So entwerfen Sie eine Flüssigkeitskühlplatte für ein Hochleistungskühlsystem

17. September 8
2:56 Uhr

Wie entwirft man eine Flüssigkeitskühlplatte?

1、 Designanforderungen klar definieren
Vor der Entwicklung einer flüssigkeitsgekühlten Platte müssen Anwendungsszenarien und spezifische Anforderungen geklärt werden. Beispielsweise ist es bei der Entwicklung einer flüssigkeitsgekühlten Platte zur Wärmeableitung elektronischer Chips wichtig, den Stromverbrauch des Chips, die Wärmeentwicklung, die Betriebsumgebungstemperatur, die maximal zulässige Betriebstemperatur für die Chip-Verbindungstemperatur, die Zusammensetzung des Kühlmittels, die Zulauftemperatur des Kühlmittels, die Durchflussrate des Kühlmittels und weitere Parameter zu kennen. Bei der Wärmeableitung von Batterien für Elektrofahrzeuge sind der Aufbau des Batteriepacks, die Wärmeentwicklung beim Laden und Entladen sowie der Betriebstemperaturbereich zu berücksichtigen. Darüber hinaus sind Faktoren wie Bauraumbeschränkungen, Kostenbudget, Zuverlässigkeit des Produktionsprozesses usw. zu berücksichtigen. flüssigkeitsgekühlte Plattes und Kompatibilität mit anderen Systemen. Dieser Artikel befasst sich mit der Herstellung und Verarbeitung von Strömungskanälen auf Basis integrierter Kühlplatten. Das Designschema für den Prozess des Hinzufügens Rohr aus Kupfer und Aluminiumplattes wird in Zukunft erneut besprochen. Wie gestaltet man also eine Flüssigkeitskühlplatte?

2. Wählen Sie geeignete Materialien
Die Aluminiumlegierung 6063 oder 6061 ist aufgrund ihrer geringen Dichte, guten Wärmeleitfähigkeit (reines Aluminium hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 237 W/(m·K), während Aluminiumlegierungen je nach Zusammensetzung eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 180 und 230 W/(m·K) aufweisen), mäßigen Festigkeit, einfachen Verarbeitbarkeit und Formbarkeit sowie relativ geringen Kosten ein häufig verwendetes Metallmaterial für flüssigkeitsgekühlte Platten. Die Wärmeleitfähigkeit von im Druckgussverfahren hergestelltem Aluminium ADC12 beträgt 90–110 W/(m·K), was sich durch einfache Verarbeitung und geringe Kosten auszeichnet. Kupfermaterial hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit (mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 401 W/(m·K)), hat aber eine höhere Dichte und ist teurer. Es kann ausgewählt werden, wenn die Anforderungen an die Wärmeableitung extrem hoch sind und Platz und Kosten dies zulassen.

3. Entwurf der Strömungskanalstruktur
(1) Strömungskanalform
Gängige Formen von Strömungskanälen sind Parallelkanäle, Serpentinenkanäle und Gabelkanäle. Parallele Strömungskanäle haben eine einfache Struktur und einen relativ geringen Strömungswiderstand, wodurch sie sich für Wärmequellen mit einer relativ gleichmäßigen Verteilung der Wärmestromdichte eignen. Serpentinenkanäle können die Verweilzeit von Flüssigkeiten in flüssigkeitsgekühlten Platten verlängern und die Wärmeübertragungseffizienz verbessern, weisen jedoch einen höheren Strömungswiderstand auf. Gabelfingerkanäle können Flüssigkeit gleichmäßiger auf verschiedene Bereiche verteilen und haben eine bessere Wärmeableitungswirkung bei ungleichmäßig verteilten Wärmequellen.
(2) Kanalgröße
Breite, Höhe und Abstand der Strömungskanäle haben einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeableitungsleistung der Flüssigkeitskühlplatte. Eine kleinere Kanalgröße kann die Kontaktfläche zwischen Flüssigkeit und Kanalwand vergrößern und so die Wärmeübertragungseffizienz verbessern, erhöht jedoch den Strömungswiderstand und den Pumpenstromverbrauch. Im Allgemeinen kann die Breite der Strömungskanäle zwischen 6 und 15 mm, die Höhe zwischen 2 und 10 mm gewählt werden, und der Abstand zwischen den Strömungskanälen wird entsprechend den tatsächlichen Anforderungen und Herstellungsprozessen bestimmt. Für Chips mit hoher Leistungsdichte, die eine kleine lokale Kontaktfläche, aber eine hohe Wärmeübertragung in flüssigkeitsgekühlten Platten erfordern, ist ein Mikrokanaldesign für die lokalen Strömungskanäle erforderlich. Beispielsweise hat der GB200-GPU-Chip von Nvidia eine Kontaktfläche von etwa 50 x 50 mm, und seine flüssigkeitsgekühlten Strömungskanäle benötigen hochdichte Kupferlamellen für den Wärmeaustausch.

