Как работает водяное охлаждение в телефонах
При всей его высокой мощности требуется настоящая инженерная магия, чтобы обеспечить должное охлаждение компонентов смартфона, когда вы запускаете игры или работаете с ресурсоемкими многозадачными приложениями. Компания Samsung разработала инновационное решение для охлаждения Galaxy Note9 и представила принципиально новую систему водяного охлаждения с применением углеволоконных технологий – Water Carbon Cooling.
Впервые Samsung применила систему водяного охлаждения в своем смартфоне Galaxy S7. В модели Galaxy Note9 компания повысила мощность и эффективность охлаждения устройства. Как этого удалось этого добиться расскажем в этом материале.
1.Проблема
При создании телефонов, способных работать от батареи в течение всего дня и запускать игры как на игровых приставках, мы сталкиваемся с тем, что телефон ощутимо нагревается. Если внутренности смартфона нагреваются слишком сильно, то срабатывает защита от перегрева (thermal throttling), и процессор автоматически снижает частоту своей работы, что приводит к потере производительности. Зависающие игры и медленная работа многозадачных приложений – две важных проблемы, решить которые помогает грамотно разработанная система охлаждения.
2.Цель
При создании Galaxy Note9 мы поставили перед собой сразу несколько амбициозных целей. Мы хотели получить смартфон, который бы мог работать от батареи в течение всего дня, который можно было бы использовать в качестве обычного ПК при подключении к док-станции Samsung DeX, и который позволял бы запускать игры с насыщенной графикой, такие как Fortnite. Это означало, что смартфон должен быть оснащен батареей емкостью 4000мАч и мобильным процессором, работающим с частотой 2,7ГГц, а это, в свою очередь, предъявляло повышенные требования к системе охлаждения. Новая система охлаждения должна была работать быстрее и эффективнее, чем системы предыдущих поколений.
3.Идея
В водяной системе охлаждения на смартфонах Galaxy S7 применялся радиатор пористого типа (porous thermal spreader), наполненный водой, которая поглощает тепло, и, превращаясь в пар, передает тепло по трубке. После того, как тепло рассеивается, пар снова конденсируется в воду. Эта система послужила прототипом для водяного охлаждения Water Carbon Cooling, которое используется в Galaxy Note9, однако новая система стала более комплексной и эффективной.
4.Решение
Первоначально в системе использовалось два материала термоинтерфейсов (Thermal Interface Materials, TIM), один из которых был выполнен из углеволокна с высокой теплопроводностью и был предназначен для отвода тепла от процессора. Новое решение заключалось в добавлении слоя меди между этими двум материалами, что позволило передавать еще больше тепла между ними, чтобы потом обеспечить его более эффективное рассеяние. Кроме того, мы разработали более широкий радиатор охлаждения объемом 350мм 3 по сравнению с 95мм 3 радиатором Galaxy S9, что позволило рассеивать тепло через большую площадь поверхности.
5.Результат
Благодаря улучшенной системе охлаждения Water Carbon Cooling, смартфон Galaxy Note9 способен эффективно рассеивать тепло, генерируемое его мощным процессором. За счет более широкого радиатора охлаждения и улучшенного термоинтерфейса, выполненного из углеволокна, система охлаждения хорошо справляется с отводом тепла с процессора на поверхность устройства. Это позволяет непрерывно использовать смартфон в режиме максимальной производительности. В сравнении с Galaxy Note8, обновленная система охлаждения обладает втрое большим теплопоглощением и 3,5 раза более высокой теплопроводностью.
Пока разработчики полупроводниковых компонентов ломают голову, как обеспечить эффективное охлаждение процессоров в условиях постоянного уплотнения компоновки и усложнения интеграции, мобильные устройства становятся всё более производительными и функционально развитыми. Японская компания NEC применила тепловую трубку в смартфоне ещё в далёком 2013 году, и с тех пор мобильные устройства такого типа взяли на вооружение испарительные камеры, а тепловые трубки для этой сферы применения становятся всё тоньше и популярнее. В конце прошлого года издание Taipei Times предположило, что предстоящий переход на 5G существенно увеличит спрос на тепловые трубки для смартфонов. Следующее поколение мобильных устройств обзаведётся более производительной «начинкой», потоки информации расширятся, а тепловыделение возрастёт. Такие прогнозы уже вызвали рост котировок акций производителей испарительных камер и тепловых трубок.
