Cómo diseñar una placa de refrigeración líquida para un sistema de refrigeración de alta potencia

17 noviembre, 8
2:56 pm

¿Cómo diseñar una placa de refrigeración líquida?

1、 Definir claramente los requisitos de diseño
Antes de diseñar una placa de refrigeración líquida, es necesario aclarar sus escenarios de aplicación y requisitos específicos. Por ejemplo, si se diseña una placa de refrigeración líquida para la disipación de calor de un chip electrónico, es necesario comprender el consumo de energía del chip, la generación de calor, la temperatura ambiente de funcionamiento, la temperatura máxima de funcionamiento permitida para la temperatura de unión del chip, la composición del refrigerante, la temperatura de entrada del refrigerante, el caudal del refrigerante y otros parámetros. Si se utiliza para la disipación de calor de baterías de vehículos de nueva energía, se debe considerar la disposición del paquete de baterías, las características de generación de calor durante la carga y descarga, y el rango de temperatura de funcionamiento. Además, se debe prestar atención a factores como las limitaciones de espacio de instalación, el presupuesto de costos y la confiabilidad del proceso de producción. placa enfriada por líquidos y compatibilidad con otros sistemas. Este artículo analiza la producción y el procesamiento de canales de flujo basados en placas frías integradas. El esquema de diseño para el proceso de adición... tubo de cobre y placa de aluminioSe volverá a hablar de esto más adelante. Entonces, ¿cómo diseñar una placa de refrigeración líquida?

2,Elija materiales apropiados
La aleación de aluminio 6063 o 6061 es un material metálico comúnmente usado para placas refrigeradas por líquido debido a su baja densidad, buena conductividad térmica (el aluminio puro tiene una conductividad térmica de aproximadamente 237 W/(m · K), mientras que la aleación de aluminio tiene una conductividad térmica entre 180-230 W/(m · K) dependiendo de su composición), resistencia moderada, facilidad de procesamiento y moldeo, y costo relativamente bajo. La conductividad térmica del aluminio ADC12 producido por proceso de fundición a presión es de 90-110 W/(m · K), que se caracteriza por un proceso simple y bajo costo. El material de cobre tiene una conductividad térmica superior (con una conductividad térmica de aproximadamente 401 W/(m · K)), pero tiene una mayor densidad y un mayor costo. Se puede seleccionar cuando los requisitos de disipación de calor son extremadamente altos y el espacio y el costo lo permiten.

3、 Estructura del canal de flujo de diseño
(1) Forma del canal de flujo
Las formas comunes de canales de flujo incluyen canales paralelos, serpentinos y bifurcados. Los canales de flujo paralelos tienen una estructura simple y una resistencia al flujo de fluido relativamente baja, lo que los hace adecuados para fuentes de calor con una distribución relativamente uniforme de la densidad de flujo térmico. Los canales de flujo serpentinos pueden aumentar el tiempo de residencia de los fluidos en placas refrigeradas por líquido y mejorar la eficiencia de la transferencia de calor, pero presentan una mayor resistencia al flujo. Los canales bifurcados distribuyen el fluido de forma más uniforme a diversas áreas y tienen un mejor efecto de disipación de calor en fuentes de calor no uniformes.
(2) Tamaño del canal
El ancho, la altura y el espaciado del canal de flujo tienen un impacto significativo en el rendimiento de disipación de calor de la placa de refrigeración líquida. Un tamaño de canal más pequeño puede aumentar el área de contacto entre el fluido y la pared del canal, mejorando la eficiencia de transferencia de calor, pero aumentará la resistencia al flujo y el consumo de energía de la bomba. En términos generales, el ancho del canal de flujo se puede seleccionar entre 6-15 mm, la altura entre 2-10 mm, y el espaciado entre los canales de flujo se determina según las necesidades reales y los procesos de fabricación. Para chips con alta densidad de potencia que requieren un área de contacto local pequeña pero una alta transferencia de calor en placas refrigeradas por líquido, se necesita un diseño de microcanales para los canales de flujo locales. Por ejemplo, el chip GPU GB200 de Nvidia tiene un área de contacto de aproximadamente 50 x 50 mm, y sus canales de flujo refrigerados por líquido requieren aletas de cobre de alta densidad para el intercambio de calor.

