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Vistas:2 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2025-10-21 Origen:Sitio
En Winshare Thermal, entendemos la batalla implacable contra el calor en la electrónica de alta potencia actual. Desde los intrincados chips de IA de los servidores de próxima generación hasta los robustos módulos de potencia IGBT de los vehículos eléctricos (EV) y los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) a gran escala, la concentración de calor no tiene precedentes. Este alto flujo de calor plantea inmensos desafíos térmicos que el enfriamiento por aire tradicional, al haber alcanzado sus límites funcionales, simplemente no puede abordar.
Las placas frías líquidas son la piedra angular de una gestión térmica eficaz en estas aplicaciones exigentes. Sirven como puente térmico crítico, transfiriendo eficientemente el calor de los componentes de gran densidad de potencia al fluido en circulación. Una placa fría que no está diseñada de manera óptima y no se fabrica meticulosamente puede convertirse en un cuello de botella grave, lo que genera temperaturas de funcionamiento elevadas, un rendimiento comprometido del sistema y una vida útil significativamente más corta de los dispositivos.
Como fabricante especializado en soluciones de refrigeración de alta potencia, la misión de Winshare Thermal es brindar a los ingenieros una eficiencia térmica superior y una confiabilidad estructural excepcional. Nuestra filosofía de diseño se centra en dos objetivos fundamentales, aunque a menudo contradictorios:
Minimizar la resistencia térmica (Rth): para garantizar que los componentes funcionen a las temperaturas más bajas posibles.
Minimizar la caída de presión (ΔP): Para reducir el consumo de energía del sistema de bombeo.
Lograr el equilibrio ideal entre estos dos objetivos requiere no sólo una comprensión teórica, sino también una profunda experiencia en fabricación. Esta guía profundizará en los 10 parámetros de diseño más esenciales y mostrará cómo se aprovechan las capacidades avanzadas de simulación CFD de Winshare Thermal y los diversos procesos de fabricación para ofrecer soluciones de placa fría optimizadas y de alta confiabilidad para nuestra clientela global.
II. Geometría de conducción y convección)
Esta sección se centra en los elementos físicos. Cubre las opciones de materiales y la estructura interna de la placa fría. Estos factores físicos controlan cómo se transfiere el calor. Afectan la conducción de calor inicial y el área total mojada por convección.
El espesor base es la capa de material sólido. Está ubicado entre la fuente de calor y los canales de enfriamiento. El calor atraviesa esta capa únicamente por conducción. El espesor de la base es una parte crítica de la resistencia térmica total de la placa fría ().
El calor debe viajar a través de este espesor. Una base más delgada significa una distancia de recorrido más corta. Entonces, la resistencia conductora () se minimiza. Los diseñadores deben intentar hacerlo lo más pequeño posible. Esto es particularmente importante cuando la huella de la fuente de calor es grande.
Los ingenieros deben considerar las limitaciones estructurales. La placa fría necesita resistencia mecánica. Debe resistir la flexión o deformación. El fluido interno funciona a alta presión (por ejemplo, 5-10 bar). Una base demasiado delgada se deformará bajo esta presión. Esta deformación es muy peligrosa. Provoca un mal contacto entre el chip y la placa fría. Este mal contacto aumenta dramáticamente la resistencia del TIM. También puede causar fugas o fallas catastróficas.
Los ingenieros deben calcular el espesor mínimo seguro. Este cálculo se basa en las propiedades del material y la presión operativa máxima del sistema. Este espesor mínimo seguro es el espesor óptimo. Garantiza la eficiencia térmica y la integridad estructural.
La elección del material de la placa fría es fundamental. La conductividad térmica (k) dicta qué tan bien se propaga el calor. Es necesario un valor k alto para una disipación del calor rápida y uniforme. Los materiales con alto k alejan rápidamente el calor de los puntos calientes.
La elección suele ser entre cobre y aluminio. El cobre ofrece un rendimiento térmico superior. Su valor $ ext{k}$ es de aproximadamente 400 W/m K. El valor k del aluminio es de aproximadamente 205 W/m K. El cobre es mejor para abordar la resistencia a la dispersión térmica . Esta resistencia ocurre cuando un pequeño chip genera calor. El calor debe extenderse por toda la base de la placa fría.
