Progettazione termica - Walmate Thermal

Che cos'è un progetto termico?

La progettazione termica può essere definita come un approccio progettuale sistematico implementato durante la fase iniziale della pianificazione della gestione termica. Il suo fulcro risiede nell'utilizzo di strumenti software avanzati per condurre analisi di simulazione assistite da computer complete, con l'obiettivo finale di generare dati teorici affidabili. In pratica, questo metodo inizia con l'identificazione delle variabili chiave che influenzano le prestazioni termiche, come i parametri strutturali e materiali dei dissipatori di calore, la progettazione del canale di flusso delle piastre di raffreddamento a liquido, la velocità di rotazione e il volume d'aria delle ventole, nonché le proprietà dei materiali, l'intensità della fonte di calore e le condizioni ambientali. Gli ingegneri quindi regolano e impostano questi diversi parametri all'interno del software di simulazione, creando molteplici scenari virtuali che imitano gli ambienti operativi reali, ad esempio testando l'impatto di diversi radiatore dimensioni in base alle temperature locali o alterando la combinazione delle portate del refrigerante in piastre di raffreddamento a liquido e la potenza di funzionamento della ventola per osservare i cambiamenti nell'efficienza complessiva di dissipazione del calore del sistema.

Lo scopo della progettazione termica.

Lo scopo della progettazione termica è identificare i potenziali rischi di surriscaldamento dei chip e trovare soluzioni ottimali. Implica l'utilizzo di calcoli software a supporto della prototipazione del prodotto, la verifica dei risultati attraverso test finali e l'ulteriore ottimizzazione sulla base di tali risultati. Tuttavia, molti ingegneri, soprattutto i nuovi arrivati, non hanno ben chiare le ragioni per cui eseguire la progettazione e la simulazione termica. Spesso iniziano a lavorare semplicemente per completare le attività senza prima comprenderne gli obiettivi e i requisiti. Questo approccio porta a problemi come la mancata osservanza delle condizioni necessarie o l'utilizzo di metodi errati, con conseguente notevole perdita di tempo. In definitiva, potrebbero persino mettere in dubbio la validità dei loro risultati. Pertanto, l'obiettivo finale della progettazione termica per i prodotti elettronici è quello di perfezionare continuamente la soluzione di progetto ottimale attraverso calcoli teorici, analisi di simulazione e test sperimentali. Ciò garantisce il funzionamento stabile a lungo termine dei prodotti elettronici, prevenendo malfunzionamenti delle apparecchiature causati dal surriscaldamento dei componenti.

L'importanza e il valore della progettazione termica.

In altre parole, perché è necessario condurre un'analisi di simulazione della progettazione termica? Ciò si riflette principalmente in tre aspetti: riduzione dei costi, abbreviazione dei cicli di ricerca e sviluppo e miglioramento dell'affidabilità e della competitività del prodotto. La riduzione dei costi si manifesta principalmente nella riduzione dei costi di campionamento avanti e indietro e dei tempi di test ripetuti. È possibile abbreviare il ciclo di ricerca e sviluppo, convalidare rapidamente le soluzioni di dissipazione del calore (come la disposizione dei condotti e la selezione dei materiali) in ambienti virtuali e ridurre il numero di tempi di campionamento. Un'azienda ha esteso il tempo di protezione dalla fuga termica da 58 secondi a 220 secondi tramite simulazione, senza la necessità di ripetute produzioni di prova. È possibile migliorare l'affidabilità e la competitività del prodotto. Sappiamo che la presenza di difetti di progettazione o problemi di selezione porterà a un funzionamento anomalo delle apparecchiature. Se riusciamo a comprendere in anticipo i difetti di progettazione, a identificare le aree termiche deboli dei componenti elettronici all'interno dell'apparecchiatura e a ottimizzarne e migliorarne la progettazione, l'affidabilità del prodotto in ambienti difficili e la sua competitività miglioreranno notevolmente.

Walmate può aiutare i clienti a realizzare una progettazione termica del dissipatore di calore.

