Tấm làm mát bằng chất lỏng tùy chỉnh: Các loại, ứng dụng và hướng dẫn gia công CNC

Tại sao cần sử dụng tấm làm mát bằng chất lỏng?

Khi các thiết bị điện tử ngày càng thu nhỏ, thách thức hiện nay đã chuyển từ việc làm cho mọi thứ nhỏ lại sang việc quản lý các vấn đề ở cấp độ nguyên tử và tản nhiệt. Chúng ta đã thấy các bộ xử lý điều khiển bộ tăng tốc AI và các trung tâm dữ liệu thế hệ tiếp theo chuyển từ Nvidia Pascal P100 16 nm sang TSMC A16 1,6 nm. Các nhà khoa học và kỹ sư buộc phải chuyển sang sử dụng angstrom làm đơn vị đo thay vì nanomet.

Việc thu nhỏ các thiết bị điện tử dẫn đến sự gia tăng đáng kể mật độ công suất. Các thiết bị này tạo ra nhiệt do điện trở bên trong cản trở dòng điện chạy qua. Việc loại bỏ nhiệt lượng sinh ra trong các thiết bị điện tử tiên tiến là một thách thức thực sự, đó là lý do tại sao chúng ta cần đến các tấm tản nhiệt bằng chất lỏng. Chúng khắc phục được giới hạn thực tế của làm mát bằng không khí là khoảng 50 W/cm2. Hãy tưởng tượng kích thước của một bộ làm mát bằng không khí có thể loại bỏ 1.000 W từ một mô-đun pin xe điện. Điều đó là không thực tế. Ngược lại, các tấm tản nhiệt bằng chất lỏng sử dụng kỹ thuật cắt vi mô hoặc gia công CNC chính xác để tạo ra các cánh tản nhiệt giúp tăng diện tích tiếp xúc lên đến 1.600% trong một số trường hợp.

Ứng dụng của các tấm làm mát bằng chất lỏng không chỉ giới hạn trong lĩnh vực điện tử tính toán. Việc sử dụng chúng trong các bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) công suất cao và các mô-đun silicon carbide (SiC) giúp loại bỏ từ 10 đến 50 kilowatt nhiệt thải từ bộ biến tần. Các tấm này có thể dài tới 1 mét.

Tấm làm mát bằng chất lỏng hoạt động như thế nào? Các nguyên lý cốt lõi của truyền nhiệt.

Để dễ hiểu hơn, hãy lấy một ví dụ đơn giản về bộ xử lý máy tính. Nó tạo ra nhiệt do điện trở bên trong cản trở dòng điện và hàng triệu công tắc bật tắt. Tấm tản nhiệt chất lỏng nằm trên đỉnh bộ xử lý. Vì tấm tản nhiệt có độ dẫn nhiệt cao, nhiệt được truyền từ kim loại này sang kim loại khác bằng dung dịch dẫn nhiệt thích hợp. Nhiệt sau đó lan tỏa khắp các kênh dẫn siêu nhỏ và các vây được gia công trên tấm tản nhiệt chất lỏng.

Một chất lỏng lạnh, tốt nhất là hỗn hợp nước-glycol hoặc chất điện môi, được bơm vào cổng đầu vào của tấm làm lạnh bằng chất lỏng. Chất lỏng này buộc phải chảy qua các kênh siêu nhỏ và hấp thụ nhiệt từ chúng. Sự đối lưu cưỡng bức làm tăng nhiệt độ của chất lỏng ở đầu ra, sau đó chất lỏng này đi vào bộ trao đổi nhiệt hoặc bộ tản nhiệt ở xa, nơi thải nhiệt ra không khí xung quanh. Toàn bộ chất lỏng chảy trong một vòng kín liên tục với một bể chứa để bổ sung hoặc theo dõi rò rỉ. Hiệu suất của tấm làm lạnh bằng chất lỏng phụ thuộc vào lưu lượng, độ giảm áp suất và hình dạng kênh.

Sau đây là các phương trình được sử dụng cho tấm làm mát bằng chất lỏng:

Định luật Fourier về dẫn nhiệt (Q=k A T d )

Phương trình Navier-Stokes đơn giản hóa cho dòng chảy chất lỏng không nén được dùng trong mô hình CFD.

So sánh giữa tấm tản nhiệt chất lỏng và tản nhiệt khí

Khi so sánh tấm làm mát bằng chất lỏng với tấm làm mát bằng không khí, chúng ta cần hiểu rõ ưu điểm và nhược điểm của chúng. Như tên gọi cho thấy, làm mát bằng chất lỏng sử dụng chất lỏng, về mặt kỹ thuật, chất lỏng mang lại khả năng truyền nhiệt tốt hơn do hệ số truyền nhiệt đối lưu cao hơn. Nó làm tốt hơn trong việc tản nhiệt từ các diện tích bề mặt nhỏ so với không khí.

