Considerazioni per la realizzazione di una piastra fredda specifica per la tua applicazione
Un requisito di prestazioni estreme si verifica quando le prestazioni specificate non possono essere applicate uniformemente su tutta la piastra fredda o la caduta di pressione e / o il costo di una piastra fredda conforme sarebbero troppo elevati. La mappa termica, o distribuzione dei carichi termici, può avere una o più aree con carichi termici elevati. In caso di requisiti di calo della pressione, uniformità della temperatura superficiale della piastra di raffreddamento, requisiti speciali di forma o di interfaccia, oppure limitazioni di costo che impediscono la realizzazione di un design standard della piastra di raffreddamento, un prodotto personalizzato è la soluzione migliore. Understanding cold plate technologies, thermal specifications, and the steps involved in the design process will help to optimize the custom cold plate design so it provides a great blend of value and performance.Tecnologie per piastre di raffreddamento
I requisiti di prestazione in genere impongono la scelta della tecnologia e del design per le piastre di raffreddamento, e tale tecnologia determinerà il costo delle piastre. In genere, il costo della piastra di raffreddamento aumenta con l'aumentare delle relative prestazioni. Le tecnologie per piastre di raffreddamento comprendono Press-Lock™ intubato, Hi-Contact ™, perforatura a pistola con o senza tubi espansi, scanalati e brasati con aletta interna. Queste tecnologie sono elencate nell'ordine di quello che in genere aumenta l'efficienza e il costo delle piastre di raffreddamento:Piastre di raffreddamento a tubo Press-Lock™
Queste piastre sono dotate di tubi in rame o acciaio inossidabile pressati in un'estrusione scanalata in allumininio (V. fig. 2). Le piastre di raffreddamento a tubo personalizzate possono essere progettate in quasi tutte le forme o dimensioni e il percorso del fluido può essere progettato su misura per ottenere prestazioni termiche ottimali. È inoltre possibile aggiungere rivestimenti personalizzati, lavorazioni meccaniche, forature e maschiature.
Curve di prestazione normalizzate
Piastre di raffreddamento a liquido Hi-Contact™ - Si tratta di una piastra con struttura tubolare pressata brevettata per garantire un efficiente trasferimento del calore. Questa tecnologia ottimizza l'area di contatto che i tubi hanno con la superficie di raffreddamento per permettere il miglior trasferimento del calore nel liquido. La struttura Hi-Contact™ riduce al minimo lo spessore termico della linea legante epossidica che consente di trasferire una maggiore quantità di calore dalla piastra di alluminio nel tubo. I tubi sono disponibili in rame, alluminio e acciaio inossidabile che possono essere personalizzati per vari percorsi di fluidi e diametri a seconda dell'applicazione.Note
Questo tipo di piastra è realizzato forando la piastra di alluminio e, ove possibile, inserendo ed espandendo un tubo di rame o acciaio inossidabile. In questo modo si ottengono piastre di raffreddamento a doppio lato che possono essere forate o maschiate. Un ulteriore vantaggio delle piastre di raffreddamento perforate a pistola è che possono avere tolleranze più strette rispetto alle piastre con tubi, in particolare per i requisiti di planarità (Fig. 3).
Piastre di raffreddamento scanalate
Si tratta di estrusioni con multi-scanalatura, scanalature lavorate o altri metodi di formatura delle scanalature. Le estrusioni possono produrre solo scanalature rettilinee, ma la lavorazione e altri nuovi metodi di taglio del metallo permettono di ottenere una forma molto più efficiente. Le piastre di raffreddamento scanalate possono essere realizzate in qualsiasi lunghezza e assemblate in una configurazione a scala o integrate in una piastra di base per il raffreddamento di grandi superfici (Fig. 4). Il rivestimento può essere di conversione o anodizzato per una maggiore protezione. Sono stati sviluppati diversi modelli per diversi campi di impedenza, perdita di carico e flusso richiesti (Fig. 5).Piastre di raffreddamento con aletta interna brasata
Consiste di due piastre legate metallurgicamente con aletta interna. Possono essere brasati sottovuoto con una varietà di densità e forme delle alette (semplici, a feritoia, lanced-offset, ecc.). Questa aletta interna, come l'aletta all'interno della piastra fredda CP30, aggiunge una preziosa superficie di trasferimento del calore e aggiunge turbolenza al flusso. Le piastre di raffreddamento brasate hanno generalmente la massima flessibilità con il loro design. (Vedere la Figura 6.)