Siamo in grado di fornire ai clienti servizi di progettazione termica per dissipatori di caloreIn genere, quando un cliente seleziona un chip, i suoi ingegneri possono fornirci le specifiche del chip, come la sua potenza termica in watt. I nostri ingegneri eseguono quindi calcoli teorici per determinare la soluzione di dissipazione di calore appropriata. Le dimensioni del dissipatore di calore sono in gran parte determinate da questi calcoli. Per i chip ad alto consumo energetico, spesso prendiamo in considerazione soluzioni a convezione forzata. Al contrario, per i chip a basso consumo, i progetti a convezione naturale sono solitamente sufficienti. Attraverso questi calcoli teorici, possiamo approssimare la lunghezza, la larghezza, l'altezza e la superficie richieste del dissipatore di calore. Quindi simuliamo diverse portate d'aria e pressioni per calcolare la temperatura massima che il chip raggiungerebbe se abbinato al dissipatore di calore progettato. Questo approccio di progettazione teorica aiuta i clienti a risparmiare significativamente tempi e costi di sviluppo, evitando inutili tentativi ed errori con prototipi fisici.

Walmate può aiutare i clienti a realizzare una progettazione termica della piastra di raffreddamento a liquido.

Allo stesso modo, possiamo anche progettare una soluzione termica che coinvolga piastre di raffreddamento a liquido per i clienti. Quando il chip di un cliente funziona a livelli di potenza estremamente elevati, superando la capacità di raffreddamento dei dissipatori di calore convenzionali abbinati a fan, ci rivolgiamo alle piastre di raffreddamento a liquido, sfruttando l'elevata capacità termica specifica dell'acqua. Questo design consente all'acqua o al refrigerante di circolare all'interno della piastra di raffreddamento a liquido, trasferendo e dissipando efficacemente grandi quantità di calore: il calore generato dal chip viene assorbito dal refrigerante, che viene poi pompato via da una pompa ad acqua per rimuovere l'energia termica accumulata. Nella progettazione di queste piastre di raffreddamento a liquido, partiamo dai requisiti di potenza teorici per progettare una soluzione adeguata, inclusa la progettazione di microcanali nell'area direttamente sotto il chip. Attraverso ripetute regolazioni dei parametri e simulazioni, possiamo raggiungere la temperatura target specificata dal cliente. Questo approccio consente inoltre di risparmiare notevolmente sui costi e sui tempi di sviluppo. La progettazione termica è quindi fondamentale nello sviluppo di piastre di raffreddamento a liquido, soprattutto considerando gli elevati costi di produzione di tali componenti. Utilizzando software per la simulazione e l'analisi, possiamo ridurre drasticamente le spese di ricerca e sviluppo, rendendo il processo efficiente ed economico.

Domande frequenti sulla progettazione termica

Come realizzare un progetto termico del dissipatore di calore?

Quando si progetta un'analisi termica per un dissipatore di calore, è solitamente necessario chiarire se si tratta di un dissipatore a convezione naturale o forzata. Nel caso della convezione naturale, il dissipatore deve tenere pienamente conto dello spazio tra le alette, che è lo spazio per lo scambio termico radiativo. Nel frattempo, dobbiamo anche considerare gravità e irraggiamento come parametri. Pertanto, nella progettazione termica, questi due parametri – gravità e irraggiamento termico – sono di grande importanza. In genere, la superficie del dissipatore di calore dovrebbe essere nera, con un'emissività solitamente impostata a 0.8. D'altra parte, per un dissipatore a convezione forzata, la curva PQ della ventola dovrebbe essere analizzata utilizzando il modello importato del sistema. In questo scenario, irraggiamento e gravità non devono essere considerati per il dissipatore di calore. In sintesi, questi due fattori sono generalmente le considerazioni più importanti nella progettazione di un dissipatore di calore.

Come realizzare una progettazione termica di una piastra di raffreddamento a liquido?

Quando si progetta una piastra di raffreddamento a liquido, di solito è necessario considerare il suo materiale e la necessità di microcanali, che è determinata dalla densità di potenza all'interno dell'area limitata. In parole povere, se un'area di 100x100 deve gestire una potenza termica superiore a 1 kilowatt, la progettazione di microcanali nella parte inferiore della sorgente di calore è essenziale. Ciò consente al liquido di raffreddamento di scambiare completamente calore con i microcanali, dissipando efficacemente grandi quantità di calore. Pertanto, nella progettazione di una piastra di raffreddamento a liquido, la progettazione del canale di flusso è un fattore chiave. È inoltre necessario considerare la lunghezza totale del canale di flusso, con particolare attenzione a due parametri cruciali: differenza di pressione e resistenza al flusso. Questi parametri sono vitali per il refrigeratore dell'utente finale. In conclusione, è necessario valutare in modo completo questi tre aspetti (materiale, necessità di microcanali e parametri relativi al canale di flusso) per ottenere una progettazione ottimale.