Làm mát bằng không khí đòi hỏi các bộ tản nhiệt được gắn trực tiếp vào nguồn nhiệt. Nó cần các quạt làm mát lớn hoạt động ở tốc độ cao để đạt được tốc độ làm mát mong muốn. Điều này có thể khiến thiết bị trở nên rất lớn, cồng kềnh và trong một số trường hợp không thực tế, như chúng ta đã đề cập trước đó.

Hệ thống làm mát bằng chất lỏng sử dụng bơm để dẫn chất lỏng chảy qua các kênh siêu nhỏ bên trong đường dẫn chất lỏng, làm tăng diện tích tiếp xúc với bề mặt được làm nóng. Diện tích tiếp xúc tiêu chuẩn 50 mm x 50 mm là 2.500 mm². Thông qua việc tạo các kênh siêu nhỏ với các vây cao 5 mm và khe hở 0,1 mm, diện tích bề mặt có thể đạt tới 40.000 mm². Nó cũng chuyển đổi chất lỏng thành dòng chảy rối, giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt. Sau đó, nhiệt được chất lỏng dẫn đến vị trí tản nhiệt riêng biệt.

Hãy so sánh chúng trực tiếp trong một bảng để xem chúng thể hiện như thế nào so với nhau trên nhiều tiêu chí khác nhau:

Các loại tấm làm mát bằng chất lỏng phổ biến

Tùy thuộc vào ứng dụng, nhìn chung có bảy loại tấm làm mát bằng chất lỏng. Một số được thiết kế cho các ứng dụng áp suất cao, trong khi những loại khác được chế tạo với mục tiêu độ bền và giá cả phải chăng. Dưới đây là tất cả các loại phổ biến cùng với thông tin chi tiết:

Tấm làm mát bằng chất lỏng gia công CNC

Đây là những tấm tản nhiệt chất lỏng cao cấp được sản xuất bằng máy CNC. Những máy này tạo ra các kênh phức tạp giúp tăng cường khả năng truyền nhiệt đồng thời đảm bảo dòng chảy có độ giảm áp suất tối thiểu. Do quy trình gia công phức tạp, chúng có giá thành cao hơn.

Tấm làm mát hàn chân không

Các tấm tản nhiệt hàn chân không được chế tạo bằng lò chân không nhiệt độ cao. Hai bộ phận, thường là đế và nắp, được đặt chồng lên nhau với một lớp hợp kim hàn rất mỏng ở giữa. Nhiệt độ cao làm cho hợp kim tan chảy và hàn kín hai bộ phận một cách hoàn hảo thông qua liên kết luyện kim.

Tấm làm mát hàn ma sát khuấy (FSW)

Phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) sử dụng ma sát tạo ra bởi một dụng cụ quay tốc độ cao. Dụng cụ này có hai phần: phần đầu đi vào điểm giao nhau của hai kim loại cần hàn, giống như một mũi khoan. Sau đó, phần còn lại tiếp xúc và quay như một đĩa trên vật liệu tấm nguội. Ma sát tạo ra đủ nhiệt để làm cho kim loại có đặc tính giống như nhựa và liên kết với nhau một cách liền mạch.

Tấm làm mát đùn

Một phôi nhôm được nung nóng được ép vào một khuôn thép định hình. Lực ép khiến nhôm có hình dạng theo khuôn. Điều này giúp tạo ra các tấm nhôm dài. Chúng có giá thành thấp nhờ sản lượng sản xuất lớn.

Tấm dập nguội

Quy trình này sử dụng một máy ép cơ khí lớn với các khuôn dập tùy chỉnh. Mẫu kênh dẫn chất lỏng được ép lên tấm kim loại. Sau đó, hai tấm được liên kết, hàn hoặc ghép nối với nhau để tạo thành một đường dẫn chất lỏng kín.

Ống (Lắp ép/Epoxy)

Một đế tản nhiệt lớn được gia công có các rãnh để chứa các ống dẫn chất lỏng truyền nhiệt. Sau đó, các ống được đặt theo cùng một kiểu mẫu lên trên các rãnh và được ép chặt vào rãnh. Một loại keo epoxy dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt cao được sử dụng giữa ống và đế để lấp đầy các khe hở siêu nhỏ.

Súng khoan

Mũi khoan thẳng và dài được gia công trực tiếp bên trong tấm làm mát bằng chất lỏng. Các điểm vào của mũi khoan sau đó được bịt kín bằng các nút. Chúng có độ bền cao dưới áp suất nổ và thường có giá thành cao hơn so với các phương pháp khác.

