맞춤형 액체 냉각판: 종류, 적용 분야 및 CNC 가공 가이드

액체 냉각판이 필요한 이유는 무엇일까요?

전자 기기가 소형화됨에 따라, 이제 과제는 단순히 물건을 작게 만드는 것에서 원자 수준의 문제를 관리하고 열을 제거하는 것으로 바뀌었습니다. 인공지능 가속기와 차세대 데이터 센터를 구동하는 프로세서가 16nm 공정의 엔비디아 파스칼 P100에서 1.6nm 공정의 TSMC A16으로 전환되는 것을 볼 수 있습니다. 과학자와 엔지니어들은 이제 나노미터 대신 옹스트롬을 측정 단위로 사용해야만 합니다.

전자 장치의 크기가 작아짐에 따라 전력 밀도가 크게 증가합니다. 이러한 장치는 전류의 흐름에 대한 내부 저항으로 인해 열을 발생시킵니다. 첨단 전자 장치에서 발생하는 열을 제거하는 것이 진정한 과제이며, 바로 이 때문에 액체 냉각판이 필요합니다. 액체 냉각판은 공랭식 냉각의 실질적인 한계인 약 50W/cm²를 뛰어넘습니다. 전기차 배터리 모듈에서 1,000W의 열을 제거하는 공랭식 냉각기의 크기를 상상해 보세요. 현실적으로 불가능합니다. 이와 대조적으로 액체 냉각판은 미세 스키빙 또는 정밀 CNC 가공을 통해 접촉 면적을 최대 1,600%까지 증가시키는 핀을 제작합니다.

액체 냉각판의 적용 분야는 컴퓨터용 전자 장치에만 국한되지 않습니다. 전력 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 탄화규소(SiC) 모듈에 액체 냉각판을 사용하면 인버터에서 10~50킬로와트의 폐열을 제거할 수 있습니다. 이러한 냉각판은 길이가 최대 1미터에 달할 수 있습니다.

액체 냉각판은 어떻게 작동할까요? 열 전달의 핵심 원리

이해를 돕기 위해 컴퓨터 프로세서를 예로 들어보겠습니다. 프로세서는 흐르는 전류에 대한 내부 저항과 수백만 개의 스위치가 켜지고 꺼지면서 열을 발생시킵니다. 액체 냉각판은 프로세서 위에 놓여 있습니다. 이 냉각판은 열전도율이 매우 높기 때문에 적절한 열전도 솔루션을 사용하면 금속 간 열 전달이 이루어집니다. 그런 다음 열은 액체 냉각판 내부에 가공된 미세 채널과 핀을 통해 퍼져 나갑니다.

차가운 유체(바람직하게는 물-글리콜 혼합물 또는 유전체)를 액체 냉각판의 입구 포트로 펌핑합니다. 그러면 유체가 미세 채널 위로 흐르면서 채널의 열을 흡수하게 됩니다. 이러한 강제 대류로 인해 출구에서 유체의 온도가 상승하고, 상승된 유체는 원격 열교환기 또는 방열기로 이동하여 주변 공기로 열을 방출합니다. 모든 액체는 보충 또는 누출 모니터링을 위한 저장소가 있는 연속적인 폐쇄 루프 내에서 흐릅니다. 액체 냉각판의 성능은 유량, 압력 강하 및 채널 형상에 따라 달라집니다.

다음은 액체 냉각판에 사용되는 방정식입니다.

전도에 대한 푸리에 법칙 (Q=k A T d )

CFD 모델링을 위한 비압축성 유체 흐름에 대한 간소화된 나비에-스토크스 방정식.

액체 냉각판과 공랭식 냉각 방식 비교

액체 냉각판과 공랭식을 비교할 때는 각각의 장점과 한계를 이해해야 합니다. 이름에서 알 수 있듯이 액체 냉각은 액체를 사용하는데, 액체는 대류 열전달 계수가 높아 기술적으로 공기보다 열 전달 특성이 우수합니다. 따라서 액체 냉각은 공기에 비해 작은 표면적에서 열을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

공랭식 냉각 방식은 열원에 직접 장착되는 방열판을 필요로 합니다. 원하는 냉각 속도를 얻으려면 고속으로 회전하는 대형 냉각 팬이 필수적입니다. 앞서 언급했듯이, 이러한 방식은 장비를 매우 크고 부피가 크게 만들 수 있으며, 경우에 따라 실용적이지 않을 수 있습니다.

