Diseño térmico - Walmate Thermal

¿Qué es un diseño térmico?

El diseño térmico puede definirse como un enfoque de diseño sistemático implementado durante la fase inicial de la planificación de la gestión térmica. Su núcleo reside en el uso de herramientas de software avanzadas para realizar análisis exhaustivos de simulación asistida por computadora, con el objetivo final de generar datos teóricos fiables. En la práctica, este método comienza identificando las variables clave que influyen en el rendimiento térmico, como los parámetros estructurales y del material de los disipadores de calor, el diseño del canal de flujo de las placas de refrigeración líquida, la velocidad de rotación y el volumen de aire de los ventiladores, así como las propiedades del material, la intensidad de la fuente de calor y las condiciones ambientales. Posteriormente, los ingenieros ajustan y configuran estos diversos parámetros dentro del software de simulación, creando múltiples escenarios virtuales que imitan entornos operativos reales; por ejemplo, probando el impacto de diferentes... disipador de calor tamaños en temperaturas locales, o alterando la combinación de caudales de refrigerante en placas de refrigeración líquida y la potencia de funcionamiento del ventilador para observar cambios en la eficiencia general de disipación de calor del sistema.

El propósito del diseño térmico.

El propósito del diseño térmico es identificar los riesgos potenciales de sobrecalentamiento del chip y encontrar soluciones óptimas. Implica el uso de cálculos de software para respaldar el prototipado de productos, la verificación de los resultados mediante pruebas finales y la optimización posterior con base en dichos hallazgos. Sin embargo, muchos ingenieros, especialmente los principiantes, no tienen claros los motivos para realizar el diseño y la simulación térmica. A menudo, comienzan a trabajar simplemente para completar tareas sin comprender primero los objetivos y requisitos. Este enfoque genera problemas como la omisión de condiciones necesarias o el uso de métodos incorrectos, lo que resulta en una pérdida de tiempo significativa. Finalmente, pueden incluso cuestionar la validez de sus resultados. Por lo tanto, el objetivo final del diseño térmico para productos electrónicos es perfeccionar continuamente la solución óptima del proyecto mediante cálculos teóricos, análisis de simulación y pruebas experimentales. Esto garantiza el funcionamiento estable a largo plazo de los productos electrónicos, evitando fallos de funcionamiento de los equipos causados por el sobrecalentamiento de los componentes.

La importancia y el valor del diseño térmico.

En otras palabras, ¿por qué necesitamos realizar análisis de simulación de diseño térmico? Esto se refleja principalmente en tres aspectos: reducción de costos, acortamiento de los ciclos de investigación y desarrollo, y mejora de la confiabilidad y competitividad del producto. La reducción de costos se manifiesta principalmente en la reducción del costo del muestreo continuo y el tiempo de las pruebas repetidas. Acortar el ciclo de investigación y desarrollo, validar rápidamente soluciones de disipación de calor (como el diseño de conductos y la selección de materiales) en entornos virtuales y reducir el número de muestreos. Una empresa amplió el tiempo de protección contra fugas térmicas de 58 a 220 segundos mediante simulación, sin necesidad de repetidas pruebas de producción. Mejorar la confiabilidad y competitividad del producto. Sabemos que si existen defectos de diseño o problemas de selección, esto provocará un funcionamiento anormal del equipo. Si podemos comprender los defectos de diseño con antelación, identificar las áreas de debilidad térmica de los componentes electrónicos dentro del equipo y optimizar y mejorar su diseño, mejoraremos considerablemente la confiabilidad del producto en entornos hostiles y su competitividad.

Walmate puede ayudar a los clientes a realizar un diseño térmico de disipador de calor.