Hướng dẫn đầy đủ về gia công CNC cho các tấm làm mát bằng chất lỏng tùy chỉnh

Để hiểu rõ hơn về quy trình sản xuất các tấm làm mát bằng chất lỏng tùy chỉnh được gia công bằng máy CNC, dưới đây là phân tích chi tiết quy trình thành các phần chính:

Lựa chọn mô hình và vật liệu

Thiết kế theo yêu cầu là bước đầu tiên đối với các kỹ sư phát triển tấm làm mát bằng chất lỏng tùy chỉnh. Điều này có nghĩa là tạo mô hình 3D sản phẩm cuối cùng, phân tích cấu tạo và lập bản vẽ phát triển. Sau đó, mô hình được chuyển đổi thành chương trình máy CNC và vật liệu phù hợp được lựa chọn. Thông thường, nhôm (6061/6063), đồng (C110), thép không gỉ hoặc titan được sử dụng.

Sử dụng máy phay CNC

Các máy dùng để sản xuất tấm làm mát bằng chất lỏng theo yêu cầu thường là máy phay CNC 3 đến 5 trục. Những máy này có thể nghiêng và xoay khối vật liệu để tạo ra các hình dạng phức tạp với độ chính xác cực cao ±0,1 mm.

Kiểm tra và niêm phong chính xác

Máy CNC loại bỏ vật liệu để tạo ra bồn và các cánh tản nhiệt trên tấm đế. Điều quan trọng là phải đảm bảo quá trình gia công chính xác và không có các gờ nhỏ li ti có thể vỡ ra và làm tắc nghẽn hệ thống tuần hoàn kín. Sau đó, nắp trên được gắn kín vào đế bằng các kỹ thuật tiên tiến đã đề cập trước đó.

Kiểm tra

Cuối cùng, sau khi quá trình sản xuất hoàn tất, tấm làm mát bằng chất lỏng tùy chỉnh sẽ được kiểm tra dưới áp suất cao. Thay vì sử dụng nước để đổ đầy khối, họ sử dụng khí heli để tạo áp suất cho tấm làm mát kín. Nếu nó giữ được khí heli, thì sẽ không có các vết nứt siêu nhỏ nào mà nước có thể nhìn thấy.

Thông tin độc đáo: Phần mềm mô hình hóa hiện đại sử dụng phương pháp ẩn để tạo ra các cấu trúc phức tạp gọi là TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces). Chúng khác với thiết kế vây thẳng và tạo ra hình dạng kim loại phức tạp giống như bọt biển.

Làm thế nào để chọn đúng tấm làm lạnh bằng chất lỏng? 4 bước

Bước 1: Xác định yêu cầu

Trước tiên, cần xác định lượng nhiệt sinh ra tại nguồn để có thể lựa chọn thiết kế tấm làm mát bằng chất lỏng phù hợp. Xác định nhiệt độ tối đa cho phép, nhiệt độ chất lỏng đầu vào, lưu lượng, giới hạn giảm áp suất và các ràng buộc cơ học như kích thước và cách lắp đặt.

Bước 2: Chọn vật liệu

Như đã đề cập trước đó, nhà thiết kế sau đó phải lựa chọn vật liệu. Việc lựa chọn sẽ dẫn đến độ dẫn nhiệt khác nhau, nên tìm nhôm (~167-235 W/mK) để cân bằng trọng lượng và chi phí. Cân nhắc đồng (~385-400 W/mK) để có thông lượng tối đa, hoặc thép không gỉ để chống ăn mòn.

Bước 3: Tối ưu hóa thiết kế thông qua mô phỏng CFD

Kiểm tra kỹ lưỡng bố cục kênh dẫn, thông số cánh tản nhiệt và cân bằng dòng chảy. Cải tiến thiết kế liên tục dựa trên kết quả để đạt được nhiệt độ đồng đều và tổn thất áp suất tối thiểu.

Bước 4: Cân bằng giữa hiệu năng, khả năng sản xuất và chi phí

Để hoàn toàn tự tin vào thiết kế, hãy tiến hành làm nguyên mẫu bằng máy CNC cho sản lượng thấp. Sau đó chuyển sang đúc khuôn hoặc ép đùn cho sản lượng lớn. Kiểm tra khả năng chịu nhiệt của tấm làm mát bằng chất lỏng nguyên mẫu bằng cách cho chúng hoạt động ở tải nhiệt tối đa.

Các ứng dụng hàng đầu của tấm làm mát bằng chất lỏng tùy chỉnh trong ngành điện tử và làm mát công nghiệp.

1. Trung tâm dữ liệu & Trí tuệ nhân tạo: Hệ thống làm mát trực tiếp cho chip quản lý các rack có công suất trên 100kW, tối đa hóa mật độ máy chủ và giảm chỉ số PUE.

2. Xe điện (EV): Tấm tản nhiệt FSW giúp làm mát pin đồng đều trong quá trình sạc nhanh để ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt.