액체 냉각은 펌프를 사용하여 유체 경로 내의 미세 채널을 통해 유체를 흐르게 함으로써 가열 표면과의 접촉 면적을 증가시킵니다. 표준 50mm x 50mm 접촉 면적은 2,500mm²입니다. 높이 5mm, 간격 0.1mm의 핀이 있는 미세 채널을 통해 접촉 면적은 최대 40,000mm²까지 확장될 수 있습니다. 또한 액체를 난류로 변환하여 열 전달 효율을 향상시킵니다. 이후, 열은 액체에 의해 분리된 열 방출 위치로 전달됩니다.

다양한 기준에 따라 두 제품을 표로 비교하여 어떤 차이가 있는지 살펴보겠습니다.

액체 냉각판의 일반적인 유형

용도에 따라 액체 냉각판은 크게 7가지 유형으로 나뉩니다. 일부는 고압 환경에 적합하게 설계되었고, 다른 일부는 내구성과 경제성을 고려하여 제작되었습니다. 다음은 일반적인 유형과 그 세부 정보입니다.

CNC 가공 액체 냉각판

이 제품들은 CNC 기계를 사용하여 제작된 고급 액체 냉각판입니다. CNC 기계는 복잡한 채널을 만들어 열 전달 능력을 향상시키면서 유체 흐름의 압력 손실을 최소화합니다. 복잡한 가공 공정으로 인해 가격이 더 높습니다.

진공 브레이징 냉간 플레이트

진공 브레이징 냉간판은 고온 진공로를 사용하여 제작됩니다. 일반적으로 베이스와 커버 두 부품을 겹쳐 놓고 그 사이에 매우 얇은 브레이징 합금층을 넣습니다. 열이 가해지면 합금이 녹아 야금학적 결합을 통해 두 부품을 완벽하게 접합합니다.

마찰교반용접(FSW) 냉간압연판

FSW(마찰교반용접)는 고속으로 회전하는 공구에서 발생하는 마찰력을 이용합니다. 공구는 두 부분으로 구성되어 있는데, 앞쪽 부분은 드릴처럼 용접될 두 금속의 교차점에 들어가고, 뒤쪽 부분은 차가운 판재 위에서 디스크처럼 회전하며 접촉합니다. 이 마찰로 인해 금속이 플라스틱처럼 거동할 수 있을 만큼 충분한 열이 발생하여 이음매 없이 접합됩니다.

압출 냉간 성형판

가열된 알루미늄 덩어리를 성형된 강철 금형에 눌러 압착합니다. 이 힘으로 인해 알루미늄이 금형의 모양을 따라 변형됩니다. 이 방법을 통해 긴 냉간 압연판을 만들 수 있습니다. 대량 생산이 가능하기 때문에 비용이 저렴합니다.

스탬프 처리된 냉간 플레이트

이 공정은 맞춤형 금형 스탬프가 장착된 대형 기계식 프레스를 사용합니다. 유체 채널 패턴이 판재에 압착됩니다. 그런 다음 두 판재를 접착, 브레이징 또는 용접하여 밀폐된 액체 흐름 경로를 형성합니다.

튜브형(압입식/에폭시)

대형 냉각판 베이스에 열전달 액체를 운반하는 튜브를 수용할 수 있도록 홈을 가공합니다. 그런 다음 튜브를 동일한 패턴으로 홈 위에 놓고 홈에 압착합니다. 튜브와 베이스 플레이트 사이의 미세한 틈을 메우기 위해 열전도율이 높은 열용 에폭시를 사용합니다.

총으로 뚫다

직선형의 긴 드릴 비트가 액체 냉각판 내부를 직접 가공합니다. 드릴 비트의 진입점은 마개로 밀봉합니다. 이러한 방식은 파열 압력에 대한 내구성이 매우 뛰어나며 일반적으로 다른 방식에 비해 비용이 더 많이 듭니다.