Somos capaces de brindar a los clientes servicios de diseño térmico para disipadores de calorNormalmente, cuando un cliente selecciona un chip, sus ingenieros nos proporcionan las especificaciones del chip, como su potencia térmica en vatios. Nuestros ingenieros realizan cálculos teóricos para determinar la solución de disipador adecuada. El tamaño del disipador depende en gran medida de estos cálculos. Para chips con alto consumo de energía, solemos considerar soluciones de convección forzada. Por el contrario, para chips de bajo consumo, los diseños de convección natural suelen ser suficientes. Mediante estos cálculos teóricos, podemos aproximar la longitud, el ancho, la altura y la superficie requeridas para el disipador. A continuación, simulamos diferentes caudales y presiones de aire para calcular la temperatura máxima que alcanzaría el chip al combinarse con el disipador diseñado. Este enfoque de diseño teórico ayuda a los clientes a ahorrar tiempo y costes de desarrollo significativos, al evitar pruebas y errores innecesarios con prototipos físicos.

Walmate puede ayudar a los clientes a realizar un diseño térmico de placa de enfriamiento líquido.

De manera similar, también podemos diseñar una solución térmica que involucre placas de refrigeración líquida Para los clientes. Cuando el chip de un cliente opera a niveles de potencia extremadamente altos, superando la capacidad de enfriamiento de los disipadores de calor convencionales combinados con ventiladorRecurrimos a las placas de refrigeración líquida, aprovechando el alto calor específico del agua. Este diseño permite que el agua o el refrigerante circule por el interior de la placa, transfiriendo y disipando eficazmente grandes cantidades de calor: el calor generado por el chip es absorbido por el refrigerante, que posteriormente es bombeado mediante una bomba de agua para eliminar la energía térmica acumulada. Al diseñar estas placas de refrigeración líquida, partimos de los requisitos teóricos de potencia para diseñar una solución adecuada, incluyendo el diseño de microcanales en la zona directamente debajo del chip. Mediante repetidos ajustes de parámetros y simulaciones, podemos alcanzar la temperatura objetivo especificada por el cliente. Este enfoque también supone un ahorro significativo en costes y tiempo de desarrollo. Por lo tanto, el diseño térmico es crucial en el desarrollo de placas de refrigeración líquida, especialmente dados los elevados costes de fabricación de estos componentes. Mediante el uso de software de simulación y análisis, podemos reducir drásticamente los gastos de investigación y desarrollo, haciendo que el proceso sea eficiente y rentable.

Preguntas frecuentes sobre diseño térmico

¿Cómo hacer un diseño térmico de disipador de calor?

Al diseñar un análisis térmico para un disipador de calor, suele ser necesario aclarar si se trata de convección natural o forzada. En el caso de la convección natural, el disipador debe tener en cuenta el espacio entre las aletas, que es el espacio para el intercambio de calor radiativo. Asimismo, también debemos considerar la gravedad y la radiación como parámetros. Por lo tanto, en el diseño térmico, estos dos parámetros (gravedad y radiación térmica) son de gran importancia. Normalmente, la superficie del disipador debe ser negra, con una emisividad generalmente establecida en 0.8. Por otro lado, para un disipador de convección forzada, la curva PQ del ventilador debe analizarse utilizando el modelo importado del sistema. En este caso, no es necesario considerar la radiación ni la gravedad para el disipador. En resumen, estos dos factores suelen ser los más importantes al diseñar un disipador de calor.

¿Cómo hacer un diseño térmico de una placa de enfriamiento líquido?

Al diseñar una placa de refrigeración líquida, generalmente se debe considerar su material y la necesidad de microcanales, lo cual se determina por la densidad de potencia dentro del área limitada. En resumen, si un área de 100×100 necesita manejar una potencia térmica superior a 1 kilovatio, el diseño de microcanales en la parte inferior de la fuente de calor es esencial. Esto permite que el líquido refrigerante intercambie calor completamente con los microcanales, disipando eficazmente grandes cantidades de calor. Por lo tanto, en el diseño de una placa de refrigeración líquida, el diseño del canal de flujo es un factor clave. También es necesario considerar la longitud total del canal de flujo, con especial atención a dos parámetros cruciales: la diferencia de presión y la resistencia al flujo. Estos parámetros son vitales para el enfriador del usuario final. En conclusión, es necesario evaluar exhaustivamente estos tres aspectos (material, necesidad de microcanales y parámetros relacionados con el canal de flujo) para lograr un diseño óptimo.

