Жидкостные холодные пластины: конструкция каналов и материалы

Жидкостные холодные пластины: конструкция каналов и материалы

Краткий ответ: жидкостная холодная пластина — это металлический теплообменник с внутренними каналами для охлаждающей жидкости, и качественно изготовленная медная пластина для нагрузки класса IGBT или CPU размером 100×100 мм обычно обеспечивает 0,02–0,05 °C/Вт при расходе воды 1–2 л/мин — примерно в пять–двадцать раз лучше, чем хороший радиатор воздушного охлаждения. Два решения, определяющие производительность, — это архитектура каналов (прямые, серпантинные или микро­каналы) и материал (медь или алюминий). Медь выигрывает по теплопроводности при примерно в 3–4 раза большей стоимости материала; алюминий выигрывает по цене и весу, но требует контроля коррозии. Планируйте испытание на давление и герметичность при 5–10 бар для каждой серийной пластины.

Когда возможности воздушного охлаждения исчерпаны, решение обычно не в более мощном вентиляторе, а в жидкостном контуре. Холодные пластины встречаются в инверторах, драйверах лазеров, системах аккумуляторов электромобилей, медицинском оборудовании и высокоплотных вычислениях, всегда выполняя одну и ту же задачу: собирать тепло от одного или нескольких компонентов в поток охлаждающей жидкости, который переносит его к удалённому радиатору. Поскольку жидкость гораздо лучше переносит тепло, чем воздух, холодной пластине не нужна героическая площадь поверхности — ей нужны хорошо спроектированные каналы, правильный металл и честное производство, которое не течёт.

Основной компромисс: геометрия каналов определяет и производительность, и перепад давления

Проектирование каналов — это прямой обмен: больше поверхности и больше турбулентности дают лучшую теплопередачу, но увеличивают перепад давления, который должен оплатить ваш насос. Три архитектуры охватывают большинство конструкций. Прямые параллельные каналы дают наименьший перепад давления и наиболее равномерный поток, когда источник покрывает всю пластину, что подходит для больших поверхностей аккумуляторов или шин. Серпантинные каналы заставляют охлаждающую жидкость многократно пересекать горячую зону по одному длинному пути, обеспечивая высокую теплопередачу под сосредоточенным источником при умеренном штрафе по давлению. Массивы штырьковых рёбер и микро­каналов дают наибольшую теплопередачу на единицу площади, но наибольший перепад давления, а микро­каналы шириной менее примерно 0,5 мм требуют чистой охлаждающей жидкости и фильтрации во избежание засорения.

Не существует универсально лучшей геометрии, есть только лучшее соответствие вашей тепловой карте. Если тепло исходит от одного кристалла 20×20 мм в центре пластины, серпантинный путь, пересекающий эту зону, эффективен и прост в изготовлении. Если тепло распределено равномерно по большой поверхности, параллельные каналы обеспечивают больше общего охлаждения при той же мощности насоса. Если два разных устройства расположены на одной пластине с разной мощностью, поток можно разделить, подобрав ширину каналов для каждой зоны — трюк, который фрезерованные пластины делают естественно, а трубчатые не могут.

Медь против алюминия: выбор материала

Медь имеет теплопроводность примерно 385–401 Вт/м·К против примерно 167–180 Вт/м·К для алюминия 6061 или 6063, поэтому медная пластина быстрее распределяет тепло и обеспечивает меньший температурный градиент между устройством и охлаждающей жидкостью. Это преимущество в проводимости наиболее ценно, когда источник тепла сосредоточен, поскольку доминирует сопротивление растеканию. Алюминий становится привлекательным, когда источник распределён, важен вес или доминирует стоимость, а также когда контур использует охлаждающую жидкость с ингибиторами коррозии, например, смеси этиленгликоля, распространённые в автомобильных и промышленных системах.

