Изготовление жидкостных охлаждающих пластин на заказ: типы, области применения и руководство по обработке на станках с ЧПУ.

Зачем нужны жидкостные охлаждающие пластины?

По мере миниатюризации электроники задача теперь сместилась с уменьшения размеров на решение проблем на атомном уровне и отвод тепла. Мы видим, как процессоры, используемые в ускорителях ИИ и центрах обработки данных следующего поколения, переходят от 16-нм Nvidia Pascal P100 к 1,6-нм TSMC A16. Ученым и инженерам приходится переходить от нанометров к ангстремам в качестве единиц измерения.

Уменьшение размеров электронных компонентов приводит к значительному увеличению удельной мощности. Эти устройства выделяют тепло из-за внутреннего сопротивления движущемуся току. Отвод тепла, выделяемого в современной электронике, является настоящей проблемой, поэтому нам нужны жидкостные охлаждающие пластины. Они преодолевают практический предел воздушного охлаждения, составляющий около 50 Вт/см². Представьте себе размер воздушного охладителя, отводящего 1000 Вт от аккумуляторного модуля электромобиля. Это непрактично. В сравнении с ними, жидкостные охлаждающие пластины используют микрошлифовку или прецизионную обработку на станках с ЧПУ для создания ребер, которые в некоторых случаях увеличивают площадь контакта на 1600%.

Применение жидкостных охлаждающих пластин не ограничивается электроникой для вычислительных целей. Их использование в силовых биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) и модулях из карбида кремния (SiC) позволяет отводить от инвертора от 10 до 50 киловатт отработанного тепла. Длина таких пластин может достигать 1 метра.

Как работают жидкостные охлаждающие пластины? Основные принципы теплопередачи.

Для понимания рассмотрим удобный пример компьютерного процессора. Он выделяет тепло из-за внутреннего сопротивления движущемуся электрическому току и миллионов переключателей, которые постоянно включаются и выключаются. Жидкостная пластина расположена поверх процессора. Поскольку пластина обладает высокой теплопроводностью, тепло передается от металла к металлу с помощью подходящего теплопроводящего раствора. Затем тепло распространяется по внутренним микроканалам и ребрам, выточенным в жидкостной охлаждающей пластине.

Холодная жидкость, предпочтительно водно-гликолевая или диэлектрическая, закачивается во входной патрубок жидкостной охлаждающей пластины. Она заставляет жидкость протекать по микроканалам и отводить от них тепло. Принудительная конвекция повышает температуру жидкости на выходе, которая затем поступает в удаленный теплообменник или радиатор, отводящий тепло в окружающий воздух. Вся жидкость циркулирует в замкнутом контуре с резервуаром для подпитки или контроля утечек. Производительность жидкостной охлаждающей пластины зависит от расхода, перепада давления и геометрии каналов.

Ниже приведены уравнения, используемые для жидкостной охлаждающей пластины:

Закон Фурье для проводимости (Q=k A T d )

Упрощенные уравнения Навье-Стокса для несжимаемого течения жидкости в рамках CFD-моделирования.

Сравнение жидкостных охлаждающих пластин и воздушного охлаждения

При сравнении жидкостных охлаждающих пластин с воздушным охлаждением необходимо понимать их преимущества и ограничения. Как следует из названия, жидкостное охлаждение использует жидкость, которая технически обладает лучшими теплопередающими свойствами благодаря более высокому значению коэффициента конвективной теплопередачи. Оно лучше отводит тепло от небольших поверхностей по сравнению с воздухом.

Воздушное охлаждение требует установки радиаторов непосредственно на источник тепла. Для достижения желаемой скорости охлаждения необходимы массивные вентиляторы, работающие на высоких скоростях. Как мы уже упоминали, это может сделать оборудование очень большим, громоздким, а в некоторых случаях и непрактичным.

Жидкостное охлаждение использует насос для циркуляции жидкости по микроканалам внутри контура, что увеличивает площадь контакта с нагреваемой поверхностью. Стандартная площадь контакта 50 мм х 50 мм составляет 2500 мм². Благодаря микроканалам с ребрами высотой 5 мм и зазором 0,1 мм площадь поверхности может достигать 40 000 мм². Кроме того, это преобразует поток жидкости в турбулентный, что улучшает теплопередачу. Затем тепло отводится жидкостью в отдельную точку отвода тепла.

Давайте сравним их напрямую в таблице, чтобы увидеть, как они соотносятся друг с другом по различным параметрам:

Распространенные типы жидкостных охлаждающих пластин

В зависимости от области применения существует семь основных типов жидкостных охлаждающих пластин. Некоторые предназначены для работы под высоким давлением, другие же разработаны с учетом долговечности и доступности. Ниже приведены все распространенные типы с подробным описанием:

Жидкоохлаждаемые пластины, изготовленные на станках с ЧПУ.

Это высококачественные жидкостные охлаждающие пластины, изготовленные с использованием станков с ЧПУ. Эти станки создают сложные каналы, которые повышают теплопередающую способность, обеспечивая при этом минимальное падение давления в потоке. Из-за сложного процесса обработки они имеют более высокую стоимость.

