Технологии производства холодных пластин и основные проблемы.

По мере развития мощной электроники в таких отраслях, как центры обработки данных, электромобили, системы хранения энергии и высокопроизводительные вычисления, управление тепловыми процессами стало критически важным фактором надежности и эффективности системы. Традиционные решения для воздушного охлаждения все чаще оказываются недостаточными для современных применений с высокими тепловыми потоками. В результате жидкостная охлаждающая пластина, также известная как радиатор с жидкостным охлаждением, стала ключевым компонентом современных систем охлаждения с использованием охлаждающих пластин.

В данной статье представлен всесторонний обзор технологии жидкостного охлаждения пластин, охватывающий принципы работы, типичные типы охлаждающих пластин, проблемы производства и передовые процессы соединения. Цель статьи – помочь инженерам и лицам, принимающим решения, лучше понять решения по жидкостному охлаждению с использованием охлаждающих пластин и выбрать наиболее подходящий подход для своих задач.

1. Что такое жидкостная охлаждающая пластина?

Жидкостная охлаждающая пластина (также называемая пластиной с жидкостным охлаждением или пластиной с водяным охлаждением) — это устройство для отвода тепла от мощных компонентов путем циркуляции охлаждающей жидкости по внутренним каналам.

Основной принцип работы системы охлаждения с помощью холодной пластины заключается в следующем:

1. Тепло выделяется электронными компонентами, такими как процессоры, видеокарты, силовые модули или батареи.

2. Тепло от устройства передается на радиатор с холодной пластиной посредством прямого контакта.

3. Охлаждающая жидкость циркулирует по внутренним каналам, поглощая и отводя тепло.

4. Нагретая жидкость передается во внешний теплообменник для рассеивания тепла.

По сравнению с воздушным охлаждением, пластины для водяного охлаждения обеспечивают:

• более высокая эффективность теплопередачи

• более равномерное распределение температуры

• компактная системная интеграция

• Превосходные характеристики в условиях высоких тепловых потоков

В вычислительных приложениях тот же принцип применяется в водоблоках для процессоров, системах охлаждения процессоров и видеокартах с водоблоками, где компактный водоблок напрямую охлаждает процессоры.

2. Типичные типы жидкостных охлаждающих пластин и проблемы, связанные с их использованием.

Для разных областей применения требуются разные конструкции жидкостных охлаждающих пластин. Выбор материала, конструкция внутренних каналов и методы производства напрямую влияют на производительность, стоимость и надежность.

2.1 Жидкостная охлаждающая пластина типа «трубка в пластине»

В конструкциях типа «трубка в пластине» металлические трубки встраиваются в опорную пластину для образования каналов охлаждения.

преимущества:

• простая структура

• низкая себестоимость производства

• подходит для применений с низкой и средней мощностью

проблемы:

• Ограниченная плотность каналов снижает эффективность охлаждения.

• Наличие нескольких тепловых интерфейсов повышает тепловое сопротивление.

• Сочетание медных труб и алюминиевых пластин может вызывать гальваническую коррозию.

• не подходит для высокопроизводительных систем охлаждения с холодными пластинами.

2.2 Пластина жидкостного охлаждения, просверленная с помощью пушечного сверла

Сверление с помощью пневматического пистолета создает прямые внутренние каналы внутри сплошной металлической пластины, которые затем герметизируются с концов.

преимущества:

• высокая механическая прочность

• гладкие внутренние поверхности каналов

• надежен для умеренных тепловых нагрузок

проблемы:

• Прямые каналы ограничивают гибкость проектирования.

• Изготовление пластин длиной более 500 мм с высокой точностью представляет собой сложную задачу.

• Торцевые заглушки являются потенциальными местами утечки.

• менее подходит для сложных тепловых схем

2.3 Паяная жидкостная холодная пластина

Пластина с жидкостным охлаждением, изготовленная методом пайки, создается путем механической обработки каналов для потока жидкости в опорной пластине и последующего прочного соединения с накладной пластиной посредством вакуумной пайки.