Источник изображения: AKIBA PC Hotline
Оказывается, существуют производители аксессуаров для смартфонов, которые готовы помочь тем, кто считает штатную систему охлаждения своего мобильного устройства недостаточно эффективной. Возможно, кто-то задумывается и о разгоне смартфона — эксплуатации устройства в режимах, выходящих за рамки штатного. Японский сайт AKIBA PC Hotline приводит сразу два примера подобных необычных аксессуаров. На местном рынке, например, можно приобрести систему жидкостного охлаждения для смартфонов Apple поколения iPhone X и старше.
Источник изображения: AKIBA PC Hotline
На смартфон надевается полимерный чехол, к задней крышке которого подведены две трубки, по которым подаётся и отводится охлаждающая жидкость. Непосредственно корпус смартфона жидкостью не омывается, в месте контакта с ним в чехле предусмотрена полость, которую и заполняет жидкость. Получается что-то вроде «грелки наоборот».
Источник изображения: AKIBA PC Hotline
Резервуар с охлаждающей жидкостью можно наполнить льдом, поскольку специального теплообменника в этой системе нет, и корпус смартфона постепенно будет нагревать жидкость, циркулирующую в контуре. В этом же резервуаре располагается погружная помпа, способная прокачивать до 20 литров жидкости в час. Питается она от порта USB, для работы достаточно силы тока не менее одного ампера. По большому счёту, питание от USB позволяет рассчитывать на некоторую степень автономности, хотя в сборе такая система всё равно выглядит громоздко и нелепо. Кстати, в японских магазинах она уже распродана, а цены без учёта налогов приближались к 1853 рублям. Новая партия систем охлаждения данной модели поступит в продажу в начале сентября.
Источник изображения: AKIBA PC Hotline
Однако жидкостным охлаждением дело не ограничивается. Здесь же можно купить необычную систему охлаждения для смартфона на базе так называемого «модуля Пельтье». Составная полупроводниковая пластина при подаче напряжения сильно охлаждается с одной стороны и пропорционально сильно нагревается с другой стороны. Холодную сторону пластины обычно прикладывают к компонентам, которые нужно охлаждать, а горячую обдувают достаточно производительным и шумным вентилятором. Надо сказать, что полноформатные термоэлектрические модули потребляют немало электроэнергии, а поделка китайской фирмы, замеченная японскими репортёрами, довольствуется кабелем Micro-USB. Для работы системы охлаждения необходима сила тока не менее полутора ампер. От одного источника питаются сам модуль Пельтье, вентилятор и его подсветка. Последнюю можно отключить, если в этом возникнет необходимость.
Источник изображения: AKIBA PC Hotline
В отличие от чехла для iPhone X с жидкостным охлаждением, модуль Пельтье облачён в металлический корпус с универсальным нерегулируемым захватом, позволяющим установить его на смартфонах с диагональю экрана от 4,7 до 6,5 дюймов. В месте контакта системы охлаждения с корпусом смартфона предусмотрена термопрокладка. Подобная система монтажа подразумевает постоянное нахождение системы охлаждения на смартфоне, что не очень удобно в повседневной эксплуатации.
Источник изображения: AKIBA PC Hotline
Во-первых, высота системы охлаждения достигает 35 мм, а весит она 46 г. Во-вторых, температура холодной стороны пластины может опускаться до трёх градусов Цельсия, и в определённых климатических условиях это неизбежно вызовет появление конденсата, от которого может пострадать и сам смартфон. В Японии такое чудо техники стоит не более 1729 рублей без учёта налогов, что позволяет производителю аксессуара рассчитывать на спрос, даже мотивированный чистым любопытством.
Компания Xiaomi представила новое поколение систем рассеивания тепла для своих смартфонов с применением клапанных каналов Теслы.
Разработчики системы Loop LiquidCool отмечают, что источником вдохновения послужили технологии, используемые в аэрокосмической отрасли.
Loop LiquidCool состоит из таких компонентов, как испаритель, кольцевые тепловые трубки, конденсатор, заправочная камера и каналов отвода жидкости и газа.
В основе технологии лежит принцип капиллярности, благодаря которому охлаждающая жидкость притягивается к нагретой поверхности, остужает его, испаряется, а затем охлаждается и вновь отправляется к источнику тепла.