Холодные пластины, спаянные вакуумным способом

Холодноплавкие пластины, припаянные вакуумным способом, изготавливаются в высокотемпературной вакуумной печи. Две детали, обычно основание и крышка, укладываются друг на друга, а между ними наносится очень тонкий слой припоя. Нагрев позволяет припою расплавиться и идеально герметизировать две детали, образуя металлургическую связь.

Холодные пластины, сваренные методом сварки трением с перемешиванием (FSW).

В технологии сварки трением с перемешиванием (FSW) используется трение, создаваемое высокоскоростным вращающимся инструментом. Инструмент состоит из двух частей: передняя часть, которая входит в зону пересечения двух свариваемых металлов, подобно сверлу, а затем другая часть, которая вращается как диск над холодным листовым материалом. Трение приводит к выделению достаточного количества тепла, чтобы металл вел себя как пластик и соединялся бесшовно.

Экструдированные холодные плиты

Нагретая алюминиевая заготовка прижимается к стальной матрице. Сила прижимает алюминий к матрице, придавая ей форму. Это позволяет создавать длинные секции холодных пластин. Благодаря большим объемам производства, такие изделия отличаются низкой себестоимостью.

Штампованные холодные пластины

В процессе используется большой механический пресс со специальными штампами. Рисунок каналов для жидкости наносится на лист методом прессования. Затем два листа склеиваются, паяются или свариваются вместе, образуя замкнутый канал для потока жидкости.

Трубчатый (прессовый/эпоксидный)

На большой охлаждающей пластине-основании вырезаются пазы для размещения трубок, по которым течет теплоноситель. Затем трубки укладываются в пазы по тому же шаблону и вдавливаются в них. Между трубкой и основанием используется высокопроводящая термостойкая эпоксидная смола для заполнения микроскопических зазоров.

Сверление для оружия

Прямое и длинное сверло обрабатывает непосредственно внутреннюю поверхность жидкостной охлаждающей пластины. Затем места входа сверла герметизируются с помощью заглушек. Они обладают высокой прочностью и выдерживают высокое давление, но обычно стоят дороже по сравнению с другими методами.

Полное руководство по обработке на станках с ЧПУ для изготовления нестандартных жидкостных охлаждающих пластин.

Чтобы полностью понять, как изготавливаются на станках с ЧПУ охлаждающие пластины из жидкого топлива, ниже приведено описание процесса по ключевым этапам:

Моделирование и выбор материалов

Разработка конструкции в соответствии с требованиями — первый шаг для инженеров, создающих нестандартные жидкостные охлаждающие пластины. Это включает в себя 3D-моделирование конечного продукта, его разборку и разработку чертежей. Затем модель преобразуется в программу для станка с ЧПУ, и выбирается подходящий материал. Обычно используются алюминий (6061/6063), медь (C110), нержавеющая сталь или титан.

Использование фрезерных станков с ЧПУ

Для изготовления пластин методом жидкостного охлаждения по индивидуальному заказу обычно используются 3-5-осевые фрезерные станки с ЧПУ. Эти станки могут наклонять и вращать заготовку, чтобы вырезать сложные формы с предельной точностью ±0,1 мм.

Точный контроль и герметизация

Станок с ЧПУ удаляет материал для создания ванны и ребер в опорной плите. Крайне важно обеспечить точность обработки и отсутствие микроскопических заусенцев, которые впоследствии могут отколоться и засорить замкнутую ванну. Затем верхняя крышка герметизируется к основанию с использованием упомянутых ранее передовых технологий.

Тестирование

Наконец, после завершения процесса изготовления, изготовленная на заказ жидкостная охлаждающая пластина проходит испытание под высоким давлением. Вместо воды для заполнения блока используется гелий для создания давления в герметичной охлаждающей пластине. Если гелий сохраняется, то микроскопические трещины, через которые можно было бы просвечивать воду, отсутствуют.

Уникальная особенность: современное программное обеспечение для моделирования использует неявные методы для генерации сложных структур, называемых TPMS (тройно-периодические минимальные поверхности). Они отличаются от конструкции с прямыми ребрами и имеют сложную губчатую форму из металла.

Как выбрать подходящую пластину для охлаждения жидкости? 4 шага.

Шаг 1: Определение требований

Сначала определите количество тепла, выделяемого источником, чтобы можно было выбрать конструкцию жидкостной охлаждающей пластины. Определите максимально допустимую температуру, температуру жидкости на входе, расход, предельный перепад давления и механические ограничения, такие как размеры и способ крепления.

Шаг 2: Выберите материал

Как уже упоминалось ранее, затем проектировщику необходимо выбрать материал. Выбор повлияет на проводимость металла: для оптимального соотношения веса и стоимости следует отдать предпочтение алюминию (~167-235 Вт/мК). Для максимального магнитного потока можно рассмотреть медь (~385-400 Вт/мК), а для устойчивости к коррозии — нержавеющую сталь.