맞춤형 액체 냉각판 제작을 위한 CNC 가공 완벽 가이드

CNC 가공으로 제작된 맞춤형 액체 냉각판의 제조 과정을 완벽하게 이해하려면 다음 주요 단계를 참조하십시오.

모델링 및 재료 선택

맞춤형 액체 냉각판을 개발하는 엔지니어에게 있어 첫 번째 단계는 요구 사항에 따른 설계입니다. 이는 최종 제품의 3D 모델링, 구성 요소별 도면 작성, 그리고 개발 도면 작성을 의미합니다. 그런 다음 모델을 CNC 기계 프로그램으로 변환하고 적합한 재료를 선택합니다. 일반적으로 알루미늄(6061/6063), 구리(C110), 스테인리스강 또는 티타늄이 사용됩니다.

CNC 밀링 머신 사용

맞춤형 액체 냉각판을 제작하는 데 사용되는 장비는 일반적으로 3축에서 5축 CNC 밀링 머신입니다. 이러한 장비는 블록을 기울이고 회전시켜 ±0.1mm의 매우 정밀한 공차로 복잡한 형상을 가공할 수 있습니다.

정밀 검사 및 밀봉

CNC 기계는 베이스 플레이트에서 재료를 제거하여 욕조와 핀을 만듭니다. 정밀한 가공이 필수적이며, 나중에 떨어져 나와 폐쇄형 욕조를 막을 수 있는 미세한 버(burr)가 없어야 합니다. 그런 다음 앞서 언급한 고급 기술을 사용하여 상단 덮개를 베이스에 밀봉합니다.

테스트

마지막으로, 제조 공정이 완료되면 맞춤형 액체 냉각판은 고압 테스트를 거칩니다. 블록을 채우는 데 물 대신 헬륨 가스를 사용하여 밀봉된 냉각판에 압력을 가합니다. 헬륨을 잘 견뎌낸다면 물이 스며들 수 있는 미세한 균열이 없다는 것을 의미합니다.

독창적인 통찰력: 최신 모델링 소프트웨어는 암시적 방법을 사용하여 TPMS(삼중 주기 최소 표면)라고 하는 복잡한 구조를 생성합니다. 이는 직선형 핀 디자인과는 다르며, 스펀지처럼 복잡한 금속 형태를 구현합니다.

적합한 액체 냉각판을 고르는 방법: 4단계

1단계: 요구사항 정의

먼저, 액체 냉각판 설계를 선택할 수 있도록 열원에서 발생하는 열량을 정의해야 합니다. 최대 허용 온도, 유입 유체 온도, 유량, 압력 강하 한계, 크기 및 장착과 같은 기계적 제약 조건을 정의하십시오.

2단계: 재료 선택

앞서 언급했듯이, 설계자는 재료를 선택해야 합니다. 재료 선택에 따라 메타 전도도가 달라지므로, 무게와 비용의 균형을 고려한다면 알루미늄(약 167~235W/mK)을, 최대 자속을 원한다면 구리(약 385~400W/mK)를, 내식성을 고려한다면 스테인리스강을 선택하는 것이 좋습니다.

3단계: CFD 시뮬레이션을 통한 설계 최적화

채널 레이아웃, 핀 매개변수 및 유량 균형을 정밀하게 테스트합니다. 테스트 결과를 바탕으로 설계를 반복적으로 개선하여 균일한 온도와 최소한의 압력 강하를 달성합니다.

4단계: 성능과 제조 가능성 및 비용의 균형 유지

설계에 대한 확신을 완전히 확보하려면 소량 생산 시에는 CNC 가공으로 시제품을 제작하십시오. 이후 대량 생산 시에는 다이캐스팅 또는 압출 방식으로 전환하십시오. 액체 냉각판 시제품에 최대 열 부하를 가하여 열 테스트를 실시하십시오.

전자 및 산업용 냉각 분야에서 맞춤형 액체 냉각판의 주요 응용 분야

1. 데이터 센터 및 AI: 칩 직접 냉각 방식은 100kW 이상의 랙을 관리하여 서버 밀도를 극대화하고 PUE를 낮춥니다.