Вопрос коррозии — тот, что сбивает с толку новые разработки. Медь и алюминий не следует смешивать в одном смачиваемом контуре без контроля коррозии: алюминий является анодным по отношению к меди и будет преимущественно корродировать в чистой воде. Поэтому автомобильные системы стандартизируются на алюминии везде с ингибированной охлаждающей жидкостью, в то время как лабораторные, медицинские и многие промышленные контуры стандартизируются на меди или нержавеющей стали. Определите материал всего контура до проектирования пластины, а не после.

Цифры стоимости — это ориентировочные множители для материала, а не цены готовых пластин. Нержавеющая сталь появляется в таблице в основном как предостережение: она коррозионностойкая, но настолько плохой проводник, что цельные пластины из нержавеющей стали работают только с микро­каналами или тонкими стенками, поэтому на практике нержавеющая сталь применяется как трубки и фитинги, а не как тело пластины.

Как на самом деле изготавливаются холодные пластины

Метод изготовления — это проектное решение, потому что он определяет, какие формы каналов возможны и каков риск утечки. Фрезерованная пластина — это рабочая лошадка: фрезерный станок с ЧПУ вырезает поле каналов в монолитном блоке, затем плоская крышка припаивается или приклеивается сверху. Этот маршрут обрабатывает серпантинные, параллельные и штырьковые формы, обеспечивает точные размеры каналов и подходит для малых и средних объёмов. Штампованная пластина начинается с листового металла: полуоболочки с сформированным рисунком потока с помощью прогрессивного штампа соединяются в герметичную пластину, именно так изготавливается множество автомобильных охлаждающих пластин для аккумуляторов при больших объёмах и низкой стоимости за деталь. Трубка в пластине — самый старый маршрут: изогнутая медная или алюминиевая трубка встраивается в литой или фрезерованный корпус, просто и устойчиво к утечкам, но ограничено в теплопередаче, поскольку охлаждающая жидкость никогда не касается стороны компонента напрямую.

Герметизация и испытания решают, выживет ли любая из этих конструкций в эксплуатации. Крышки обычно вакуумно-паяются для автомобильного алюминия, паяются или склеиваются для меди, и готовая пластина должна пройти испытание на давление и герметичность — обычно 5–10 бар воздухом под водой, испытание на падение давления или гелиевое обнаружение утечек для автомобильных и медицинских классов. Задайте любому поставщику три вопроса: какое испытание на герметичность проходит каждая пластина, на какое давление разрыва рассчитана конструкция и как выглядит кривая расхода от перепада давления в вашей рабочей точке. Пластина, которая проходит визуальный осмотр, но пропускает испытание на герметичность, обнаружит свой дефект в стойке вашего заказчика.

Объёмы и стоимости ориентировочны и сильно пересекаются на практике. Практический вывод: для прототипов и серий до нескольких тысяч штук фрезерованная пластина с паяной или приклеенной крышкой — самый быстрый путь к проверенной конструкции, а завод-источник, который управляет как обработкой на ЧПУ, так и штамповочными линиями, может переключать вас между маршрутами по мере роста объёма, вместо того чтобы заставлять делать ставку на оснастку с первого дня.

Расчёт холодной пластины: что означают цифры

Показатель производительности, который покупатели должны указывать и сравнивать, — это тепловое сопротивление в °C/Вт от монтажной поверхности компонента до охлаждающей жидкости. Грубый бюджет для пластины класса 100×100 мм составляет 0,02–0,05 °C/Вт с водой при 1–2 л/мин, что означает, что модуль IGBT мощностью 500 Вт работает примерно на 10–25 °C выше температуры охлаждающей жидкости. Сравните это с областью 0,1–1,0 °C/Вт воздушных радиаторов, и вы поймёте, почему существуют жидкостные контуры: они переносят то же тепло при доле повышения температуры, ценой насоса, радиатора, фитингов и риска утечки.

