10 важнейших факторов проектирования высокопроизводительных охлаждающих пластин

Введение: императив оптимизации в современном производстве

В Winshare Thermal мы понимаем неустанную борьбу с перегревом в современной мощной электронике. От сложных микросхем искусственного интеллекта в серверах следующего поколения до надежных силовых модулей IGBT в электромобилях (EV) и крупномасштабных системах хранения энергии (ESS) — концентрация тепла является беспрецедентной. Этот высокий тепловой поток создает огромные тепловые проблемы, которые традиционное воздушное охлаждение, достигнув своих функциональных пределов, просто не может решить.

Жидкостные охлаждающие пластины являются краеугольным камнем эффективного управления температурным режимом в этих требовательных приложениях. Они служат важным тепловым мостом, эффективно передавая тепло от энергоемких компонентов в циркулирующую жидкость. Холодная пластина, которая не спроектирована и не тщательно изготовлена, может стать серьезным узким местом, что приведет к повышению рабочих температур, снижению производительности системы и значительному сокращению срока службы устройства.

Миссия Winshare Thermal, специализирующегося на решениях для высокомощного охлаждения, состоит в том, чтобы предоставить инженерам превосходную тепловую эффективность и исключительную структурную надежность. Наша философия дизайна сосредоточена на двух фундаментальных, но часто противоречивых целях:

1. Минимизация термического сопротивления (Rth): Чтобы компоненты работали при максимально низких температурах.

2. Минимизация падения давления (ΔP): для снижения энергопотребления насосной системы.

Достижение идеального баланса между этими двумя целями требует не только теоретического понимания, но и глубокого производственного опыта. В этом руководстве будут рассмотрены 10 наиболее важных параметров проектирования и продемонстрировано, как расширенные возможности Winshare Thermal CFD-моделирования и разнообразные производственные процессы используются для предоставления оптимизированных и высоконадежных решений по производству холодных пластин для наших клиентов по всему миру.

II. Геометрия проводимости и конвекции)

В этом разделе основное внимание уделяется физическим элементам. В нем рассматриваются выбор материалов и внутренняя структура охлаждающей пластины. Эти физические факторы контролируют передачу тепла. Они влияют на начальную теплопроводность и общую смоченную площадь при конвекции.

Параметр 1: Толщина основания () — управление сопротивлением проводимости

Базовая толщина представляет собой слой твердого материала. Он расположен между источником тепла и каналами охлаждения. Тепло проходит через этот слой только за счет проводимости. Толщина основания является важной частью общего теплового сопротивления холодной пластины ().

Тепло должно проходить через эту толщину. Более тонкая база означает более короткое расстояние перемещения. Таким образом, проводящее сопротивление () сведено к минимуму. Дизайнеры должны стараться сделать как можно меньше. Это особенно важно, когда площадь источника тепла велика.

Структурная безопасность и тепловые характеристики

Инженеры должны учитывать структурные ограничения. Холодная пластина нуждается в механической прочности. Он должен противостоять изгибу или деформации. Внутренняя жидкость работает под высоким давлением (например, 5-10 бар). Слишком тонкое основание деформируется под таким давлением. Эта деформация очень опасна. Это приводит к плохому контакту между чипом и холодной пластиной. Этот плохой контакт резко увеличивает сопротивление TIM. Это также может привести к утечке или катастрофическому отказу.

Инженеры должны рассчитать минимальную безопасную толщину. Этот расчет основан на свойствах материала и максимальном рабочем давлении системы. Эта минимальная безопасная толщина является оптимальной толщиной. Это обеспечивает термическую эффективность и структурную целостность.

Параметр 2: Теплопроводность материала (k) – способность к распространению тепла.

Выбор материала охлаждающей пластины имеет основополагающее значение. Теплопроводность (k) определяет, насколько хорошо распространяется тепло. Высокое значение k необходимо для быстрого и равномерного отвода тепла. Материалы с высоким k быстро отводят тепло от горячих точек.

Выбор обычно делается между медью и алюминием. Медь обеспечивает превосходные тепловые характеристики. Его значение $ ext{k}$ составляет около 400 Вт/м К. Значение k алюминия составляет около 205 Вт/м К. Медь лучше справляется с сопротивлением термическому растеканию . Это сопротивление возникает, когда небольшой чип выделяет тепло. Тепло должно распространяться по всему основанию холодной плиты.

Материал k и системные компромиссы

Медь обеспечивает лучшее тепловое решение. Однако он тяжелее и дороже. Алюминий является отраслевым стандартом для крупных изделий, чувствительных к весу. Ее меньшая $ ext{k}$ приемлема при распределении тепловой нагрузки на большой площади. Выбор материала должен соответствовать весу приложения и бюджетным ограничениям.

Параметр 3: Плотность и геометрия внутренних ребер – максимизация конвективной площади

Внутренние ребра используются в высокопроизводительных холодных пластинах. Они часто встречаются в паяных или микроканальных конструкциях. Ребра представляют собой металлические конструкции внутри канала потока. Они увеличивают площадь смачиваемой поверхности. Ребра значительно увеличивают коэффициент конвективной теплопередачи (). Это снижает конвективное тепловое сопротивление ().