Considerazioni fondamentali sulla gestione termica nella progettazione di piastre di raffreddamento a liquido
Specifiche termiche delle piastre di raffreddamento
Oltre a quattro tipi di tecnologia per piastre di raffreddamento, ci sono quattro scenari di requisii termici, che sono elencati di seguito:
- Flusso di calore uniforme, portata fissa, 1 Massimo calo della pressione, 1 Massima temperatura della superficie - Con lo scenario termico 1, c'è un flusso uniforme di calore in ingresso, una portata fissa, una perdita di carico massima specificata che è limitata ad una portata fissa, ed una temperatura superficiale massima specificata dove la temperatura superficiale non deve essere uniforme.
- Come 1, ma senza flusso di calore uniforme - Lo scenario termico 2 ha le stesse specifiche del precedente ma il carico di calore varia invece di essere uniforme. I carichi termici sono concentrati in più posizioni sotto componenti o sotto aree specifiche
- Come 1, ma la temperatura massima della superficie varia - Lo scenario termico 3 ha le stesse specifiche del numero 1, ma con temperature massime della superficie stabilite che variano nella piastra di raffreddamento, solitamente a livello dei singoli componenti.
- Come 1, 2, o 3, ma è richiesta l'uniformità della temperatura della superficie - Nello scenario 4, le specifiche termiche possono essere uguali a quelle dello scenario 1, 2 o 3, ma con l'ulteriore requisito che la temperatura massima della superficie deve essere uniforme nell'intera piastra di raffreddamento o sotto specifici componenti. Ad esempio, se ci sono due tipi di componenti montati sulla piastra di raffreddamento, ogni tipo di componente può richiedere l'uniformità di temperatura dei componenti comuni, ma i due tipi possono avere temperature massime di superficie diverse.
Le tipologie 2 e 3 sono quelle che si incontrano più comunemente nella progettazione di piastre personalizzate. I casi da 1 a 4 sono elencati in ordine crescente di complessità e di costo.
Quando si progettano piastre di raffreddamento personalizzate in base a qualsiasi specifica, le fasi che la maggior parte degli esperti termici seguono sono la definizione della mappa termica, la generazione del concetto di circolazione del liquido, il calcolo dell'aumento della temperatura e del calo della pressione e, se necessario, il reindirizzamento del circuito del liquido.
Definizione della mappa termica
Con diversi possibili scenari termici, il primo passo nella progettazione personalizzata delle piastre di raffreddamento è quello di definire il dettaglio della mappa termica. Per creare una mappa termica, un ingegnere ha bisogno delle dimensioni, delle posizioni e dei carichi termici dei componenti da raffreddare. Sono necessarie anche le temperature massime consentite della superficie della piastra di raffreddamento, la composizione del refrigerante, la sua portata e la temperatura di ingresso, oltre al calo della pressione disponibile. Inoltre, se necessario, il flusso di calore deve essere calcolato per ogni componente che comprende la diffusione termica.
Considerazioni fondamentali sulla gestione termica nella progettazione di piastre di raffreddamento a liquido
Generazione del concetto di circolazione del liquido
Il passo successivo è quello di generare la prima ripetizione su un concetto di circuito liquido. Il circuito liquido deve fornire le prestazioni richieste per raffreddare il componente con il più alto flusso di calore e ogni componente dopo di esso sul circuito liquido. Inoltre, deve farlo con la portata specificata e con un calo di pressione accettabile. Talvolta è possibile utilizzare tecniche quali larghezze irregolari di passaggi in serie di liquidi, diverse densità delle alette sotto i singoli componenti e diverse altezze e tipi di alette per soddisfare le esigenze di prestazioni e calo di pressione. La geometria e l'altezza dell'aletta determinano l'"efficienza dell'aletta", o quanto correttamente questa trasferisce il calore al liquido.
A volte la forma dei componenti ad alto flusso di calore (ad esempio, un'ampia impronta circolare) richiede un cambiamento rispetto alla naturale distribuzione uniforme del flusso sulla larghezza del passaggio al fine di forzare la mancata uniformità, che può essere ottenuta utilizzando alette di diverse lunghezze o diverse densità sulla larghezza del passaggio. Prima del componente successivo, si dovrebbero progettare alcune vasche di equalizzazione dei liquidi (cioè - vasche di miscelazione). Un'altra sfida per la distribuzione dei fluidi è la necessità di isole nel percorso dei fluidi per il montaggio dei componenti. Qualsiasi complicazione sopra indicata può aumentare il costo della piastra di raffreddamento a causa del numero aggiuntivo di alette, delle profondità multiple in una cavità, degli allestimenti di attrezzature per la formatura di alette multiple e della necessità di taglio a macchina.