Come progettare il dissipatore di calore tramite heat pipe?

Quando si progetta un dissipatore di calore a heat pipe, di solito è necessario determinare la potenza di riscaldamento e selezionare heat pipe di diametro appropriato. Ad esempio, diametri come 6 mm, 8 mm o 9.52 mm sono comunemente utilizzati. Se la potenza è bassa e l'area è relativamente ampia, ovvero c'è spazio sufficiente per disporre gli heat pipe, di solito possiamo scegliere heat pipe con un diametro esterno di 6 mm. Se lo spazio è limitato, dobbiamo selezionare heat pipe con un diametro maggiore, ad esempio 9.5 mm. Questo perché heat pipe di diverso diametro possono trasportare quantità di calore diverse all'interno di una lunghezza effettiva. Pertanto, quando si imposta la conduttività termica degli heat pipe, in base all'esperienza, la si imposta a 12,000 - 15,000 W/(m·K). Questo è abbastanza vicino ai valori dei parametri nelle applicazioni pratiche, con poche differenze. L'unica differenza è che nelle applicazioni reali c'è l'influenza della gravità. Ecco perché c'è una differenza relativamente grande tra la simulazione termica degli heat pipe e la situazione reale. Pertanto, questo deve essere evitato il più possibile durante la progettazione. L'impatto della gravità sui tubi di calore nel successivo utilizzo pratico deve essere considerato fin dalle prime fasi.

Come realizzare un progetto termico del dissipatore di calore con alette raschiate?

Nella progettazione di un dissipatore di calore con alette raschiate, il materiale è un fattore chiave. Ad esempio, la conduttività termica dell'alluminio 1060 è in genere impostata a 240 W/(m·K), mentre quella dell'alluminio 6063 è solitamente di 187 W/(m·K). Di conseguenza, è necessario ottimizzare lo spessore, l'altezza e la spaziatura delle alette per trovare i parametri ottimali. Se il dissipatore di calore deve gestire potenze elevatissime, ad esempio oltre 1 kilowatt, lo spessore delle alette dovrebbe teoricamente essere superiore a 1.0 mm. Quando l'altezza delle alette supera i 100 mm, a causa delle dimensioni eccessive, è necessario uno spessore sufficiente a garantire il trasferimento di calore dalla base alla sommità delle alette. In questi casi, generalmente impostiamo lo spessore delle alette a 1.5 mm e poi regoliamo la spaziatura di conseguenza. Teoricamente, una spaziatura ottimale tra le alette potrebbe essere compresa tra 1.0 mm e 2.5 mm, ma in pratica è necessario uno spessore di 1.5 mm per garantire che il calore possa essere condotto verso la parte superiore delle alette. Naturalmente, una progettazione accurata del dissipatore di calore richiede un'analisi approfondita dei dati basata su applicazioni pratiche.

Quali sono i livelli tipici della progettazione termica?

Le simulazioni di progettazione termica si suddividono in genere in quattro livelli. Il primo è la simulazione a livello di sistema, che si concentra sull'analisi termica dell'intero sistema, come grandi armadi o apparecchiature, e prevede la simulazione e l'analisi del campo di temperatura complessivo e del campo di flusso dei fluidi. Questo tipo di analisi è solitamente complesso. Ad esempio, quando si ha a che fare con un grande armadio inverter, che genera una quantità significativa di calore, la simulazione deve considerare l'impatto di ciascuna fonte di calore sull'intero sistema. Il secondo livello è la simulazione a livello di scheda o modulo. Questo si riferisce generalmente all'analisi della distribuzione del calore in un singolo dissipatore, all'analisi della temperatura all'interno di un modulo e alla simulazione della temperatura dei componenti. La chiave qui è concentrarsi sull'analisi termica di moduli di grandi dimensioni ad alta potenza. Poi c'è la simulazione a livello di PCB. Di solito comporta la simulazione del layout delle tracce di rame sul PCB e della temperatura dei chip sulla scheda. In altre parole, quando si progetta un PCB, viene analizzata la razionalità del routing delle tracce nella parte inferiore della scheda e il posizionamento di ciascun componente. Poiché sul PCB è presente uno strato di rame, se il progetto è troppo concentrato, il calore generato influenzerà gli altri componenti. Pertanto, un'analisi di simulazione PCB ragionevole è molto utile per gli ingegneri elettronici, in quanto può guidarli nella corretta disposizione del PCB. L'ultimo livello è la simulazione a livello di circuito integrato. Questo livello si concentra sull'analisi del campo di temperatura all'interno di un chip, ovvero sulla distribuzione dei componenti che generano calore al suo interno, un aspetto cruciale per gli ingegneri del packaging. In questa fase, possono analizzare il calore generato da migliaia di chip impilati. Tuttavia, la simulazione a livello di circuito integrato o di chip è molto difficile per gli ingegneri di progettazione preliminare. Questo perché le fabbriche di packaging di solito non forniscono parametri come la potenza effettiva all'interno del chip. Solo giganti del settore come Intel, IBM, IMD o NVIDIA conducono tali analisi. In generale, la maggior parte delle simulazioni che eseguiamo riguarda i livelli di circuito integrato, PCB, modulo e sistema. Ogni ingegnere ha aree di interesse diverse, quindi anche le sue priorità di lavoro variano.