¿Cómo hacer un diseño térmico de disipador de calor de tubo de calor?

Al diseñar un disipador de calor con tubo de calor, generalmente es necesario determinar la potencia calorífica y seleccionar tubos de calor con diámetros adecuados. Por ejemplo, se suelen usar diámetros de 6 mm, 8 mm o 9.52 mm. Si la potencia es baja y el área es relativamente grande (es decir, hay suficiente espacio para colocar los tubos de calor), generalmente se pueden elegir tubos de calor con un diámetro exterior de 6 mm. Si el espacio es limitado, se deben seleccionar tubos de calor con un diámetro mayor, como 9.5 mm. Esto se debe a que los tubos de calor de diferentes diámetros pueden transportar diferentes cantidades de calor dentro de una longitud efectiva. Por lo tanto, al ajustar la conductividad térmica de los tubos de calor, según la experiencia, la establecemos en 12,000 15,000-XNUMX XNUMX W/(m·K). Este valor se acerca bastante a los valores de los parámetros en aplicaciones prácticas, con poca diferencia. La única diferencia es que en aplicaciones reales existe la influencia de la gravedad. Por ello, existe una diferencia relativamente grande entre la simulación térmica de los tubos de calor y la situación real. Por lo tanto, esto debe evitarse en la medida de lo posible durante el proceso de diseño. El impacto de la gravedad en los tubos de calor en su uso práctico posterior debe considerarse desde el principio.

¿Cómo hacer un diseño térmico de disipador de calor con aletas biseladas?

Al diseñar un disipador de calor con aletas biseladas, el material es un factor clave. Por ejemplo, la conductividad térmica del aluminio 1060 suele ser de 240 W/(m·K), mientras que la del aluminio 6063 suele ser de 187 W/(m·K). Por consiguiente, es necesario optimizar el grosor, la altura y la separación de las aletas para obtener los parámetros óptimos. Si el disipador debe soportar una potencia ultraalta, por ejemplo, superior a 1 kilovatio, el grosor de las aletas debería ser, en teoría, superior a 1.0 mm. Cuando la altura de las aletas supera los 100 mm, debido a su tamaño excesivo, se requiere un grosor suficiente para garantizar la transferencia de calor desde la parte inferior hasta la superior. En estos casos, generalmente fijamos el grosor de las aletas en 1.5 mm y luego ajustamos el espaciado según corresponda. En teoría, el espaciado óptimo entre aletas podría estar entre 1.0 mm y 2.5 mm en el diseño, pero en la práctica, se requiere un grosor de 1.5 mm para garantizar que el calor se conduzca a la parte superior de las aletas. Por supuesto, un diseño preciso del disipador de calor requiere un análisis exhaustivo de datos basado en aplicaciones prácticas.

¿Cuáles son los niveles típicos de diseño térmico?