4. Thermische Analyse und Simulationsoptimierung
Verwenden Sie professionelle Wärmeanalysesoftware wie ANSYS Fluent, um numerische Simulationen der entworfenen Flüssigkeitskühlplatte durchzuführen. Geben Sie die Wärmebelastung der Wärmequelle, die physikalischen Parameter der Flüssigkeit (wie Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit usw.) und die Strömungsrandbedingungen (wie Durchflussrate, Strömungsgeschwindigkeit usw.) ein und simulieren Sie die Temperaturverteilung und die Strömungseigenschaften der Flüssigkeit in der Flüssigkeitskühlplatte. Durch Simulationsanalysen können Probleme wie Hotspots und ungleichmäßige Strömung im Design identifiziert und die Struktur der Flüssigkeitskühlplatte optimiert werden, z. B. durch Anpassen der Form des Strömungskanals und Ändern der Position von Ein- und Auslass, um eine bessere Wärmeableitung zu erzielen.

5. Auswahl des Herstellungsprozesses
(1) Löten von Flüssigkeitskühlplatten
Für flüssigkeitsgekühlte Platten aus Aluminiumlegierungen ist Löten ein gängiges Herstellungsverfahren. Durch Einbringen von Lötmaterial zwischen die Bleche und Aufschmelzen bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck werden die Bleche zu einer Strömungskanalstruktur verbunden. Vakuumlöten kann die Schweißqualität sicherstellen und Defekte wie Oxidation und Porosität reduzieren. Die Materialien für das Vakuumlöten werden im Allgemeinen in zwei Typen unterteilt: Vollaluminium und Vollkupfer.
Aluminium-Silizium-basierte Lötmaterialien (wie AlSi-Legierungen mit einem Schmelzpunkt von ca. 577–615 °C) werden üblicherweise für das Vakuumlöten von Aluminium verwendet. Die Löttemperatur liegt üblicherweise bei 580–620 °C und damit etwas über dem Schmelzpunkt der Lötmaterialien. Da das Verfahren im Vakuum durchgeführt wird, ist kein zusätzliches Schutzgas erforderlich. Vakuum verhindert die Oxidation von Aluminium und fördert gleichzeitig die Lotbenetzung und Diffusionsbindung.
Für alle Kupfer-Vakuumlötvorgänge werden üblicherweise Kupfer-Phosphor- oder Kupfer-Silber-Lötmaterialien verwendet (z. B. Cu-P-Legierungen mit einem Schmelzpunkt von ca. 710–800 °C), und die Löttemperatur beträgt ca. 750–900 °C. Obwohl es sich um eine Vakuumumgebung handelt, wird bei einigen Prozessen hochreines Stickstoffgas (Reinheit ≥ 99.99 %) als Schutzgas eingesetzt, um die Kupferoxidation weiter zu unterdrücken und die Zuverlässigkeit des Schweißens zu gewährleisten.

2) Reibrührschweißen
Rührreibschweißen ist ein Festkörperverbindungsverfahren, bei dem sich der Rührkopf dreht und entlang der zu schweißenden Schnittstelle bewegt, wodurch eine plastische Verformung des Materials verursacht und eine Verbindung hergestellt wird. Dieses Verfahren weist eine hohe Schweißfestigkeit und eine kleine Wärmeeinflusszone auf und eignet sich daher für die Herstellung hochwertiger flüssigkeitsgekühlter Platten. Beim Rührreibschweißen wird durch die Rotation des Rührkopfs Wärme erzeugt, um das Material zu plastifizieren. Die Plastifizierungstemperatur von Aluminiumlegierungen liegt üblicherweise zwischen 300 und 500 °C. Der Schweißdruck beträgt üblicherweise 10 bis 50 kN und steigt mit zunehmender Materialdicke. Die Rührkopfgeschwindigkeit liegt meist bei 800 bis 3000 U/min und die Schweißgeschwindigkeit bei 0.5 bis 5 mm/s. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Festphasenverbindung ohne Schmelzfehler, die sich zum effizienten Verbinden von Nichteisenmetallen wie Aluminium und Kupfer eignet.