2. 전기 자동차(EV): FSW 플레이트는 고속 충전 중 배터리를 균일하게 냉각하여 열 폭주를 방지합니다.

3. 전력 전자: 맞춤형 플레이트는 열악한 산업 및 철도 환경에서 고전압 부품(IGBT, SiC)을 안정화합니다.

4. 의료 및 레이저: 영상 코일 및 광학 장치의 정확도를 유지하기 위해 극도의 온도 정밀도(±0.5°C)를 제공합니다.

5. 항공우주 및 신재생에너지: 경량 고압 설계로 극한의 진동과 미세중력을 견딜 수 있습니다.

맞춤형 냉각판 제조업체와 협력해야 하는 이유는 무엇일까요?

맞춤형 콜드 플레이트를 소유하는 것은 기성품 솔루션에 비해 프리미엄급 선택입니다. 콜드 플레이트 제조업체는 형상, 재질, 유로를 변경하여 저항을 최소화하고 열 전달 효율을 극대화하기 위한 표면적을 제공할 수 있습니다. 대부분의 제조업체는 CFD 시뮬레이션, 신속한 CNC 프로토타이핑, 고급 밀봉(마찰교반용접/브레이징), 100% 누출/열 검증에 이르기까지 전 과정에 걸친 지원을 제공합니다.

결론

고급 제조업체는 최소 주문 수량(MOQ) 제한 없이 시제품부터 대량 생산까지 생산 규모를 확장할 수 있습니다. 일반적으로 전문 맞춤형 콜드 플레이트 제조업체는 IATF 16949와 같은 규정 준수 및 다양한 산업 분야에 적합한 재료 호환성을 제공합니다.

최소 주문 수량이나 성능 저하 없이 단일 프로토타입부터 대량 생산까지 확장 가능합니다. 자본 손실 위험을 줄이고 차기 프로젝트를 위해 맞춤형 콜드플레이트 제조업체와 협력하십시오.

자주 묻는 질문

Q1: 콜드 플레이트와 히트 싱크의 차이점은 무엇인가요?

방열판은 고속 팬을 사용하여 공기를 통해 핀이 있는 베이스 플레이트를 직접 냉각합니다. 액체 냉각판은 유체를 사용하여 베이스 플레이트에서 열을 제거하며 훨씬 높은 열 제거 용량을 제공합니다. 일반적으로 방열판의 열전도율은 10~50W/cm² 정도입니다. 반면, 냉각판은 500~1,000W/cm²에 달하는 열 제거 용량을 제공합니다.

Q2. 누수를 방지하려면 어떤 냉각수를 사용해야 하나요?

누출 방지는 진공 브레이징, 마찰교반용접(FSW)과 같은 고급 기술을 사용하고, 제조업체 맞춤형 액체 냉각판을 헬륨으로 가압 테스트하는 것에서 시작됩니다. 액체 냉각판에서 누출이 발생하지 않으면, 다음 단계는 동결/부식 방지를 위해 글리콜이 첨가된 탈이온수를 사용하고, 전기적으로 민감한 용도에는 절연 유체를 사용하는 것입니다.

질문 3: 일반적인 수명은 얼마나 되나요?

적절하게 밀봉된 구리 또는 FSW 알루미늄 플레이트는 정기적인 유체 유지 보수를 통해 10년 이상 사용할 수 있습니다.

Q4: 콜드 플레이트는 소량 생산에 적합한가요?

네, CNC 가공은 금형 투자 없이 경제적인 시제품 제작 및 맞춤형 생산을 지원합니다. 또한 생산 초기 단계에서 CFD 검증을 통해 위험을 더욱 줄이고, 비용이 많이 드는 재설계를 방지하며 시스템 수준의 성능을 확인할 수 있습니다.

• 년도
  --
• 비즈니스 유형
  --
• 국가 / 지역
  --
• 주요 산업
  --
• 주요 상품
  --
• 기업의 법적 사람
  --
• 총 직원
  --
• 연간 출력 값
  --
• 수출 시장
  --
• 협력 고객
  --