Шаг 3: Оптимизация конструкции с помощью CFD-моделирования

Тщательно протестируйте компоновку каналов, параметры ребер и баланс потока. Постепенно улучшайте конструкцию на основе полученных результатов для достижения равномерной температуры и минимального перепада давления.

Шаг 4: Сбалансируйте производительность, технологичность и стоимость.

Чтобы быть полностью уверенным в конструкции, для мелкосерийного производства начните с прототипа, изготовленного на станках с ЧПУ. В дальнейшем, для крупномасштабных заказов, перейдите к литью под давлением или экструзии. Для термических испытаний подвергните прототип жидкостной охлаждающей пластины полной тепловой нагрузке.

Основные области применения изготовленных на заказ жидкостных охлаждающих пластин в системах охлаждения электроники и промышленного оборудования.

1. Центры обработки данных и ИИ: Система охлаждения непосредственно на чипе справляется с установкой стоек мощностью более 100 кВт, обеспечивая максимальную плотность размещения серверов и снижая показатель PUE.

2. Электромобили (EV): пластины FSW обеспечивают равномерное охлаждение батареи во время быстрой зарядки, предотвращая тепловой разгон.

3. Силовая электроника: Специальные пластины стабилизируют высоковольтные компоненты (IGBT, SiC) в суровых промышленных и железнодорожных условиях.

4. Медицина и лазеры: Обеспечивает исключительную точность измерения температуры (±0,5 °C) для поддержания точности работы катушек и оптики.

5. Аэрокосмическая отрасль и возобновляемые источники энергии: легкие конструкции, выдерживающие высокое давление и экстремальные вибрации и микрогравитацию.

Почему вам стоит сотрудничать с производителем холодных плит, изготавливаемых на заказ?

Изготовление на заказ полностью индивидуальной охлаждающей пластины — это более выгодное решение по сравнению со стандартными вариантами. Производитель охлаждающих пластин может изменять геометрию, материалы и пути потока, чтобы обеспечить минимальное сопротивление и максимизировать площадь поверхности для повышения эффективности теплопередачи. Большинство из них предоставляют комплексную поддержку, начиная с моделирования CFD, быстрого прототипирования на станках с ЧПУ, усовершенствованной герметизации (сварка трением с перемешиванием/пайка) и 100% проверки герметичности/теплоизоляции.

Заключение

Высококлассный производитель может масштабировать производство от прототипа до больших объемов без установления ограничений по минимальному объему заказа. Как правило, опытный производитель холодных пластин на заказ предлагает соответствие нормативным требованиям, таким как IATF 16949, и совместимость материалов для различных промышленных применений.

Масштабируемость от единичных прототипов до крупносерийного производства без минимальных объемов заказа и компромиссов в производительности. Снизьте риск потери капитала и сотрудничайте с производителем охлаждающих пластин на заказ для вашего следующего проекта.

Часто задаваемые вопросы

В1: В чем разница между охлаждающей пластиной и радиатором?

Радиатор использует воздух для охлаждения опорной пластины с ребрами непосредственно с помощью высокоскоростных вентиляторов. Жидкостные охлаждающие пластины используют жидкость для отвода тепла от опорной пластины и обладают гораздо большей теплоотводящей способностью. Как правило, радиатор может достигать теплопроводности от 10 до 50 Вт/см². Для сравнения, охлаждающая пластина может достигать от 500 до 1000 Вт/см².

Вопрос 2. Какую охлаждающую жидкость следует использовать для предотвращения утечек?

Предотвращение утечек начинается с использования передовых методов, таких как вакуумная пайка, сварка трением с перемешиванием и тестирование изготовленной на заказ жидкостной охлаждающей пластины с помощью гелиевого давления. Если жидкостная охлаждающая пластина не протекает, то следующим шагом является использование деионизированной воды с гликолем для защиты от замерзания/коррозии и диэлектрических жидкостей для применений, чувствительных к электрическим воздействиям.

В3: Какова типичная продолжительность жизни?

Надлежащим образом герметизированные медные или алюминиевые пластины, изготовленные методом сварки трением с перемешиванием, при условии регулярного технического обслуживания с использованием жидкости служат более 10 лет.

Вопрос 4: Подходят ли охлаждающие плиты для мелкосерийного производства?

Да, обработка на станках с ЧПУ позволяет создавать экономичные прототипы и серийные партии без инвестиций в оснастку. Риски можно дополнительно снизить за счет проверки с помощью вычислительной гидродинамики (CFD) на ранних этапах производства, что предотвратит дорогостоящие перепроектирования и подтвердит производительность системы в целом.

• Год создания
  --
• тип бизнеса
  --
• Страна / регион
  --
• Основная промышленность
  --
• Основные продукты
  --
• Предприятие юридическое лицо
  --
• Общие сотрудники
  --
• Годовое выпускное значение
  --
• Экспортный рынок
  --
• Сотрудничает клиентов
  --