Процесс производства экструдированных жидкостных холодных пластин

Экструдированные жидкостные охлаждающие пластины представляют собой интегрированные компоненты системы терморегулирования, изготавливаемые методом экструзии из алюминиевых сплавов. В этих жидкостных охлаждающих пластинах для обеспечения эффективного теплообмена используются жидкие охлаждающие среды, такие как вода, смеси воды и гликоля или фторированные жидкости.

Ключевой особенностью этой технологии жидкостного охлаждения с использованием охлаждающих пластин является формирование закрытых или многокамерных внутренних каналов для потока внутри единого экструдированного алюминиевого профиля. Такая конструкция обеспечивает низкое сопротивление потоку, высокую устойчивость к давлению, компактную конструкцию и контролируемую стоимость, что делает ее широко используемой в электронике с высокой удельной мощностью, аккумуляторных батареях, жидкостном охлаждении серверов и силовой электронике.

Понимание принципа работы жидкостных охлаждающих пластин имеет решающее значение: тепло передается от источника тепла в корпус охлаждающей пластины, затем – во внутренние каналы для потока жидкости и, наконец, отводится за счет принудительной конвекции. По сравнению с трубчатыми или паяными жидкостными охлаждающими пластинами, экструдированные конструкции обеспечивают более высокую структурную целостность и снижают риск протечек.

основные технические характеристики

• one-piece extruded flow channels
  seamless internal channels formed during экструзия eliminate weld seams and reduce leakage risk compared to brazed or tubed structures.

• high thermal conductivity materials
  typically manufactured from 6061 or 6063 aluminum alloys with thermal conductivity ≥ 180 w/m·k. while copper cold plates offer higher conductivity, aluminum provides a superior balance of weight, cost, and corrosion resistance.

• customizable проектирование каналов потокаs
  supports parallel channels, serpentine channels, and multi-cavity configurations, enabling flexible liquid cold plate design.

• high pressure capability
  typical operating pressure: 0.5–1.5 mpa
  Давление разрыва: ≥ 3,0 МПа

• lightweight structure
  20–40% lighter than cnc-machined or plate liquid cooling solutions.

• excellent поверхность treatment compatibility
  suitable for anodizing, electroless nickel plating, and functional coatings.

типичные сценарии применения

• системы водяного охлаждения аккумуляторных батарей электромобилей

• Холодильные пластины для серверных процессоров/видеокарт для электроники

• системы охлаждения мощных лазеров

• Охлаждение холодной пластиной IGBT-транзистора и силового модуля

• система терморегулирования системы хранения энергии

процесс производства экструдированных жидкостных холодных пластин

1. Этап подготовки сырья

Выбор алюминиевой заготовки → анализ химического состава (спектрометр) → определение механических свойств (твердость, прочность на растяжение) → предварительная обработка (резка, обработка торцов) → складирование материала

• Марки сплавов: 6061-t5 / t6, 6063-t5

• Диаметр заготовки: φ100–φ300 мм

• точность предварительной обработки:

• Допуск по длине: ±1 мм

• Перпендикулярность торцевой поверхности: ≤ 0,1 мм

2. Этап проектирования и изготовления штампа

Проектирование каналов потока (оптимизация с помощью CFD-моделирования тепловых процессов) → проектирование экструзионной матрицы (отверстия, сварочная камера, опорная площадка) → выбор стали для матрицы (инструментальная сталь H13 для горячей обработки) → черновая обработка на станке с ЧПУ → термообработка (закалка + тройной отпуск) → прецизионная обработка (электроэрозионная обработка, проволочная резка) → полировка (шероховатость опорной площадки ra ≤ 0,4 мкм) → пробная проверка экструзии

Этот этап напрямую определяет внутреннюю геометрию и характеристики экструдированных пластин с жидким охлаждением, отличая их от паяных конструкций с жидким охлаждением, в которых соединение осуществляется после сборки.