преимущества:

• позволяет создавать сложные конструкции внутренних каналов

• превосходные тепловые характеристики

• равномерное распределение температуры

• широко используется в высококачественных системах жидкостного охлаждения с пластинчатым охлаждением.

проблемы:

• требует дорогостоящих вакуумных паяльных печей

• Длительные производственные циклы (6–8 часов на партию)

• высокая чувствительность к чистоте поверхности и контролю технологического процесса.

• более высокая себестоимость производства и ограниченная гибкость

2.4 встроенная трубчатая холодная пластина

В этой конструкции изогнутые трубки прессуются, припаиваются или приклеиваются к опорной плите.

преимущества:

• Более гибкая прокладка каналов, чем у трубок поверхностного монтажа.

• Совместимо с трубами из алюминия, меди или нержавеющей стали.

проблемы:

• сложный процесс сборки

• Стабильность качества во многом зависит от мастерства исполнения.

• Паяные версии дороги и сложны в ремонте.

3. Сравнение процессов производства жидкостных охлаждающих пластин

Производительность и надежность пластины жидкостного охлаждения во многом зависят от технологии ее соединения и герметизации. Различные методы производства предлагают различные компромиссы.

3.1 Распространенные технологии соединения

3.2 Сварка трением с перемешиванием жидкостных охлаждаемых пластин

Сварка трением с перемешиванием (FSW) — это процесс соединения в твердом состоянии, при котором тепло выделяется за счет механического трения, а не за счет плавления материала.

Ключевые преимущества производства жидкостных охлаждающих пластин включают:

• не плавится, сохраняя первоначальную теплопроводность.

• Плотные, без пустот сварные швы с практически нулевым риском протечек.

• высокая механическая прочность, близкая к прочности основного материала.

• короткие циклы сварки, идеально подходят для автоматизации.

• Производственные затраты в 2–10 раз ниже, чем при пайке.

Технология fsw все чаще используется для жидкостных охлаждающих пластин OEM-производителей, жидкостных охлаждающих пластин ODM-производителей и высокопроизводительных охлаждающих пластин, изготавливаемых на заказ.

4. Сценарии применения

Жидкостные охлаждающие пластины широко используются в областях применения, требующих высокоэффективного терморегулирования, в том числе:

• центры обработки данных и серверы (блоки охлаждения процессора, лучшие решения для водяного охлаждения процессора)

• ускорители ИИ и графические процессоры с системами водоблоков

• силовая электроника электромобиля

• аккумуляторные батареи и системы хранения энергии

• телекоммуникационное оборудование и инфраструктура 5G

• промышленные источники питания и инверторы

5. Ключевые факторы при выборе жидкостной охлаждающей пластины

При выборе жидкостной охлаждающей пластины, изготовленной на заказ, следует учитывать следующие факторы:

• тепловая нагрузка и плотность теплового потока

• тип охлаждающей жидкости и рабочее давление

• условия окружающей среды

• требования к надежности и сроку службы

• Целевые показатели затрат и объемы производства

• потребности в настройке и интеграции

Сотрудничество с опытным производителем жидкостных охлаждающих пластин обеспечивает оптимальный баланс между производительностью, надежностью и стоимостью.

Жидкостная охлаждающая пластина является важнейшим компонентом современных систем жидкостного охлаждения с охлаждающей пластиной. Хотя традиционные решения, такие как конструкции с трубками внутри пластины и сверление отверстий под струйные материалы, остаются жизнеспособными для определенных применений, передовые процессы, такие как вакуумная пайка и сварка трением с перемешиванием, продвигают отрасль вперед.

Среди них пластины для жидкостного охлаждения, изготовленные методом сварки трением с перемешиванием, обеспечивают наилучший баланс следующих характеристик:

• тепловые характеристики

• механическая прочность

• безотказная надежность

• экономическая эффективность

Поскольку спрос на высокоэффективные системы охлаждения продолжает расти, изготовленные на заказ охлаждающие пластины, жидкостные охлаждающие пластины OEM-производителей и жидкостные охлаждающие пластины ODM-производителей будут играть все более важную роль в решениях для управления тепловыми процессами следующего поколения.