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Vapor chamber

晨怡热管 2008-5-2 22:07:28

Vapor chamber는 미세 유로 내에서 액체 상변화 시 자연적으로 동반되는 모세관력으로 자동 순환하는 열 교환 시스템으로 기본적인 상변화 메커니즘은 증발->증기이동->응축->회귀의 순서로 일반적인 히트파이프와 유사하다.
내부에 삽입되는 마이크로 윅은 냉각시스템의 형상에 따라 자유로이 제작이 가능하고, 재질에 의존성이 매우 낮은 장점을 가진다. 또한 초박판으로 제작이 가능한 포토에칭 기법을 사용하여 슬림형 전자 제품에 적용하기가 매우 용이하다.
증발 메카니즘은 열원으로부터 고체면을 통해 열이 전도되고, 얇게 유기된 액체막에서 열이 증발 잠열로 흡수되어 액체에서 기체로 상변화를 일으킨다. 상변화된 냉매는 증발부 상단의 압력 상승에 의해 기체 이동 통로를 통해 열손실 없이 면적이 넓은 응축부로 분산된다.



응축메카니즘은 기체통로로부터 유입된 증기는 차가운 벽면에서 액체로 응축되고, 응축열은 고체벽면을 통해 전도되어 외부로 방출된다. 이때 응축된 액체는 모세관력에 의해 윅을 통해 증발부로 회귀하는 프로세스로 이루어진다.

특징
두께 2mm 이하의 냉각 시스템 구현 가능
초박형의 윅을 사용하여 슬림화 제품 구현이 용이
직접 열원에 부착되여 고체 면에서의 전도 열저항을 최소화
윅의 가공성이 및 양산성이 우수 패키징이 매우 용이


성능 및 개선 효과
일반적인 슬림형 노트북에 사용되는 CPU 쿨러는 알루미늄 다이캐스팅과 히트파이프 및 FAN으로 구성되어 강제대류냉각 방식에 의해 열 시스템이 구성되어 있다. 실제 판매되고 있는 S사의 노트북의 CPU쿨러와 이와 동일 크기의 Vapor chamber CPU 쿨러를 성능을 비교하면 다음과 같다.

항목 세부항목 Heat pipe cooler Vapor chamber cooler 개선효과
두께(mm) Total 2.5 1.8  
Heat pipe or Vapor chamber 1.5 1.8  
Aluminum base 1.0 0.0  
FAN 장착 실험 SEPA 6,000rpm(Air cooling) 14.1W 21.2W +50%
FAN 장착실험 (Thermal resistance, ℃/W) Total 3.90 2.59 +33.5%
Evaporator 0.72 0.31  
Adiabatic 1.24 0.16  
Heat sink 1.94 2.12  
열 이송 한계 실험 냉각부(수냉) 15W 70W +360%
무게(g) Fan 제외 20.8 69 -231.7%
* (+) Positive effect, (-) Negative effect



기존 냉각 시스템을 Vapor chamber를 적용하는 경우 두께는 0.7mm를 줄일 수 있고, 열저항은 약 33.5%의 감소 효과를 얻을 수 있었으며, 열 이송 한계 성능 역시 기존 heat pipe 적용 모델에 비해 획기적인 성능 효과를 기대할 수 있었다. 다만, Vapor chamber는 Container와 작동유체의 재질 적합성의 이유로 인해 구리 재질을 사용하기 때문에 무게는 약40g이 증가되었다

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