Чтобы предотвратить обратное движение тепла, инженеры использовали клапаны Теслы, которые разделяют пропускаемый воздух на несколько потоков, что позволяет снизить эффективность кинетической энергии внутри системы.
В каком-то смысле разработчики Xiaomi получили вариацию испарительной камеры. По данным компании, Loop LiquidCool обеспечивает повышенную в два раза эффективность охлаждения устройства по сравнению с предыдущими решениями жидкостного охлаждения смартфонов.
Xiaomi проверила новую технологию на смартфоне MIX 4 с процессором Snapdragon 888+. Для сравнения разработчики взяли точно такой же смартфон, в котором используется система охлаждения предыдущего поколения.
Результаты тестирования показали, что во время 30-минутной игры в в Genshin Impact на максимальных настройках с 60 FPS смартфон с Loop LiquidCool в среднем нагревался не более чем на 47,7℃, в то время как стандартная версия MIX 4 достигала температуры 52,9℃.
Пока что компания не раскрывает подробностей, когда устройства с применением новой технологии охлаждения поступят в продажу, однако есть большая вероятность, что мы сможем ее увидеть в флагмане Xiaomi на Snapdragon 898 в следующем году.
Поскольку телефоны становятся все более мощными, они также генерируют больше тепла. Чтобы они были круче, чем когда-либо, мы начинаем видеть, что все больше телефонов поставляется с «водяным охлаждением». Но что это значит?
Современные смартфоны — это маленькие компьютеры в вашем кармане — они невероятно мощные, с процессорами и графическими процессорами, более способными, чем полноценные настольные ПК, выпущенные недавно. В результате всей этой мощности в таком небольшом пространстве поддержание охлаждения оборудования стало проблемой для производителей устройств.
Большинству производителей телефонов приходилось нестандартно мыслить, чтобы найти правильное решение, позволяющее поддерживать работоспособность телефонов при повышении производительности, и водяное охлаждение, похоже, является таким решением. Но это не то же самое, что процесс водяного охлаждения, используемый в ПК — в системе не течет настоящая жидкость.
В последнее время разговоры о «водяном охлаждении» в телефонах усилились, когда Galaxy Note 9 и Pocophone использовали эту функцию, чтобы поддерживать работоспособность. Но это не первые телефоны, использующие такую систему — Samsung представила систему водяного охлаждения в Galaxy S7.
Вот как это работает.
Как работает водяное охлаждение в телефонах
В Galaxy S7 компания Samsung разработала метод водяного охлаждения, который использует медную тепловую тепловую трубку для отвода тепла от процессора, особенно когда чип работает тяжелее. В этой трубке есть крошечный кусочек жидкости — этого недостаточно, чтобы увидеть, разрезана ли трубка (многие люди проверяли это, когда телефон впервые был выпущен).
Вместо этого процесс водяного охлаждения работает за счет конденсации. Когда процессор нагревается, жидкость по существу испаряется, поддерживая охлаждение процессора. Пар затем попадает на противоположный конец тепловой трубы, где он конденсируется обратно в жидкость при охлаждении. Этот процесс в сочетании с углеродным волокном TIM (Thermal Interface Material) является очень эффективным методом охлаждения аппаратного обеспечения телефона.
Современные смартфоны используют аналогичную систему, но Samsung расширяет первоначальную идею с помощью «системы водоуглеродного охлаждения» в Note 9.
Что касается Note 9, Samsung знал, что ему требуется еще больше охлаждающей способности, чем у S7 (или любого предыдущего телефона). Это было достигнуто двумя способами: путем включения более широкой тепловой трубы и добавления слоя меди между двумя распределителями тепла для передачи большего количества тепла.
Система охлаждения Note 9 / через Samsung
Вся система охлаждения работает послойно. Прямо над процессором под тонким кусочком меди находится слой углеродного волокна (который отлично передает тепло). Кроме того, есть еще один тип неуточненного термотрансферного материала (можно предположить, что это какой-то тип силикона), а затем медная тепловая трубка. Прямо над трубой расположен термораспределитель, который предотвращает концентрирование тепла в одном месте.
Другие телефоны используют аналогичные системы, возможно, не такие сложные, но основы должны быть примерно такими же. Вода, как правило, представляет собой не более чем пар в большинстве случаев, так что это не система с водяным охлаждением, а система с паровым охлаждением.
Читайте также: