một giải pháp trung gian thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Làm thế nào để đo điện trở nhiệt của tản nhiệt hoặc bộ tản nhiệt của tôi?

Đo chênh lệch nhiệt độ giữa đế nguồn nhiệt và không khí xung quanh, sau đó chia cho công suất tiêu tán. Đối với tản nhiệt, sử dụng cặp nhiệt điện ở tâm đế và đo nhiệt độ môi trường cách 100 mm, ở một luồng không khí xác định. Đối với bộ tản nhiệt, đo nhiệt độ đầu vào và đầu ra của chất làm mát và nhiệt độ không khí đầu vào, sau đó chia chênh lệch nhiệt độ trung bình cho tải nhiệt.

Nhiệt độ tối đa mà tản nhiệt có thể chịu được là bao nhiêu?

Tản nhiệt nhôm có thể hoạt động lên đến 400 °C, nhưng yếu tố giới hạn là nhiệt độ mối nối của linh kiện điện tử, thường là 85 đến 125 °C đối với silicon. Tản nhiệt đồng có thể chịu được các giới hạn mối nối tương tự nhưng cung cấp điện trở nhiệt thấp hơn 40% ở cùng thể tích. Đối với môi trường nhiệt độ cao trên 150 °C, hãy sử dụng tản nhiệt gốm hoặc gốc than chì, mặc dù những loại này đắt hơn 2 đến 3 lần.

Tôi có thể sử dụng bộ tản nhiệt mà không có máy bơm trong điện tử không?

Không, một bộ tản nhiệt không có máy bơm sẽ không hiệu quả

Bài Viết Liên Quan

• Tản nhiệt cho đèn LED độ sáng cao với tản nhiệt
• Tản nhiệt đồng tốt nhất cho ép xung CPU năm 2025
• Tản nhiệt IGBT cho xe năng lượng mới, kỹ thuật độ tin cậy của tản nhiệt, tản nhiệt tích hợp ống nhiệt và tấm cân bằng nhiệt, xử lý bề mặt và tăng cường bức xạ nhiệt: anodizing, lớp phủ màu đen và cấu trúc vi nano, graphene / in 3D / quản lý nhiệt thông minh: lộ trình công nghệ tản nhiệt năm 2030