Material | Conductividad térmica ()k | Densidad | Costo | Mejor enfoque de aplicación |
Cobre ()Cu | Muy alto ~400 W/m·K | Alto | Alto | Alto flujo de calor, puntos de acceso pequeños (CPU/GPU) |
Aluminio ()Al | Bueno ()~250 W/m·K | Bajo | Bajo | Sistemas grandes, sensibles al peso (batería para vehículos eléctricos, ESS) |
El cobre proporciona la mejor solución térmica. Sin embargo, es más pesado y más caro. El aluminio es el estándar de la industria para aplicaciones grandes y sensibles al peso. Su $ ext{k}$ más bajo es aceptable cuando la carga de calor se distribuye en un área grande. La elección del material debe alinearse con el peso de la aplicación y las limitaciones presupuestarias.
Las aletas internas se utilizan en placas frías de alto rendimiento. A menudo se encuentran en diseños soldados o de microcanales. Las aletas son estructuras metálicas dentro del canal de flujo. Amplian la superficie mojada. Las aletas aumentan en gran medida el coeficiente de transferencia de calor por convección (). Esto reduce la resistencia térmica convectiva ().
El diseño debe optimizar la densidad, altura y forma de las aletas. Una mayor densidad de aletas significa más superficie. Esto mejora la transferencia de calor. Pero la alta densidad también restringe el flujo de fluido. Esta restricción aumenta rápidamente la caída de presión (∆P)
La forma de las aletas afecta la mezcla de fluidos y la turbulencia. Se utilizan diferentes formas para diferentes necesidades térmicas.
Tipo de aleta | Beneficio primario (reducción)Rconv | Desventaja primaria ()ΔP | Método de fabricación típico |
Canal Recto | Baja fricción, fácil de limpiar | Área de superficie limitada | Mecanizado CNC |
Aleta corrugada (ondulada) | Induce turbulencia, alta h | Penalización por alta presión | Soldadura de aspiradora |
Matriz de aletas de pines | Excelente dispersión lateral, máxima mezcla | Caída de presión muy alta | Fundición o impresión 3D |
Los ingenieros también deben considerar la eficiencia de las aletas . Las aletas muy delgadas o muy altas pueden tener una eficiencia baja. El calor no puede conducirse lo suficientemente rápido hasta la punta de la aleta. La punta de la aleta permanece mucho más caliente que la base. En este caso, agregar más material de aleta no ayuda. El modelado CFD es necesario para optimizar la geometría y el espaciado de las aletas.
La relación de aspecto es la relación entre la altura del canal (H) y el ancho del canal (W). Esta relación es un factor importante en el diseño interno. Determina la densidad de la superficie de enfriamiento.
Una relación H/W más alta aumenta el área de enfriamiento. Lo hace sin cambiar la huella general del canal. Este diseño mejora el rendimiento de refrigeración. Es una forma inteligente de maximizar el perímetro mojado.
La relación de aspecto suele estar limitada por la tecnología de fabricación.
● Mecanizado CNC: Los canales profundos y estrechos requieren herramientas largas y delgadas. Este proceso lleva mucho tiempo. Puede provocar un mayor desgaste de la herramienta y una reducción de la precisión del canal.
● Soldadura al Vacío: Este proceso permite relaciones de aspecto mucho más altas. Utiliza aletas delgadas y preformadas. Esta es generalmente la mejor ruta para placas frías de rendimiento extremo.
Los ingenieros deben elegir la relación H/W más alta posible. Esta relación debe ser fabricable. También debe evitar problemas de flujo. Un canal muy profundo puede restringir la entrada y salida del flujo. Esto aumenta ∆P. El diseño equilibra las ganancias de rendimiento y la viabilidad de producción.
La rugosidad de la pared interna () es la textura de las paredes del canal. Es un parámetro que muchas veces se pasa por alto. Influye fuertemente en la caída de presión por fricción ().Ra∆Pfric
La aspereza crea fricción. Esta fricción actúa contra el flujo del fluido. Una mayor rugosidad conduce a una mayor pérdida de presión por fricción. El sistema de bombeo debe trabajar más para impulsar el fluido.