4、 Análisis térmico y optimización de simulación
Utilice software profesional de análisis térmico como ANSYS Fluent para realizar simulaciones numéricas de la placa de refrigeración líquida diseñada. Introduzca la carga térmica de la fuente de calor, los parámetros físicos del fluido (como densidad, capacidad calorífica específica, conductividad térmica, etc.) y las condiciones de contorno del flujo (como caudal, velocidad de flujo, etc.) para simular la distribución de temperatura y las características del flujo del fluido dentro de la placa. Mediante el análisis de simulación, se pueden identificar problemas como puntos calientes y flujo irregular en el diseño, y se puede optimizar la estructura de la placa, ajustando la forma del canal de flujo y modificando la posición de la entrada y la salida, para lograr una mejor disipación del calor.

5、 Selección del proceso de fabricación
(1) Proceso de placa de enfriamiento líquido de soldadura fuerte
Para las placas de aleación de aluminio refrigeradas por líquido, la soldadura fuerte es un proceso de fabricación común. Al colocar material de soldadura fuerte entre las láminas y fundirlo a una temperatura y presión determinadas, estas se conectan para formar una estructura de canal de flujo. La soldadura fuerte al vacío garantiza la calidad de la soldadura y reduce defectos como la oxidación y la porosidad. Los materiales para la soldadura fuerte al vacío se dividen generalmente en dos tipos: aluminio puro y cobre puro.
Los materiales de soldadura fuerte a base de aluminio y silicio (como la aleación AlSi, con un punto de fusión de aproximadamente 577-615 °C) se utilizan comúnmente para la soldadura fuerte al vacío de aluminio. La temperatura de soldadura suele fijarse entre 580 y 620 °C, ligeramente superior al punto de fusión de los materiales de soldadura. Al realizarse en un entorno de vacío, no se requiere gas protector adicional. El vacío puede prevenir la oxidación del aluminio, a la vez que promueve la humectación de la soldadura y la unión por difusión.
Los materiales de soldadura fuerte de cobre fósforo o cobre plata se utilizan comúnmente para la soldadura fuerte de cobre al vacío (como la aleación Cu-P, con un punto de fusión de aproximadamente 710-800 °C), y la temperatura de soldadura es de aproximadamente 750-900 °C. Aunque se trata de un entorno de vacío, algunos procesos introducen gas nitrógeno de alta pureza (pureza ≥ 99.99 %) como gas protector para suprimir aún más la oxidación del cobre y garantizar la fiabilidad de la soldadura.

2) Soldadura por fricción-agitación
La soldadura por fricción y agitación es un proceso de unión en estado sólido, en el que el cabezal agitador gira y se mueve a lo largo de la interfaz a soldar, provocando la deformación plástica del material y logrando la unión. Este proceso ofrece una alta resistencia de soldadura y una pequeña zona afectada por el calor, lo que lo hace adecuado para la fabricación de placas refrigeradas por líquido de alta calidad. La soldadura por fricción y agitación genera calor al girar el cabezal agitador para plastificar el material, y la temperatura de plastificación de la aleación de aluminio suele estar entre 300 y 500 °C. La presión de soldadura suele ser de 10 a 50 kN, que aumenta con el aumento del espesor del material. La velocidad del cabezal agitador suele ser de 800 a 3000 rpm, y la velocidad de soldadura es de 0.5 a 5 mm/s. Este proceso es una unión en fase sólida, sin defectos de fusión, y es adecuado para la unión eficiente de metales no ferrosos como el aluminio y el cobre.

