Come progettare una piastra di raffreddamento a liquido per un sistema di raffreddamento ad alta potenza

17 settembre 8
2:56

Come progettare una piastra di raffreddamento a liquido?

1、 Definire chiaramente i requisiti di progettazione
Prima di progettare una piastra raffreddata a liquido, è necessario chiarirne gli scenari applicativi e i requisiti specifici. Ad esempio, se si progetta una piastra di raffreddamento a liquido per la dissipazione del calore di un chip elettronico, è necessario comprendere il consumo energetico del chip, la generazione di calore, la temperatura ambiente di esercizio, la temperatura di giunzione del chip, la composizione del liquido di raffreddamento, la temperatura di ingresso del liquido di raffreddamento, la portata del liquido di raffreddamento e altri parametri. Se viene utilizzata per la dissipazione del calore delle batterie dei veicoli a energia rinnovabile, è necessario considerare la disposizione del pacco batteria, le caratteristiche di generazione del calore durante la carica e la scarica e l'intervallo di temperatura di esercizio. Inoltre, è necessario prestare attenzione a fattori quali i limiti di spazio di installazione, il budget di spesa e l'affidabilità del processo produttivo. piastra raffreddata a liquidoe compatibilità con altri sistemi. Questo articolo discute la produzione e la lavorazione di canali di flusso basati su piastre fredde integrate. Lo schema di progettazione per il processo di aggiunta tubo di rame e piastra di alluminioSe ne parlerà di nuovo in futuro. Quindi, come si progetta una piastra di raffreddamento a liquido?

2,Scegli i materiali appropriati
La lega di alluminio 6063 o 6061 è un materiale metallico comunemente utilizzato per piastre raffreddate a liquido grazie alla sua bassa densità, alla buona conduttività termica (l'alluminio puro ha una conduttività termica di circa 237 W/(m · K), mentre la lega di alluminio ha una conduttività termica tra 180 e 230 W/(m · K) a seconda della sua composizione), alla resistenza moderata, alla facilità di lavorazione e stampaggio e al costo relativamente basso. La conduttività termica dell'alluminio ADC12 prodotto mediante processo di pressofusione è di 90-110 W/(m · K), caratterizzato da un processo semplice e da un costo contenuto. Il materiale in rame ha una conduttività termica superiore (con una conduttività termica di circa 401 W/(m · K)), ma ha una densità e un costo maggiori. Può essere scelto quando i requisiti di dissipazione del calore sono estremamente elevati e lo spazio e i costi lo consentono.

3、 Progettare la struttura del canale di flusso
（1） Forma del canale di flusso
Le forme più comuni di canali di flusso includono canali paralleli, canali serpentini e canali biforcuti. I canali di flusso paralleli hanno una struttura semplice e una resistenza al flusso del fluido relativamente bassa, il che li rende adatti a sorgenti di calore con una distribuzione relativamente uniforme della densità del flusso termico; i canali di flusso serpentini possono aumentare il tempo di residenza dei fluidi nelle piastre raffreddate a liquido, migliorare l'efficienza del trasferimento di calore, ma presentano una maggiore resistenza al flusso; i canali a dita forcella possono distribuire il fluido in modo più uniforme in diverse aree e avere un migliore effetto di dissipazione del calore su sorgenti di calore non uniformi.
(2) Dimensione del canale
La larghezza, l'altezza e la spaziatura del canale di flusso hanno un impatto significativo sulle prestazioni di dissipazione del calore della piastra di raffreddamento a liquido. Un canale di dimensioni inferiori può aumentare l'area di contatto tra il fluido e la parete del canale, migliorando l'efficienza del trasferimento di calore, ma aumenterà la resistenza al flusso e il consumo energetico della pompa. In generale, la larghezza del canale di flusso può essere selezionata tra 6 e 15 mm, l'altezza tra 2 e 10 mm e la spaziatura tra i canali di flusso viene determinata in base alle esigenze effettive e ai processi di produzione. Per i chip ad alta densità di potenza che richiedono una piccola area di contatto locale ma un elevato trasferimento di calore nelle piastre raffreddate a liquido, è necessaria una progettazione a microcanali per i canali di flusso locali. Ad esempio, il chip GPU GB200 di Nvidia ha un'area di contatto di circa 50x50 mm e i suoi canali di flusso raffreddati a liquido richiedono alette in rame ad alta densità per lo scambio termico.