El proceso de fabricación determina la rugosidad.
● Mecanizado CNC: La calidad del corte final determina la rugosidad. Puede ser necesario un pulido posterior al mecanizado o un grabado químico.
● FSW (soldadura por fricción y agitación): este proceso de soldadura es crucial para las placas de baterías de vehículos eléctricos. FSW crea una costura de soldadura interna limpia. Tiene un acabado superficial liso. Este acabado minimiza las pérdidas de presión por fricción en comparación con la soldadura por fusión tradicional.
● Soldadura fuerte: El proceso de soldadura fuerte debe ser muy limpio. Cualquier fundente o residuo que quede dentro de los canales aumenta la rugosidad. También puede provocar problemas de corrosión más adelante.
La aspereza puede promover ligeramente la turbulencia. Esto ayuda a la transferencia de calor. Sin embargo, el aumento de ∆P suele ser demasiado alto. Es una pena inaceptable. Las placas frías de alto rendimiento requieren canales internos extremadamente lisos.
Esta sección se centra en el fluido en sí. Analiza los factores de integración del sistema. Estos elementos determinan la distribución del calor, el consumo de energía del sistema y la confiabilidad a largo plazo.
El patrón de flujo es el camino que toma el refrigerante. Es el factor más importante para lograr uniformidad de temperatura () en toda la superficie de la placa fría. El diseño debe coincidir perfectamente con el mapa de calor. Debe garantizar que todas las fuentes de calor reciban fluido igualmente frío.
Coincidencia de patrón de flujo y mapa de calor
Los ingenieros deben seleccionar el patrón de flujo correcto. Esta selección depende de la distribución del calor del componente.
Tipo de diseño | Descripción | Uniformidad térmica ()ΔTmax | Desventaja principal |
Serpentina (S-Flow) | Un camino largo y sinuoso. | Deficiente (el fluido se calienta a lo largo del camino, creando un ∆T grande) | Caída de presión alta ()∆P |
Flujo paralelo | El fluido se divide en muchos caminos cortos idénticos. | Excelente (Todos los canales reciben fluido a )∆Estaño | Riesgo de desequilibrio de flujo (bypass) |
Flujo Z | Utiliza un colector para equilibrar la distribución del flujo. | Bueno (un compromiso necesario para muchos componentes) | ∆P moderado, susceptible a bloqueo de flujo |
La simulación CFD es esencial para este paso. Modela el desequilibrio de flujo en circuitos paralelos. Predice los puntos calientes creados por el gradiente de temperatura en circuitos serpentinos. El objetivo es eliminar los puntos calientes. Esta eliminación debe realizarse sin aumentar demasiado el ∆P.
El caudal es el volumen de refrigerante que pasa a través de la placa fría. Es la forma más poderosa de mejorar el rendimiento térmico. Un caudal más alto proporciona dos beneficios. Reduce el aumento de temperatura global del fluido (). También aumenta el coeficiente de transferencia de calor por convección (). Ambas acciones reducen el .∆TfluidhRth de la placa fría.
La pena de potencia cúbica
Los ingenieros deben considerar la potencia de la bomba. La potencia de bombeo aumenta drásticamente con el caudal.
Ésta es la penalización de la potencia cúbica . Duplicar el caudal requiere ocho veces la potencia de bombeo. Esto es muy ineficiente. El diseño debe optimizar el caudal. El caudal debe alcanzar el rendimiento térmico requerido. También debe permanecer dentro del límite ∆P aceptable del sistema (por ejemplo, 1,5 bar). Cualquier caudal adicional es un desperdicio de energía y costos.
La temperatura de entrada () es la temperatura del fluido que ingresa a la placa fría. Este parámetro es una restricción del sistema. Lo establece la unidad de refrigeración externa (o enfriadora). Sin embargo, es el factor dominante. Determina la temperatura de funcionamiento absoluta del componente.
La temperatura del componente depende de . También depende de la eficiencia de la placa fría.Estaño
Un componente más bajo siempre garantiza un componente más frío.