6、 Pruebas de rendimiento y validación
Tras fabricar la muestra de placa refrigerada por líquido, se requieren pruebas de rendimiento. Utilice sensores de temperatura para medir la temperatura en diferentes puntos y monitoree el caudal del fluido y la caída de presión mediante caudalímetros y sensores de presión. Compare los resultados de las pruebas con los requisitos de diseño para evaluar si la disipación térmica y la resistencia al flujo de la placa refrigerada por líquido cumplen con los requisitos. De no ser así, analice las razones y mejore aún más el diseño y el proceso de fabricación. El diseño de una placa refrigerada por líquido requiere una consideración exhaustiva de múltiples aspectos, como los requisitos, los materiales, la estructura del canal de flujo, el análisis térmico, el proceso de fabricación y las pruebas de rendimiento. Mediante la optimización y la verificación continuas, se pueden obtener placas refrigeradas por líquido de alta calidad que cumplen con los requisitos de aplicación práctica.

Diseño y esquema de dimensiones de una placa de refrigeración líquida para una fuente de calor de 1 kW (caso de cálculo teórico)

I. Parámetros básicos y objetivos de diseño

• Consumo de energía térmica: La potencia térmica nominal de la fuente de calor Q = 1000 W (se requiere una disipación de calor continua y estable).

• Requisitos de temperatura: La temperatura máxima de la superficie de la fuente de calor T_s = 85 ℃, la temperatura de entrada del líquido de enfriamiento T_in = 35 ℃ y la diferencia de temperatura permitida Delta T = T_s – T_in = 50 ℃.

• Líquido refrigerante: solución acuosa de etilenglicol al 50% con parámetros: conductividad térmica k_f = 0.45W/(m·K) , viscosidad dinámica _mu = 0.002Pa·s , capacidad calorífica específica c_p = 3600J/(kg·K) , y densidad \rho = 1050kg/m³ .

II. Cálculo teórico de parámetros clave

1. Cálculo del caudal del líquido refrigerante

Basándonos en la ecuación de balance térmico Q = \rho q_v c_p \Delta T_{fluid} , suponiendo que la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del líquido refrigerante \Delta T_{fluid} = 10℃ (para evitar el sobrecalentamiento local), el caudal requerido es:

2. Diseño de canales de flujo y velocidad de flujo

Se utilizan canales de flujo multiparalelos (para reducir la resistencia). El tamaño de un solo canal de flujo es: ancho (w) = 5 mm = 0.005 m, altura (h) = 4 mm = 0.004 m. El diámetro hidráulico es:

3. Cálculo del coeficiente de transferencia de calor y del área

III. Esquema de dimensiones de la placa de refrigeración líquida

1. Diseño de dimensión del contorno

De acuerdo con el requisito del área de transferencia de calor, se adopta un diseño rectangular:

•Longitud: 150 mm, Ancho: 120 mm (área total 150×120 = 18000 mm² = 0.018 m², con el área del canal de flujo representando aproximadamente el 80%, el área de transferencia de calor efectiva es de 0.0144 m², que debe complementarse aumentando la longitud del canal de flujo).

•Espesor: 15 mm (incluidos 4 mm para la altura del canal de flujo y 5.5 mm para los sustratos superior e inferior cada uno para garantizar la resistencia estructural).

2. Optimización del diseño del canal de flujo

La longitud total de los canales de flujo es L = \frac{A_{effective}}{n×w} = \frac{0.0286}{8×0.005} ≈ 0.715 m. Se adopta un diseño en forma de U + 8 canales de flujo paralelos, con una longitud de canal de aproximadamente 90 mm y 2 veces la longitud del canal para asegurar una cobertura uniforme de la fuente de calor por parte del fluido.

IV. Verificación y ajuste

Según esta dimensión, la verificación de simulación muestra que, con un caudal de 15.9 L/min, la resistencia a la transferencia de calor por convección es de aproximadamente 0.05 ℃/W, la temperatura superficial de la fuente de calor se mantiene estable a 80 ℃ y la caída de presión es ≤ 0.2 MPa, lo que cumple con el requisito de disipación de calor de 1 kW. Si el espacio es limitado, se puede reducir el ancho a 100 mm y aumentar la longitud a 180 mm para mantener el área total de transferencia de calor sin cambios.