4、 Analisi termica e ottimizzazione della simulazione
Utilizzare software di analisi termica professionale come ANSYS Fluent per eseguire simulazioni numeriche sulla piastra raffreddata a liquido progettata. Inserendo il carico termico della fonte di calore, i parametri fisici del fluido (come densità, capacità termica specifica, conduttività termica, ecc.), le condizioni al contorno del flusso (come portata, velocità del flusso, ecc.), simulare la distribuzione della temperatura e le caratteristiche del flusso del fluido all'interno della piastra di raffreddamento a liquido. Attraverso l'analisi di simulazione, è possibile identificare problemi come punti caldi e flusso irregolare nel progetto, e ottimizzare la struttura della piastra di raffreddamento a liquido, ad esempio modificando la forma del canale di flusso e la posizione di ingresso e uscita, per ottenere una migliore dissipazione del calore.

5、 Selezione del processo di produzione
(1) Processo di brasatura della piastra di raffreddamento a liquido
Per le piastre in lega di alluminio raffreddate a liquido, la brasatura è un processo di produzione comunemente utilizzato. Posizionando il materiale brasante tra le lamiere e fondendolo a una determinata temperatura e pressione, le lamiere vengono collegate tra loro per formare una struttura a canale di flusso. La brasatura sotto vuoto può garantire la qualità della saldatura e ridurre difetti come ossidazione e porosità. I materiali per la brasatura sotto vuoto sono generalmente suddivisi in due tipologie: tutto alluminio e tutto rame.
I materiali per brasatura a base di alluminio e silicio (come la lega AlSi, con un punto di fusione di circa 577-615 °C) sono comunemente utilizzati per la brasatura sotto vuoto dell'alluminio. La temperatura di brasatura è solitamente impostata a 580-620 °C, leggermente superiore al punto di fusione dei materiali brasanti. Poiché la brasatura avviene in un ambiente sotto vuoto, non è necessario alcun gas protettivo aggiuntivo. Il vuoto può prevenire l'ossidazione dell'alluminio, favorendo al contempo la bagnatura della lega di saldatura e la saldatura per diffusione.
I materiali per brasatura rame-fosforo o rame-argento sono comunemente utilizzati per tutte le brasature sotto vuoto del rame (come la lega Cu-P con un punto di fusione di circa 710-800 °C), e la temperatura di brasatura è di circa 750-900 °C. Sebbene si tratti di un ambiente sotto vuoto, alcuni processi introducono azoto gassoso ad alta purezza (purezza ≥ 99.99%) come gas protettivo per sopprimere ulteriormente l'ossidazione del rame e garantire l'affidabilità della saldatura.

2) Saldatura a frizione
La saldatura a frizione e agitazione è un processo di saldatura allo stato solido, in cui la testa di agitazione ruota e si muove lungo l'interfaccia da saldare, causando una deformazione plastica del materiale e ottenendo l'incollaggio. Questo processo presenta un'elevata resistenza di saldatura e una piccola zona termicamente alterata, rendendolo adatto alla produzione di piastre raffreddate a liquido di alta qualità. La saldatura a frizione e agitazione genera calore ruotando la testa di agitazione per plastificare il materiale; la temperatura di plastificazione della lega di alluminio è solitamente compresa tra 300 e 500 °C. La pressione di saldatura è generalmente compresa tra 10 e 50 kN, che aumenta con l'aumento dello spessore del materiale. La velocità della testa di agitazione è generalmente compresa tra 800 e 3000 giri/min e la velocità di saldatura è di 0.5-5 mm/s. Questo processo è una saldatura in fase solida, senza difetti di fusione, ed è adatto per l'incollaggio efficiente di metalli non ferrosi come alluminio e rame.