Конструкция должна оптимизировать плотность, высоту и форму ребер. Более высокая плотность ребер означает большую площадь поверхности. Это улучшает теплообмен. Но высокая плотность также ограничивает поток жидкости. Это ограничение быстро увеличивает падение давления (∆P).

Геометрия плавников и сравнение характеристик

Форма ребер влияет на перемешивание жидкости и турбулентность. Различные формы используются для различных тепловых потребностей.

Инженеры также должны учитывать эффективность плавников . Очень тонкие или очень высокие ребра могут иметь низкую эффективность. Тепло не может достаточно быстро дойти до кончика плавника. Кончик плавника остается намного горячее, чем основание. В этом случае добавление большего количества материала ребер не поможет. CFD-моделирование необходимо для оптимизации геометрии и расстояния между ребрами.

Параметр 4: Соотношение сторон канала потока (В/Ш) – плотность площади поверхности

Соотношение сторон — это отношение высоты канала (H) к ширине канала (W). Это соотношение является основным фактором во внутреннем дизайне. Он определяет плотность площади охлаждающей поверхности.

Более высокое соотношение H/W увеличивает площадь охлаждения. Это делается без изменения общего размера канала. Такая конструкция улучшает эффективность охлаждения. Это разумный способ максимизировать смачиваемый периметр.

Соотношение сторон и производственные ограничения

Соотношение сторон часто ограничивается технологией производства.

● Обработка на станках с ЧПУ. Для глубоких и узких каналов требуются длинные и тонкие инструменты. Этот процесс требует много времени. Это может привести к повышенному износу инструмента и снижению точности канала.

● Вакуумная пайка: этот процесс позволяет добиться гораздо более высоких соотношений сторон. В нем используются тонкие предварительно сформированные ребра. Как правило, это лучший вариант для холодных плит с экстремальными характеристиками.

Инженеры должны выбрать максимально возможное соотношение H/W. Это соотношение должно быть технологичным. Он также должен избегать проблем с потоком. Очень глубокий канал может ограничить вход и выход потока. Это увеличивает ∆P. В конструкции сочетаются прирост производительности и технологичность производства.

Параметр 5: Шероховатость стенки проточного канала () – Трение и RaRe

Шероховатость внутренней стенки () — это текстура стенок канала. Это параметр, который часто упускают из виду. Это сильно влияет на падение давления при трении ().Ra∆Pfric.

Шероховатость создает трение. Это трение действует против потока жидкости. Более высокая шероховатость приводит к более высоким потерям давления на трение. Насосная система должна работать усерднее, чтобы протолкнуть жидкость.

Влияние производства на шероховатость

Производственный процесс определяет шероховатость.

● Обработка на станке с ЧПУ: качество окончательного реза определяет шероховатость. Может потребоваться полировка или химическое травление после механической обработки.

● FSW (сварка трением с перемешиванием). Этот процесс сварки имеет решающее значение для пластин аккумуляторных батарей электромобилей. FSW создает чистый внутренний сварной шов. Имеет гладкую поверхность. Эта отделка сводит к минимуму потери давления на трение по сравнению с традиционной сваркой плавлением.

● Пайка: Процесс пайки должен быть очень чистым. Любой флюс или остатки, оставшиеся внутри каналов, увеличивают шероховатость. Это также может вызвать проблемы с коррозией позже.

Шероховатость может слегка способствовать турбулентности. Это способствует передаче тепла. Однако увеличение ∆P обычно слишком велико. Это неприемлемое наказание. Высокопроизводительные холодные пластины требуют чрезвычайно гладких внутренних каналов.

III. Гидродинамика и системная интеграция)

В этом разделе основное внимание уделяется самой жидкости. Он рассматривает факторы системной интеграции. Эти элементы определяют распределение тепла, энергопотребление системы и долгосрочную надежность.

Параметр 6: Схема потока и схема контура — однородность в зависимости от ∆P

Схема потока – это путь, по которому движется охлаждающая жидкость. Это наиболее важный фактор для достижения однородности температуры () по поверхности холодной пластины. Макет должен идеально соответствовать тепловой карте. Он должен гарантировать, что все источники тепла получают одинаково холодную жидкость.

Согласование структуры потока и тепловой карты

Инженеры должны выбрать правильную схему потока. Этот выбор зависит от распределения тепла компонента.

CFD-моделирование необходимо на этом этапе. Он моделирует дисбаланс потока в параллельных контурах. Он предсказывает появление горячих точек, создаваемых температурным градиентом в змеевидных контурах. Цель – устранить горячие точки. Это исключение необходимо выполнить, не увеличивая слишком сильно ∆P.

Параметр 7: Расход охлаждающей жидкости (Q) – производительность в зависимости от снижения мощности

Расход – это объем теплоносителя, проходящего через холодную пластину. Это самый мощный способ улучшить тепловые характеристики. Более высокая скорость потока дает два преимущества. Это уменьшает объемное повышение температуры жидкости (). Это также увеличивает коэффициент конвективной теплопередачи (). Оба действия снижают .∆TfluidhRth холодной пластины.