Una placa fría altamente eficiente (baja) ayuda al sistema. Permite que el componente se mantenga fresco incluso con un RthTin superior al estaño. Correr a una temperatura más alta es más eficiente. Esto mejora el centro de datos general (eficacia del uso de energía). El diseño de placa fría ayuda a reducir el consumo de energía en toda la instalación. El diseño debe optimizarse para permitir el mayor .CDUPUE Tin posible
La elección del líquido refrigerante afecta en gran medida el rendimiento. Tres propiedades principales son importantes. Son capacidad calorífica específica (), densidad () y viscosidad ().
Calor específico ():Cp alto permite que el fluido absorba más calor. Esto mantiene bajo el aumento de temperatura del fluido a granel. Cp Viscosidad ():mu Baja viscosidad significa que el fluido fluye fácilmente. Esto reduce la caída de presión por fricción. Densidad ():ρ Afecta el caudal másico total para un caudal volumétrico determinado.
Propiedad | Agua Pura | Mezcla de glicol y agua (50% EG) | Impacto de ingeniería |
Rendimiento térmico ()Cp | Óptimo ()4,18 kJ/kg·K | Inferior () 3,2 kJ/kg K} | Se sacrifica el rendimiento en aras de la protección. |
Viscosidad ()mu | Bajo | Mayor (1,5-3x) | Un $mu$ más alto aumenta el requisito de potencia de bombeo. |
Requisito del sistema | Requiere inhibidores de corrosión | Proporciona protección contra congelación/ebullición. | Requerido para aplicaciones en exteriores (ESS) o EV. |
El agua pura es el mejor fluido térmico. Sin embargo, requiere un control cuidadoso de la corrosión. Las mezclas de glicol y agua se utilizan en sistemas industriales y de vehículos eléctricos. Proporcionan protección crítica contra el congelamiento y la corrosión. Esta protección se produce a expensas del rendimiento. También aumenta ∆P.
Es el material entre la fuente de calor y la placa fría. Es el elemento más crítico. El llena los espacios de aire. El aire es un pésimo conductor térmico. La capa suele ser la que más contribuye a la resistencia térmica total.TIMTIMTIMRésimo, total
La resistencia () es proporcional a su espesor.
El objetivo es lograr el espesor mínimo de la línea de unión (BLT). Esto requiere alta presión durante el montaje. Más importante aún, requiere una precisión extrema por parte de la placa fría.
La superficie de montaje de la placa fría debe ser extremadamente plana. La mala planitud deja grandes huecos. Estos huecos requieren una capa de TIM más gruesa para llenarlos. El rendimiento térmico se degrada rápidamente. Winshare Thermal utiliza mecanizado CNC de alta precisión y herramientas especializadas. Logramos tolerancias de planitud de 0,05 mm o mejores. Esto permite a los clientes utilizar los materiales TIM más finos y eficaces. La planitud adecuada no es negociable para los sistemas de alto rendimiento.
IV. La solución basada en CFD para el equilibrio
El diseño de placas frías para líquidos es una tarea difícil. Es un problema de optimización multiobjetivo. Los ingenieros deben equilibrar simultáneamente 10 parámetros críticos e interdependientes. Deben maximizar la transferencia de calor y al mismo tiempo minimizar la caída de presión, el peso y el costo.
Las conjeturas o los simples cálculos no son suficientes. El diseño requiere un análisis muy detallado. Winshare Thermal es la solución profesional. Nuestro equipo de ingeniería utiliza herramientas avanzadas de CFD (dinámica de fluidos computacional). Modelamos e iteramos rápidamente los 10 parámetros. Este proceso incluye características complejas como análisis de distribución de flujo y optimización de topología. Nos aseguramos de que el diseño de la placa fría sea óptimo.
Combinamos este diseño óptimo con una fabricación probada. Nuestras capacidades incluyen acabado CNC de alta precisión y FSW (soldadura por fricción y agitación) confiable. También utilizamos técnicas expertas de soldadura fuerte al vacío. Esto garantiza que el diseño se traduzca en un producto fabricable de alta confiabilidad. Asóciese con Winshare Thermal para convertir la eficiencia teórica en el máximo rendimiento del sistema. Podemos afrontar sus desafíos térmicos más difíciles.