Las simulaciones de diseño térmico suelen dividirse en cuatro niveles. El primero es la simulación a nivel de sistema, que se centra en el análisis térmico de todo el sistema, como grandes armarios o equipos, e implica la simulación y el análisis del campo de temperatura general y del campo de flujo de fluidos. Este tipo de análisis suele ser complejo. Por ejemplo, al trabajar con un armario inversor grande, que genera una cantidad significativa de calor, la simulación debe considerar el impacto de cada fuente de calor en todo el sistema. A continuación, se encuentra la simulación a nivel de placa o módulo. Esta generalmente se refiere al análisis de la distribución del calor en un único disipador de calor, el análisis de la temperatura dentro de un módulo y la simulación de la temperatura de los componentes. La clave aquí es centrarse en el análisis térmico de grandes módulos de alta potencia. A continuación, está la simulación a nivel de PCB. Esta suele implicar la simulación de la disposición de las pistas de cobre en la PCB y la temperatura de los chips en la placa. En otras palabras, al diseñar una PCB, se analiza la racionalidad del trazado de las pistas en la parte inferior de la placa y la ubicación de cada componente. Dado que la PCB tiene una película de cobre, si el diseño está demasiado concentrado, el calor generado afectará a otros componentes. Por lo tanto, un análisis de simulación de PCB razonable es muy útil para los ingenieros electrónicos, ya que puede guiarlos para organizar el diseño de PCB correctamente. El último nivel es la simulación a nivel de IC. Este nivel se centra en el análisis del campo de temperatura dentro de un chip, es decir, la distribución de los componentes que generan calor dentro de un chip, lo cual es crucial para los ingenieros de empaquetado. Pueden analizar el calor generado por miles de chips apilados en esta etapa. Sin embargo, la simulación a nivel de IC o a nivel de chip es muy difícil para los ingenieros de diseño preliminar. Esto se debe a que las fábricas de empaquetado generalmente no proporcionan parámetros como la potencia real dentro del chip. Solo gigantes de la industria como Intel, IBM, IMD o NVIDIA realizan tales análisis. En general, la mayoría de las simulaciones que realizamos son a nivel de IC, nivel de PCB, nivel de módulo y nivel de sistema. Cada ingeniero tiene diferentes áreas de enfoque, por lo que sus prioridades de trabajo también varían.

¿Cómo optimizar el diseño térmico de un disipador de calor?

La optimización del diseño de un disipador térmico suele comenzar con la potencia del chip para determinar el grosor de su base, lo cual es crucial. Cuando la potencia es alta (superior a 1 kilovatio), el grosor de la base debe ser superior a 12-15 mm. A continuación, es igualmente importante optimizar el grosor, la altura y la cantidad de aletas. Por ejemplo, si la longitud de las aletas supera los 300 mm, teóricamente es recomendable dividirlas por la mitad. Esto crea un flujo de aire turbulento, mejorando así la eficiencia de disipación térmica. Otro aspecto clave es optimizar el conducto de aire: reducir la resistencia del viento en su interior y evitar cortocircuitos en el flujo de aire (como la formación de remolinos) que desperdiciarían una cantidad significativa de volumen de aire. Además, el tamaño y la posición de las aberturas de entrada y salida son importantes, especialmente a nivel del sistema. Una abertura bien diseñada permite que el flujo de aire fluya eficientemente, lo que ayuda a mantener una temperatura adecuada en todo el sistema. Sin embargo, el tamaño de la apertura también debe considerar otros factores ambientales, como la prevención del polvo, lo que lo convierte en un proceso de diseño complejo.

¿Cómo optimizar una placa refrigerada por líquido durante el diseño térmico?

Al optimizar y simular el diseño de una placa de refrigeración líquida, generalmente es necesario considerar todo el sistema de refrigeración, incluyendo el refrigerante, el medio, la placa y la bomba de agua. El primer parámetro consiste en seleccionar el refrigerante adecuado. Se suelen considerar opciones como etilenglicol mezclado con agua, propilenglicol mezclado con agua, etanol mezclado con agua, metales líquidos o agua pura. La elección del refrigerante es crucial para todo el sistema de circulación. Estructuralmente, se deben considerar los requisitos de rendimiento del intercambio de calor. Es decir, bajo las condiciones establecidas de caudal y diferencia de temperatura entre la entrada y la salida, se busca mejorar la eficiencia del intercambio de calor. Además, se deben considerar los requisitos de resistencia a la presión y resistencia estructural de la superficie de la placa. Durante el proceso de diseño, se debe optimizar el espesor de la placa. También se deben considerar otros factores como los requisitos anticorrosivos y antifugas. Durante el diseño térmico, se debe considerar el diseño de la cubierta y las caras superiores e inferiores de la placa. Si se utiliza una tira de sellado, se debe considerar su resistencia; si se utiliza soldadura, se debe evaluar la dificultad real del procesamiento. Finalmente, se debe desarrollar un esquema de diseño razonable y adoptar procesos de producción óptimos para reducir costos. Todos estos factores deben considerarse en el diseño térmico.

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