3. Этап экструзионного формования

Предварительный нагрев алюминиевой заготовки (480–520°C) → предварительный нагрев матрицы (450–480°C) → настройка параметров экструзии → экструзия профиля (скорость 1–5 м/мин) → закалка в процессе производства (воздушное или туманное охлаждение) → вытягивание и выпрямление → резка фиксированной длины → обработка старением (состояние T5/T6)

Процесс экструзии обеспечивает наличие однородных внутренних каналов потока, которые поддерживают стабильную работу пластинчатого жидкостного охлаждения.

4. Этап прецизионной обработки на станках с ЧПУ

Обработка базовой поверхности (установка системы координат) → обработка торцевой поверхности (отверстие канала потока) → обработка интерфейсов (входные/выходные отверстия, монтажные отверстия) → обработка уплотнительной поверхности (плоскостность ≤ 0,05 мм) → снятие заусенцев → проверка чистоты

требования к обработке

• Торцевые уплотнительные канавки:

• Допуск по ширине ±0,02 мм

• Допуск по глубине ±0,01 мм

• Резьбовые отверстия:

• точность 7 ч

• перпендикулярность ≤ 0,05 мм

• Плоскостность монтажной поверхности: ≤ 0,1 мм / 100 мм

• чистота:

• частицы ≤ 100 шт/м²

• Остаточное содержание масла ≤ 10 мг/м²

5. Механическая обработка торцевой крышки и подготовка к сварке.

Выбор материала торцевой крышки (тот же или совместимый сплав) → обработка на станке с ЧПУ → обработка уплотнительной поверхности (ra ≤ 1,6 мкм) → обработка сварочного шва → очистка (ультразвуковая очистка) → позиционирование при сборке (специальные приспособления)

Параметры конструкции торцевой заглушки

• Толщина: 3–10 мм (в зависимости от требуемого давления)

• методы герметизации:

• герметизация канавки уплотнительным кольцом

• плоское уплотнение

• полная сварка и герметизация

• Варианты сварки:

• Сварка трением с перемешиванием (FSW)

• лазерная сварка

• аргонодуговая сварка

6. Этап сварки и герметизации

Выбор процесса сварки → сборка приспособления → настройка параметров сварки → автоматизация процесса сварки → термообработка после сварки (снятие напряжений) → контроль внешнего вида сварного шва

сравнение процессов сварки

• Сварка трением с перемешиванием (FSW):
  no filler material, high joint strength, ideal for long straight seams

• лазерная сварка:
  small heat-affected zone, high precision, suitable for complex seams

• аргонодуговая сварка:
  cost-effective, flexible, suitable for small-batch custom liquid cold plate production

7. Испытания на давление и герметичность

• проверка на утечку гелия

• Испытание гидростатическим давлением (1,5 × рабочее давление)

• Испытание на разрыв под давлением (≥ 3× рабочего давления)

• Испытание на циклическое воздействие давления (100 000 циклов)

стандарты тестирования

• Скорость утечки: ≤ 1×10⁻⁷ мбар·л/с (гелий)

• Поддержание давления: 1,5 МПа × 5 мин, падение давления ≤ 0,01 МПа

• Давление разрыва: ≥ 3,0 МПа

• Циклирование давления: 0,2–1,0 МПа, 100 000 циклов без утечек.

8. Этап обработки поверхности (опционально)

Предварительная обработка (обезжиривание, травление) → анодирование (натуральное/черное) → герметизация → функциональные покрытия → запекание и отверждение

варианты обработки поверхности

• анодирование:

• толщина 10–15 мкм

• диэлектрическая прочность ≥ 500 В

• Химическое никелирование:

• толщина 10–20 мкм

• повышенная коррозионная стойкость

• ptfe coating:
  improved chemical resistance

• insulating coatings:
  for electrical isolation requirements

9. Процесс очистки и сушки

Промывка дистиллированной водой под высоким давлением → ультразвуковая очистка (нейтральное моющее средство) → трехступенчатая противоточная промывка → сушка горячим воздухом (80–100 °C) → вакуумная сушка (для высоконадежных применений) → заполнение азотом для предотвращения окисления