Штраф кубической мощности

Инженеры должны учитывать мощность насоса. Мощность накачки резко возрастает с увеличением скорости потока.

Это штраф за кубическую мощность . Удвоение скорости потока требует в восемь раз большей мощности накачки. Это очень неэффективно. Конструкция должна оптимизировать скорость потока. Скорость потока должна достигать требуемых тепловых характеристик. Оно также должно оставаться в пределах допустимого предела ∆P системы (например, 1,5 бар). Любая дополнительная скорость потока — это напрасная трата энергии и затрат.

Параметр 8: Температура охлаждающей жидкости на входе () — System BaselineTin

Температура на входе () — это температура жидкости, поступающей в холодную пластину. Этот параметр является системным ограничением. Он устанавливается внешним охлаждающим устройством (или чиллером). Однако это доминирующий фактор. Он определяет абсолютную рабочую температуру компонента.

Температура компонента зависит от . Это также зависит от эффективности охлаждающей пластины. Олово

Более низкое значение всегда гарантирует более холодный компонент. Олово.

Жесть и система ПУЭ

Высокоэффективная охлаждающая пластина (низкая) помогает системе. Это позволяет компоненту оставаться холодным даже при более высоком значении Tin RthTin. Работа при более высокой температуре более эффективна. Это улучшает работу центра обработки данных в целом (эффективность использования энергии). Конструкция охлаждающей пластины помогает снизить потребление энергии по всему предприятию. Конструкция должна быть оптимизирована, чтобы обеспечить максимально возможное значение .CDUPUE Tin.

Параметр 9: Свойства охлаждающей жидкости (, , ) – Теплоноситель

Выбор охлаждающей жидкости сильно влияет на производительность. Важны три основных свойства. Это удельная теплоемкость (), плотность () и вязкость ().

Удельная теплоемкость ():Cp High позволяет жидкости поглощать больше тепла. Это позволяет поддерживать низкую температуру объемной жидкости. Cp Viscosity ():mu Низкая вязкость означает, что жидкость легко течет. Это уменьшает падение давления на трение. Плотность ():ρ Влияет на общий массовый расход при заданном объемном расходе.

Компромиссы с охлаждающей жидкостью

Чистая вода – лучшая тепловая жидкость. Однако требуется тщательный контроль на предмет коррозии. Смеси гликоля и воды используются в электромобилях и промышленных системах. Они обеспечивают критическую защиту от замерзания и коррозии. Эта защита достигается за счет производительности. Это также увеличивает ∆P.

Параметр 10: Толщина материала термоинтерфейса () и TIMkTIM

Это материал между источником тепла и холодной пластиной. Это наиболее важный элемент. Заполняет воздушные зазоры. Воздух – ужасный проводник тепла. Слой часто вносит наибольший вклад в общее тепловое сопротивление.TIMTIMTIMRth, всего

Сопротивление () пропорционально его толщине.

Целью является достижение минимальной толщины линии склеивания (BLT). Это требует высокого давления во время сборки. Что еще более важно, это требует предельной точности от холодной пластины.

Требование плоскостности

Поверхность крепления охлаждающей пластины должна быть максимально плоской. Плохая плоскостность оставляет большие зазоры. Эти пробелы требуют более толстого слоя TIM для их заполнения. Тепловые характеристики быстро ухудшаются. Winshare Thermal использует высокоточную обработку с ЧПУ и специализированные инструменты. Мы достигаем допусков плоскостности 0,05 мм или выше. Это позволяет клиентам использовать самые тонкие и эффективные материалы TIM. Правильная плоскостность не подлежит обсуждению для высокопроизводительных систем.

IV. Решение для баланса на основе CFD

Разработка жидкостной охлаждающей пластины – сложная задача. Это задача многокритериальной оптимизации. Инженеры должны одновременно сбалансировать 10 важнейших взаимозависимых параметров. Они должны максимизировать теплопередачу при минимизации перепада давления, веса и стоимости.

Догадок или простых расчетов недостаточно. Проект требует очень детального анализа. Winshare Thermal – профессиональное решение. Наша команда инженеров использует передовые инструменты CFD (вычислительной гидродинамики). Мы быстро моделируем и повторяем все 10 параметров. Этот процесс включает в себя сложные функции, такие как анализ распределения потока и оптимизация топологии. Мы гарантируем оптимальную конструкцию охлаждающей пластины.

Мы сочетаем оптимальную конструкцию с проверенным производством. Наши возможности включают высокоточную обработку на станках с ЧПУ и надежную сварку трением с перемешиванием. Мы также используем профессиональные методы вакуумной пайки. Это гарантирует, что конструкция превратится в высоконадежный и технологичный продукт. Сотрудничайте с Winshare Thermal, чтобы превратить теоретическую эффективность в максимальную производительность системы. Мы можем решить ваши самые сложные тепловые задачи.