Сопротивление делится на три части, которые можно атаковать отдельно: сопротивление растеканию внутри материала пластины между площадкой устройства и каналами (снижается использованием меди или более толстого основания), конвективное сопротивление между стенкой канала и охлаждающей жидкостью (снижается большей поверхностью канала или турбулентностью) и повышение температуры охлаждающей жидкости вдоль пути потока (снижается более высоким расходом). Когда холодная пластина работает плохо, определите, какая из трёх частей доминирует, прежде чем менять геометрию. Быстрый тест потока с термометром на входе и выходе покажет повышение температуры охлаждающей жидкости напрямую — если температура на выходе уже близка к температуре устройства, проблема в расходе контура, а не в пластине.

Часто задаваемые вопросы

В: Каково реалистичное тепловое сопротивление для жидкостной холодной пластины?

О: Хорошо изготовленная медная пластина класса 100×100 мм с водой при 1–2 л/мин обычно достигает 0,02–0,05 °C/Вт от монтажной поверхности до охлаждающей жидкости, что примерно в пять–двадцать раз лучше, чем хороший радиатор воздушного охлаждения. Точные цифры зависят от размера источника, конструкции каналов и расхода, поэтому проверяйте испытанием.

В: Медь или алюминий для холодной пластины — что выбрать?

О: Выбирайте медь, когда источник тепла сосредоточен и нужна минимальная температура, при примерно в 3–4 раза большей стоимости материала, чем алюминий. Выбирайте алюминий, когда важнее вес, стоимость или полностью алюминиевый автомобильный контур. Никогда не смешивайте медь и алюминий в одном смачиваемом контуре без охлаждающей жидкости с ингибиторами коррозии.

В: Какое испытание на давление и герметичность следует указывать для холодных пластин?

О: Указывайте 100% производственное испытание на герметичность, обычно воздухом под водой или на падение давления при 5–10 бар, с гелиевым обнаружением утечек для автомобильных или медицинских классов. Также запросите кривую расхода от перепада давления и значение давления разрыва, чтобы пластина соответствовала вашему насосу и запасу прочности.

В: Можно ли изготавливать холодные пластины малыми объёмами без дорогостоящей оснастки?

О: Да. Фрезерованные пластины с паяными или приклеенными крышками не требуют специальной оснастки и подходят для партий от одного прототипа до нескольких тысяч штук. Штампованные полуоболочки становятся экономичными только со специальными штампами, обычно при 10 000+ штук, тогда и переходите на эту конструкцию.

В: Как понять, нужна ли мне вообще холодная пластина?

О: Сначала рассчитайте тепловой бюджет: если температура перехода остаётся приемлемой с воздушным радиатором при вашей окружающей среде и целях надёжности, оставайтесь на воздухе. Жидкость оправдывает свою сложность выше примерно 300–500 Вт на компактной площади, в герметичных корпусах, где воздух не может циркулировать, или там, где шум и правила по температуре воздуха блокируют принудительную конвекцию.

Связанные ресурсы

• Воздушное охлаждение против жидкостного в электронике — сравнение на уровне контура, которое решает, стоит ли холодная пластина.
• Алюминиевые против медных радиаторов — тот же компромисс по материалам, применённый к обычным оребрённым радиаторам.
• О BQUQ: завод-источник ISO9001 в Дунгуане, обрабатывающий и штампующий компоненты холодных пластин под одной крышей.
• Свяжитесь с нами: отправьте ваши тепловые требования и чертежи для расчёта в течение 12 рабочих часов.

Автор: инженерная команда BQUQ. BQUQ — сертифицированный по ISO9001 завод-источник в Дунгуане, Китай, управляющий линиями обработки на ЧПУ, штамповки металла, изготовления пружин на заказ, радиаторов и цанг под одной крышей. Отправляйте чертежи на sc@bquq.com или WhatsApp +86 13713157787 для расчёта в течение 12 рабочих часов. www.bquq.com