стандарты чистоты

• Размер частиц: ≤ 50 мкм

• нелетучий остаток: ≤ 10 мг/м²

• Содержание хлорид-ионов: ≤ 1 ppm

• Проводимость: ≤ 5 мкСм/см

10. Сборка принадлежностей

Установка уплотнений (силикон / ФКМ / EPDM) → сборка быстроразъемных фитингов → установка датчика температуры (опционально) → установка датчика давления (опционально) → маркировка (информация о продукте и направлении потока)

требования к аксессуарам

• Материалы уплотнений: EPDM, FKM, силикон (от -40°C до 150°C)

• Стандарты разъемов: DIN, SAE, JIS, BSPP

• Точность датчика:

• температура ±0,5°C

• давление ±1% fs

11. Тестирование характеристик готового продукта

Испытание на термическое сопротивление (стандартный метод источника тепла) → испытание на сопротивление потоку (кривая зависимости расхода от перепада давления) → испытание на равномерность потока (многоканальные конструкции) → испытание на долговечность (термические и циклические нагрузки) → окончательная проверка на утечку гелия (100% проверка)

показатели эффективности

• Тепловое сопротивление: 0,01–0,05 °С/Вт (зависит от конструкции и расхода).

• Сопротивление потоку: ≤ 50 кПа при 10 л/мин (типичное значение)

• Отклонение равномерности потока: ≤ 10%

• Диапазон рабочих температур: от −40°C до 120°C

12. Окончательная проверка и упаковка

Визуальный осмотр → выборочный контроль размеров (КИМ) → подготовка документации → антикоррозионная упаковка (VCI) → ударопрочная упаковка → маркировка внешней картонной коробки

спецификации упаковки

• Защита одного блока: полиэтиленовый пакет + бумага с антикоррозионными свойствами.

• Ориентация упаковки: вертикальное размещение

• Содержание этикетки: идентификатор продукта, дата производства, направление потока, маркировка «хрупкое».

• Условия хранения: от −10°C до 40°C, относительная влажность ≤ 70%.

13. Документация и отслеживаемость

Сертификат соответствия → Сертификаты материалов → Протоколы испытаний → Технологические записи → Этикетки для отслеживания (QR-код / штрихкод) → Руководство по установке и эксплуатации

контрольные точки, критически важные для качества (CTQ)

Технологические возможности и производственные мощности

• Ширина экструзии: 30–300 мм

• высота: 10–100 мм

• длина: 500–6000 мм

• минимальная толщина стенки:

• Толщина стенки канала: 1,0 мм

• Внешняя стенка: 1,5 мм

• Шероховатость поверхности:

• Экструдированная поверхность: ra ≤ 3,2 мкм

• обработанная поверхность: ra ≤ 1,6 мкм

рекомендации по проектированию и лучшие практики

проектирование каналов потока

• Гидравлический диаметр: 4–8 мм

• Соотношение сторон: ≤ 10:1

• Радиус изгиба: ≥ 1,5 × ширина канала

• Конструкция входного/выходного отверстия в форме раструба

• опциональные внутренние ребра для улучшения теплопередачи

структурное проектирование

• равномерная толщина стенки

• ребра жесткости в критически важных местах

• удобная схема монтажа

• допуск на термическое расширение

стратегия выбора материалов

• Общие области применения: 6063-t5

• высокопроизводительные приложения: 6061-t6

• суровые условия эксплуатации: дополнительные покрытия

оптимизация затрат

• стандартизированные поперечные сечения

• улучшенное использование материалов

• уменьшенная вторичная обработка

• экономия масштаба в массовом производстве

Благодаря своей цельной экструдированной конструкции, низкому риску протечек, высокой надежности и превосходной экономической эффективности, экструдированные жидкостные охлаждающие пластины играют незаменимую роль в системах охлаждения с высокой удельной мощностью. По мере роста таких отраслей, как электромобили, центры обработки данных, связь 5G и возобновляемая энергетика, специализированные охлаждающие пластины и решения на основе жидкостных охлаждающих пластин будут развиваться в направлении повышения производительности, снижения веса и более интеллектуального управления тепловым режимом, обеспечивая надежные и масштабируемые решения для систем жидкостного охлаждения следующего поколения.