В мире мощной электроники, от модулей IGBT в электромобилях до процессоров, питающих огромные центры обработки данных, управление теплом больше не является второстепенной задачей — это основная задача проектирования. По мере увеличения удельной мощности традиционные решения воздушного охлаждения часто достигают своих физических пределов. Именно здесь жидкостное охлаждение, холодная пластина становится превосходной технологией управления температурным режимом. Являясь лидером в разработке и производстве комплексных тепловых решений, компания Winshare Thermal готова развеять загадку этого важнейшего компонента.
В этой статье будут рассмотрены фундаментальные принципы, лежащие в основе охлаждающей пластины, ее конструкция, критические факторы в ее конструкции и то, почему она стала идеальным решением для самых требовательных тепловых приложений.
Что именно представляет собой жидкостную холодную пластину?
По своей сути жидкостная холодная пластина представляет собой теплообменник, передающий тепловую энергию от теплогенерирующего устройства непосредственно к протекающей внутри него жидкости. Думайте об этом как о критической первой точке контакта в контуре жидкостного охлаждения. В то время как радиатор с воздушным охлаждением рассеивает тепло в окружающий воздух, холодная пластина поглощает это тепло и эффективно передает его хладагенту, например водно-гликолевой смеси.
Эта нагретая жидкость затем перекачивается от чувствительной электроники к удаленному теплообменнику (например, радиатору), где ее можно охладить перед рециркуляцией. Этот процесс позволяет управлять гораздо более высокими тепловыми нагрузками более компактным и контролируемым образом. Сама холодная пластина представляет собой тщательно спроектированный блок из теплопроводного материала, такого как алюминий или медь, с внутренними каналами или трубками, предназначенными для увеличения площади поверхности, контактирующей с охлаждающей жидкостью.
Как холодная плита передает тепловую энергию?
Работа холодной пластины — это мастерское применение двух основных принципов термодинамики: проводимости и конвекции. Этот процесс представляет собой бесшовный непрерывный цикл, предназначенный для максимальной эффективности.
• Шаг 1: Проводимость. Путешествие тепла начинается с источника — процессора, IGBT, лазерного диода или любого другого силового компонента. Это тепло сначала должно быть передано от устройства в корпус охлаждающей пластины. Это достигается путем установки компонента непосредственно на поверхность охлаждающей пластины. Качество этого соединения имеет первостепенное значение, поэтому высокоэффективный термоинтерфейсный материал (TIM) . между двумя поверхностями применяется TIM заполняет микроскопические воздушные зазоры, сводя к минимуму тепловое сопротивление и обеспечивая эффективный проводящий путь.
• Шаг 2: Конвекция. Как только тепло насыщает проводящее основание, насос циркулирует жидкий хладагент через внутреннюю структуру. Когда жидкость течет, она поглощает тепло посредством конвекции. Для чипов с высоким тепловым потоком, таких как CPU/GPU/IGBT, Winshare использует запатентованную многоуровневую микроканальную конструкцию + систему повышения турбулентности . Эта усовершенствованная внутренняя геометрия намеренно создает оптимальную турбулентность жидкости для разрушения тепловых пограничных слоев, резко снижая тепловое сопротивление и «смывая» тепло гораздо эффективнее, чем стандартные конструкции каналов.
• Шаг 3: Транспорт. Теплая охлаждающая жидкость выходит из холодной пластины и транспортируется по трубкам к радиатору или другому теплообменнику, где она передает свою тепловую нагрузку в окружающую среду, готовая начать цикл заново.
Какая конструкция холодильной плиты подойдет вашим потребностям?
Не все холодные плиты одинаковы. Метод производства и внутренняя структура выбираются на основе требований к производительности конкретного приложения, целевых затрат и механических ограничений. В Winshare Thermal мы используем наши обширные производственные возможности, чтобы найти оптимальное решение для каждой задачи.
|
Тип конструкции |
Описание |
Преимущества |
Встроенный в трубку |
Трубы из меди или нержавеющей стали впрессовываются в канал внутри алюминиевой или медной опорной пластины. Затем канал заполняется проводящей эпоксидной смолой. |
Экономичный, надежный, подходит для нестандартной планировки и больших площадей. |
Промышленные источники питания, медицинское оборудование, устройства с умеренным тепловым потоком. |
Глубоко просверленный |
Твердый металлический блок (обычно алюминий) имеет сложные пересекающиеся каналы, просверленные непосредственно в нем, чтобы создать путь для потока жидкости. |
Герметичная монолитная конструкция, выдерживает высокое давление. |
Защищенная электроника, военное и аэрокосмическое применение, высоконадежные системы. |
Обработанный канал (паяный или FSW) |
Опорная пластина имеет сложные каналы и внутренние ребра. Затем сверху герметизируют крышку с помощью пайки или сварки трением с перемешиванием (FSW). |
Высочайшие тепловые характеристики позволяют использовать сложные микроканалы и ребристые структуры для увеличения площади поверхности. |
Высокопроизводительные вычисления (HPC), процессоры центров обработки данных, инверторы для электромобилей, мощные лазеры. |
Литье под давлением |
Холодная пластина и ее внутренние каналы изготовлены методом литья под высоким давлением. |
Идеально подходит для крупносерийного производства, низкой себестоимости единицы продукции и сложной внешней геометрии. |
Автомобильная электроника, потребительские устройства массового производства. |
Каковы решающие факторы при разработке эффективной охлаждающей пластины?