Calcolo della temperatura e del calo della pressione (fase dettagliata del progetto)
Dopo aver delineato il concetto di circuito liquido, è necessario verificare la mappa termica calcolando la temperatura massima della superficie sotto ogni componente e calcolando il calo totale della pressione. Tutte le aree termiche critiche devono essere modellate. Se uno qualsiasi dei requisiti non è soddisfatto, è necessario rielaborare i circuiti del liquido e ripetere i calcoli.
Reindirizzamento del circuito del liquido
Se la piastra di raffreddamento richiede una temperatura della superficie massima variabile (come nello scenario termico 3) e la normale circuitazione del liquido non soddisfa le specifiche, il circuito del liquido deve essere reindirizzato per fornire prima il liquido più freddo ai dispositivi critici o per bypassare parte del liquido direttamente a questi componenti.
Uniformità della temperatura
Se i requisiti della piastra di raffreddamento specificano le massime temperature della superficie e l'uniformità della temperatura come nello scenario termico 4, la progettazione è ancora più complessa. La soluzione più semplice per garantire l'uniformità delle temperature massime superficiali di componenti identici è quella di posizionare i componenti su punti simili di passaggi di liquidi paralleli simili. Il risultato dovrebbe essere un circuito che fornisce a questi componenti un liquido con una temperatura comune ad una portata sufficiente. Un'altra tecnica che viene utilizzata per fornire una temperatura più uniforme su tutta la piastra di raffreddamento è quella di utilizzare una disposizione a controcorrente (Fig. 2). In una serie di canali paralleli, su una superficie o su entrambi i lati della piastra, ogni secondo canale ha un flusso in direzione opposta. Nel caso di una piastra di raffreddamento a un lato caricata o molto sottile, questa scelta può ridurre significativamente il gradiente di temperatura della superficie. Un effetto simile può essere ottenuto organizzando due strati separati di liquido.
Riduzione della complessità e dei costi
Alcuni requisiti termici o meccanici possono forzare un passaggio illogico del circuito del liquido, con il risultato di una maggiore complessità e di una piastra di raffreddamento più costosa. Ad esempio, spesso le applicazioni hanno le posizioni dei fori di montaggio predeterminate intorno a cui deve passare il circuito del liquido e/o i componenti e le posizioni di ingresso e di uscita del fluido che sono fisse, limitando quindi significativamente le opzioni per il circuito del liquido. In generale, più flessibile è il design, più facile sarà progettare la piastra di raffreddamento e più elevato sarà il risparmio. Lavorando a stretto contatto con un progettista di circuiti stampati o un ingegnere elettrico, l'ingegnere termico può fornire suggerimenti sulla spaziatura e sul posizionamento dei componenti per garantire che siano progettati tenendo conto dei requisiti elettrici e termici. Questo può semplificare notevolmente la progettazione delle piastre di raffreddamento e ridurre i costi. Per ulteriori informazioni sui costi delle piastre di raffreddamento, consultare la nostra nota applicativa "Cold Plate Manufacturing Cost Drivers".
È importante comprendere le varie tecniche di progettazione che consentono una soluzione personalizzata di piastre di raffreddamento per soddisfare i requisiti termici e meccanici più impegnativi. L'ingegneria specializzata è fondamentale per gestire le migliaia di modifiche di un design personalizzato della piastra di raffreddamento. Flexibility with the location of inlets and outlets, proper fluid circuit routing, and the use of fin or channels can help to create a thermal solution that provides great value for the application. Man mano che i carichi termici diventano sempre più concentrati e lo spazio destinato al raffreddamento diventa sempre più piccolo, le piastre di raffreddamento personalizzate saranno sempre più utilizzate per soddisfare le richieste di raffreddamento a liquido delle applicazioni. Aavid, la divisione di gestione termica di Boyd Corporation, ha decenni di esperienza nella progettazione e produzione di piastre di raffreddamento personalizzate per circuiti stampati e altri componenti elettronici e per garantire che gli elevati requisiti di prestazioni termiche e i limiti di costo siano soddisfatti o superati.
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