6. Leistungstests und Validierung
Nach der Herstellung des Musters der flüssigkeitsgekühlten Platte sind Leistungstests erforderlich. Verwenden Sie Temperatursensoren, um die Temperatur an verschiedenen Stellen zu messen, und überwachen Sie Flüssigkeitsfluss und Druckabfall mithilfe von Durchflussmessern und Drucksensoren. Vergleichen Sie die Testergebnisse mit den Konstruktionsanforderungen, um zu beurteilen, ob Wärmeableitungsleistung und Strömungswiderstand der flüssigkeitsgekühlten Platte den Anforderungen entsprechen. Falls nicht, analysieren Sie die Gründe und verbessern Sie den Konstruktions- und Herstellungsprozess weiter. Die Konstruktion einer flüssigkeitsgekühlten Platte erfordert eine umfassende Berücksichtigung mehrerer Aspekte wie Anforderungen, Materialien, Strömungskanalstruktur, thermische Analyse, Herstellungsprozess und Leistungstests. Durch kontinuierliche Optimierung und Überprüfung können hochwertige flüssigkeitsgekühlte Platten hergestellt werden, die den praktischen Anwendungsanforderungen entsprechen.

Entwurfs- und Bemaßungsschema einer Flüssigkeitskühlplatte für eine 1-kW-Wärmequelle (theoretischer Berechnungsfall)

I. Kernparameter und Designziele

• Wärmeleistungsaufnahme: Die Nennwärmeleistung der Wärmequelle Q = 1000 W (kontinuierliche und stabile Wärmeableitung ist erforderlich).

• Temperaturanforderungen: Die maximale Oberflächentemperatur der Wärmequelle T_s 85 °C, die Einlasstemperatur der Kühlflüssigkeit T_in = 35 °C und die zulässige Temperaturdifferenz Delta T = T_s – T_in = 50 °C.

• Kühlflüssigkeit: 50 %ige wässrige Ethylenglykollösung mit den Parametern: Wärmeleitfähigkeit k_f = 0.45 W/(m·K), dynamische Viskosität _mu = 0.002 Pa·s, spezifische Wärmekapazität c_p = 3600 J/(kg·K) und Dichte \rho = 1050 kg/m³.

II. Theoretische Berechnung der Schlüsselparameter

1. Berechnung der Kühlmitteldurchflussrate

Basierend auf der Wärmebilanzgleichung Q = \rho q_v c_p \Delta T_{fluid} und unter der Annahme, dass die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass der Kühlflüssigkeit \Delta T_{fluid} = 10℃ beträgt (um eine lokale Überhitzung zu vermeiden), beträgt die erforderliche Durchflussrate:

2. Gestaltung von Strömungskanälen und Strömungsgeschwindigkeit

Zur Reduzierung des Widerstands werden mehrere parallele Strömungskanäle verwendet. Die Größe eines einzelnen Strömungskanals beträgt: Breite b = 5 mm = 0.005 m, Höhe h = 4 mm = 0.004 m. Der hydraulische Durchmesser beträgt:

3. Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten und der Fläche

III. Maßschema der Flüssigkeitskühlplatte

1. Entwurf der Umrissdimensionen

Entsprechend dem Bedarf an Wärmeübertragungsfläche wird ein rechteckiger Grundriss gewählt:

•Länge: 150 mm, Breite: 120 mm (Gesamtfläche 150 × 120 = 18000 mm² = 0.018 m², wobei die Strömungskanalfläche etwa 80 % ausmacht, beträgt die effektive Wärmeübertragungsfläche 0.0144 m², die durch eine Vergrößerung der Strömungskanallänge ergänzt werden muss).

•Dicke: 15 mm (einschließlich 4 mm für die Höhe des Strömungskanals und jeweils 5.5 mm für die oberen und unteren Substrate, um die strukturelle Festigkeit zu gewährleisten).

2. Optimierung der Strömungskanalanordnung

Die Gesamtlänge der Strömungskanäle beträgt L = \frac{A_{effective}}{n×w} = \frac{0.0286}{8×0.005} ≈ 0.715 m. Es wird ein Design in „U-Form + 8 parallele Strömungskanäle“ verwendet, wobei jeder Strömungskanal etwa 90 mm lang und 2 mm breit ist, um eine gleichmäßige Abdeckung der Wärmequelle durch das Fluid zu gewährleisten.

IV. Überprüfung und Anpassung

Gemäß dieser Abmessung zeigt die Simulationsüberprüfung, dass bei einer Durchflussrate von 15.9 l/min der konvektive Wärmeübertragungswiderstand etwa 0.05 °C/W beträgt, die Oberflächentemperatur der Wärmequelle stabil bei 80 °C liegt und der Druckabfall ≤ 0.2 MPa beträgt, wodurch die Wärmeableitungsanforderung von 1 kW erfüllt wird. Bei begrenztem Platz kann die Breite auf 100 mm reduziert und die Länge auf 180 mm erhöht werden, um die gesamte Wärmeübertragungsfläche unverändert zu lassen.