Создание по-настоящему эффективной охлаждающей пластины — это наука, которая сочетает в себе тепловые характеристики с механическими и гидравлическими соображениями. Наша команда инженеров использует передовые инструменты, такие как моделирование CFD (вычислительная гидродинамика), для оптимизации каждого аспекта конструкции.
• Выбор материала: Выбор между медью и алюминием является первостепенным. Медь обеспечивает превосходную теплопроводность (≈400 Вт/м·К) для максимальной производительности, а алюминий обеспечивает превосходную проводимость (≈235 Вт/м·К) при гораздо меньшем весе и стоимости. Выбор часто зависит от теплового потока и требований к общему весу системы.
• Внутренняя геометрия ребер: конструкция внутри охлаждающей пластины обеспечивает выигрыш или потерю производительности. Встраивая внутренние ребра или микроканалы, мы значительно увеличиваем площадь поверхности, доступную для конвективной теплопередачи. Плотность, высота и форма этих ребер тщательно моделируются, чтобы максимизировать тепловые характеристики без чрезмерного падения давления.
• Конструкция пути потока. Расположение внутренних каналов определяет, как охлаждающая жидкость течет через источник тепла. Хорошо спроектированный путь гарантирует сохранение скорости охлаждающей жидкости и отсутствие «горячих точек», где поток застаивается. В конструкции необходимо сбалансировать однородность температуры и перепад давления, поскольку более высокий перепад давления требует более мощного и более энергоемкого насоса.
• Материал термоинтерфейса (TIM): Как упоминалось ранее, TIM является важным, но часто упускаемым из виду компонентом. Даже самая плоская поверхность имеет микроскопические дефекты. Высококачественный термопаста, будь то термопаста или прокладка, необходима для устранения этого зазора и обеспечения непрерывного теплового пути от компонента к охлаждаемой пластине.
Когда следует выбирать холодную плиту вместо воздушного охлаждения?
Хотя воздушное охлаждение эффективно для многих применений, существуют четкие индикаторы, когда переход к жидкостному охлаждению с помощью охлаждающей пластины необходим и выгоден:
• Высокий тепловой поток: когда тепло, выделяемое на единицу площади (Вт/см⊃2;), слишком велико для эффективного рассеивания радиатора с воздушным охлаждением.
• Ограничения по пространству. Компактная охлаждающая пластина может справиться с тепловой нагрузкой, которая потребует массивного и зачастую непрактичного радиатора с воздушным охлаждением и узла вентилятора.
• Дистанционное рассеивание тепла: когда тепло необходимо отвести от электроники и отвести в другое место, например, в герметичный корпус или плотно упакованную серверную стойку.
• Снижение акустического шума. Системы жидкостного охлаждения с их медленно вращающимися вентиляторами радиатора работают значительно тише, чем высокоскоростные вентиляторы, необходимые для эквивалентного воздушного охлаждения.
• Равномерность температуры: Холодные пластины могут обеспечить более стабильную и равномерную температуру на большой поверхности или нескольких компонентах, что имеет решающее значение для производительности и долговечности.
Как обеспечить оптимальные тепловые характеристики?
Понимание того, как работает холодная плита, — это первый шаг. Следующим шагом является внедрение решения, идеально адаптированного к уникальным требованиям вашего приложения. Разработка эффективной системы управления температурным режимом — это многогранная задача, включающая гидродинамику, материаловедение и передовое производство.
В Winshare Thermal мы предоставляем возможности интеграции на уровне системы: от теплового моделирования (CFD) до производства компонентов и окончательной интеграции системы, весь наш процесс является автономным и контролируемым. Имея 12-летний опыт специализированного производства жидкостного охлаждения, мы не просто поставщик компонентов; мы ваш стратегический партнер в области тепловых технологий.
Сталкиваетесь ли вы с узкими тепловыми местами в своем следующем проекте искусственного интеллекта, центра обработки данных или электромобилей? [Свяжитесь с Winshare Engineering Today ] для бесплатной оценки DFM (Проектирование для технологичности) и разработки индивидуальной конструкции охлаждающей пластины.