Come ottimizzare la progettazione termica di un dissipatore di calore?

L'ottimizzazione del design di un dissipatore di calore inizia solitamente con la potenza del chip per determinare lo spessore della base del dissipatore, che è cruciale. Quando la potenza è elevata (oltre 1 kilowatt), lo spessore della base deve essere superiore a 12-15 mm. Successivamente, è altrettanto importante ottimizzare lo spessore, l'altezza e la quantità delle alette. Ad esempio, se la lunghezza delle alette supera i 300 mm, è teoricamente consigliabile dividerle al centro. Questo crea un flusso d'aria turbolento, migliorando così l'efficienza di dissipazione del calore. Un altro aspetto chiave è l'ottimizzazione del condotto dell'aria: ridurre la resistenza del vento all'interno del condotto ed evitare cortocircuiti del flusso d'aria (come la formazione di vortici) che sprecherebbero una quantità significativa di volume d'aria. Inoltre, le dimensioni e la posizione delle aperture di ingresso e uscita sono importanti, soprattutto a livello di sistema. Un'apertura ben progettata consente al flusso d'aria di passare in modo efficiente, contribuendo a mantenere una temperatura ragionevole in tutto il sistema. Tuttavia, le dimensioni dell'apertura devono anche considerare altri fattori ambientali, come la prevenzione della polvere, rendendo il processo di progettazione complesso.

Come ottimizzare una piastra raffreddata a liquido durante la progettazione termica?

Quando si ottimizza e si simula la progettazione di una piastra di raffreddamento a liquido, è solitamente necessario considerare l'intero sistema di raffreddamento, inclusi il refrigerante, il fluido, la piastra di raffreddamento a liquido e la pompa dell'acqua. Il primo parametro riguarda la selezione di un refrigerante appropriato. Vengono comunemente prese in considerazione opzioni come glicole etilenico miscelato con acqua, glicole propilenico miscelato con acqua, etanolo miscelato con acqua, metalli liquidi o acqua pura. La scelta del refrigerante è fondamentale per l'intero sistema di circolazione. Strutturalmente, dobbiamo tenere conto dei requisiti per le prestazioni di scambio termico. In altre parole, nelle condizioni di portata e differenza di temperatura tra ingresso e uscita impostate, puntiamo a migliorare l'efficienza di scambio termico. Inoltre, è necessario considerare i requisiti di resistenza alla pressione e di resistenza strutturale della superficie della piastra di raffreddamento a liquido. Nel processo di progettazione, è necessario ottimizzare lo spessore della piastra di raffreddamento a liquido. Anche altri fattori, come i requisiti anticorrosione e antiperdita, richiedono attenzione. Durante la progettazione termica, è necessario tenere conto del design del coperchio della piastra di raffreddamento e delle superfici terminali superiore/inferiore. Se si utilizza una guarnizione di tenuta, è necessario considerarne la resistenza; Quando si tratta di saldatura, è necessario valutare l'effettiva difficoltà di lavorazione. Infine, è necessario sviluppare uno schema di progettazione ragionevole e adottare processi di produzione ottimali per ridurre i costi. Tutti questi fattori devono essere considerati nella progettazione termica.

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