6、 Test delle prestazioni e convalida
Dopo aver prodotto il campione di piastra raffreddata a liquido, è necessario effettuare test prestazionali. Utilizzare sensori di temperatura per misurare la temperatura in diversi punti e monitorare il flusso del fluido e la caduta di pressione tramite misuratori di portata e sensori di pressione. Confrontare i risultati dei test con i requisiti di progettazione per valutare se le prestazioni di dissipazione del calore e la resistenza al flusso della piastra raffreddata a liquido soddisfano i requisiti. In caso contrario, analizzare le cause e migliorare ulteriormente il processo di progettazione e produzione. La progettazione di una piastra raffreddata a liquido richiede una valutazione completa di molteplici aspetti, come requisiti, materiali, struttura del canale di flusso, analisi termica, processo di produzione e test prestazionali. Attraverso l'ottimizzazione e la verifica continue, è possibile ottenere piastre raffreddate a liquido di alta qualità che soddisfano i requisiti applicativi pratici.

Schema di progettazione e dimensionamento della piastra di raffreddamento a liquido per una sorgente di calore da 1 kW (caso di calcolo teorico)

I. Parametri fondamentali e obiettivi di progettazione

• Consumo di energia termica: la potenza termica nominale della fonte di calore Q = 1000 W (è richiesta una dissipazione del calore continua e stabile).

• Requisiti di temperatura: la temperatura superficiale massima della fonte di calore T_s 85℃, la temperatura di ingresso del liquido di raffreddamento T_in = 35℃ e la differenza di temperatura consentita Delta T = T_s – T_in = 50℃.

• Liquido di raffreddamento: soluzione acquosa di glicole etilenico al 50% con parametri: conduttività termica k_f = 0.45W/(m·K), viscosità dinamica _mu = 0.002Pa·s, capacità termica specifica c_p = 3600J/(kg·K) e densità \rho = 1050kg/m³.

II. Calcolo teorico dei parametri chiave

1. Calcolo della portata del liquido di raffreddamento

Sulla base dell'equazione del bilancio termico Q = \rho q_v c_p \Delta T_{fluid} , supponendo che la differenza di temperatura tra l'ingresso e l'uscita del liquido di raffreddamento \Delta T_{fluid} = 10℃ (per evitare il surriscaldamento locale), la portata richiesta è:

2. Progettazione dei canali di flusso e velocità del flusso

Vengono adottati canali di flusso multiparalleli (per ridurre la resistenza). Le dimensioni di un singolo canale di flusso sono: larghezza w = 5 mm = 0.005 m, altezza h = 4 mm = 0.004 m. Il diametro idraulico è:

3. Calcolo del coefficiente di trasferimento di calore e dell'area

III. Schema dimensionale della piastra di raffreddamento a liquido

1. Progettazione delle dimensioni del contorno

In base ai requisiti dell'area di trasferimento del calore, viene adottata una disposizione rettangolare:

•Lunghezza: 150 mm, Larghezza: 120 mm (area totale 150×120 = 18000 mm² = 0.018 m², con l'area del canale di flusso che rappresenta circa l'80%, l'area effettiva di trasferimento del calore è 0.0144 m², che deve essere integrata aumentando la lunghezza del canale di flusso).

•Spessore: 15 mm (inclusi 4 mm per l'altezza del canale di flusso e 5.5 mm per i substrati superiore e inferiore, ciascuno per garantire la resistenza strutturale).

2. Ottimizzazione del layout del canale di flusso

La lunghezza totale dei canali di flusso L = \frac{A_{effective}}{n×w} = \frac{0.0286}{8×0.005} ≈ 0.715 m. Viene adottato un design a "U + 8 canali di flusso paralleli", con ogni canale di flusso lungo circa 90 mm e 2 volte più lungo per garantire una copertura uniforme della fonte di calore da parte del fluido.

IV. Verifica e adeguamento

In base a questa dimensione, la verifica della simulazione mostra che, con una portata di 15.9 l/min, la resistenza al trasferimento di calore convettivo è di circa 0.05 °C/W, la temperatura superficiale della sorgente di calore è stabile a 80 °C e la caduta di pressione è ≤0.2 MPa, soddisfacendo il requisito di dissipazione del calore di 1 kW. Se lo spazio è limitato, la larghezza può essere ridotta a 100 mm e la lunghezza aumentata a 180 mm per mantenere invariata l'area totale di trasferimento del calore.