3. Điện tử công suất: Các tấm mạch tùy chỉnh giúp ổn định các linh kiện điện áp cao (IGBT, SiC) trong môi trường công nghiệp và đường sắt khắc nghiệt.

4. Y tế & Laser: Cung cấp độ chính xác nhiệt độ cực cao (±0,5 độ C) để duy trì độ chính xác trong các cuộn dây hình ảnh và quang học.

5. Hàng không vũ trụ & Năng lượng tái tạo: Thiết kế trọng lượng nhẹ, chịu áp suất cao, có khả năng chịu được rung động cực độ và môi trường không trọng lực.

Tại sao bạn nên hợp tác với nhà sản xuất tấm làm mát tùy chỉnh?

Sở hữu một tấm tản nhiệt được thiết kế riêng hoàn toàn là một lựa chọn cao cấp so với các giải pháp có sẵn. Nhà sản xuất tấm tản nhiệt có thể thay đổi hình dạng, vật liệu và đường dẫn dòng chảy để mang lại lực cản thấp nhất và tối đa hóa diện tích bề mặt nhằm đạt hiệu quả truyền nhiệt cao nhất. Hầu hết các nhà sản xuất đều cung cấp hỗ trợ toàn diện, bắt đầu từ mô phỏng CFD, tạo mẫu CNC nhanh, hàn kín tiên tiến (FSW/hàn thiếc) và kiểm tra độ kín/nhiệt 100%.

Phần kết luận

Nhà sản xuất cao cấp có thể mở rộng quy mô sản xuất từ ​​nguyên mẫu đến sản lượng lớn mà không cần đặt giới hạn về số lượng đặt hàng tối thiểu (MOQ). Thông thường, nhà sản xuất tấm tản nhiệt tùy chỉnh chuyên nghiệp sẽ đảm bảo tuân thủ các quy định như IATF 16949 và khả năng tương thích vật liệu cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.

Khả năng mở rộng từ các nguyên mẫu đơn lẻ đến sản xuất hàng loạt mà không cần số lượng đặt hàng tối thiểu hoặc ảnh hưởng đến hiệu suất. Giảm thiểu rủi ro mất vốn và hợp tác với nhà sản xuất tấm tản nhiệt tùy chỉnh cho dự án tiếp theo của bạn.

Câu hỏi thường gặp

Câu 1: Sự khác biệt giữa tấm làm mát và bộ tản nhiệt là gì?

Tản nhiệt sử dụng không khí để làm mát tấm đế có các lá tản nhiệt trực tiếp bằng quạt tốc độ cao. Tấm làm mát bằng chất lỏng sử dụng chất lỏng để loại bỏ nhiệt từ tấm đế và cung cấp khả năng tản nhiệt cao hơn nhiều. Thông thường, tản nhiệt có thể đạt mật độ nhiệt từ 10 đến 50 W/cm2. So với đó, tấm làm mát có thể đạt từ 500 đến 1.000 W/cm2.

Câu 2. Tôi nên sử dụng loại dung dịch làm mát nào để tránh rò rỉ?

Ngăn ngừa rò rỉ bắt đầu bằng việc sử dụng các kỹ thuật tiên tiến, chẳng hạn như hàn chân không, hàn ma sát khuấy (FSW), và thử nghiệm tấm làm mát bằng chất lỏng tùy chỉnh của nhà sản xuất bằng cách nén khí heli. Nếu tấm làm mát bằng chất lỏng không bị rò rỉ, thì bước tiếp theo là sử dụng nước khử ion với glycol để bảo vệ chống đóng băng/ăn mòn và chất lỏng cách điện cho các ứng dụng nhạy cảm về điện.

Câu 3: Tuổi thọ trung bình là bao nhiêu?

Các tấm đồng hoặc tấm nhôm FSW được bịt kín đúng cách có thể sử dụng được hơn 10 năm nếu được bảo dưỡng chất lỏng định kỳ.

Câu 4: Tấm tản nhiệt có phù hợp với sản xuất số lượng nhỏ không?

Đúng vậy, gia công CNC hỗ trợ việc tạo mẫu thử nghiệm tiết kiệm chi phí và sản xuất theo đơn đặt hàng mà không cần đầu tư vào dụng cụ. Bạn có thể giảm thiểu rủi ro hơn nữa bằng cách xác thực CFD trong giai đoạn đầu sản xuất, ngăn ngừa việc thiết kế lại tốn kém và xác nhận hiệu suất ở cấp độ hệ thống.

• năm thành lập
  --
• Loại hình kinh doanh
  --
• Quốc gia / Vùng
  --
• Công nghiệp chính
  --
• sản phẩm chính
  --
• Người hợp pháp doanh nghiệp
  --
• Tổng số nhân viên
  --
• Giá trị đầu ra hàng năm
  --
• Thị trường xuất khẩu
  --
• Khách hàng hợp tác
  --