Yüksek güçlü soğutma sistemi için sıvı soğutma plakası nasıl tasarlanır?

17 8, 2025
2:56

Sıvı Soğutma Plakası Nasıl Tasarlanır?

1、 Tasarım gereksinimlerini açıkça tanımlayın
Sıvı soğutmalı bir plaka tasarlanmadan önce, uygulama senaryolarının ve özel gereksinimlerinin netleştirilmesi gerekir. Örneğin, elektronik çip ısı dağıtımı için bir sıvı soğutma plakası tasarlanıyorsa, çipin güç tüketimi, ısı üretimi, çalışma ortam sıcaklığı, çip bağlantı sıcaklığı için izin verilen maksimum çalışma sıcaklığı, soğutma sıvısı bileşimi, soğutma sıvısı giriş sıcaklığı, soğutma sıvısı akış hızı ve diğer parametrelerin anlaşılması gerekir. Yeni enerji araç akülerinin ısı dağıtımı için kullanılacaksa, akü grubunun yerleşimi, şarj ve deşarj sırasındaki ısı üretim özellikleri ve çalışma sıcaklığı aralığı dikkate alınmalıdır. Ayrıca, kurulum alanı sınırlamaları, maliyet bütçesi, üretim sürecinin güvenilirliği gibi faktörlere de dikkat edilmelidir. sıvı soğutmalı plakas ve diğer sistemlerle uyumluluk. Bu makalede, entegre soğuk plakalara dayalı akış kanallarının üretimi ve işlenmesi ele alınmaktadır. Ekleme sürecinin tasarım şeması boru bakır ve alüminyum levhas konusu ileride tekrar ele alınacaktır. Peki, sıvı soğutma plakası nasıl tasarlanır?

2,Uygun malzemeleri seçin
Alüminyum alaşımı 6063 veya 6061, düşük yoğunluğu, iyi termal iletkenliği (saf alüminyumun termal iletkenliği yaklaşık 237W/(m · K) iken, alüminyum alaşımının termal iletkenliği bileşimine bağlı olarak 180-230W/(m · K) arasındadır), orta düzeyde mukavemeti, işleme ve kalıplama kolaylığı ve nispeten düşük maliyeti nedeniyle sıvı soğutmalı plakalar için yaygın olarak kullanılan bir metal malzemedir. Pres döküm işlemiyle üretilen alüminyum ADC12'nin termal iletkenliği 90-110W/(m · K) olup, basit işlem ve düşük maliyet ile karakterize edilir. Bakır malzemesi üstün termal iletkenliğe sahiptir (yaklaşık 401W/(m · K) termal iletkenlikle), ancak daha yüksek bir yoğunluğa ve daha yüksek maliyete sahiptir. Isı dağılımı gereksinimleri son derece yüksek olduğunda ve alan ve maliyet izin verdiğinde seçilebilir.

3、 Tasarım akış kanalı yapısı
（1） Akış kanalı formu
Yaygın akış kanalı formları arasında paralel kanallar, serpantin kanallar ve çatallı kanallar bulunur. Paralel akış kanalları basit bir yapıya ve nispeten düşük akışkan akış direncine sahiptir, bu da onları nispeten düzgün bir ısı akısı yoğunluğu dağılımına sahip ısı kaynakları için uygun hale getirir; serpantin akış kanalları, sıvı soğutmalı plakalardaki akışkanların kalış süresini artırabilir, ısı transfer verimliliğini artırabilir, ancak daha yüksek akış direncine sahiptir; çatallı parmaklı kanallar, akışkanı çeşitli alanlara daha eşit bir şekilde dağıtabilir ve düzensiz ısı kaynakları üzerinde daha iyi bir ısı dağılımı etkisine sahiptir.
（2） Kanal boyutu
Akış kanalının genişliği, yüksekliği ve aralığı, sıvı soğutma plakasının ısı dağılımı performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Daha küçük bir kanal boyutu, akışkan ile kanal duvarı arasındaki temas alanını artırabilir, ısı transfer verimliliğini iyileştirebilir, ancak akış direncini ve pompa güç tüketimini de artıracaktır. Genel olarak, akış kanalının genişliği 6-15 mm arasında, yüksekliği 2-10 mm arasında seçilebilir ve akış kanalları arasındaki aralık gerçek ihtiyaçlara ve üretim süreçlerine göre belirlenir. Sıvı soğutmalı plakalarda küçük yerel temas alanı ancak yüksek ısı transferi gerektiren yüksek güç yoğunluklu yongalar için yerel akış kanalları için mikro kanal tasarımı gereklidir. Örneğin, Nvidia'nın GB200 GPU yongasının yaklaşık 50x50 mm'lik bir temas alanı vardır ve sıvı soğutmalı akış kanalları, ısı değişimi için yüksek yoğunluklu bakır kanatçıklar gerektirir.

4、 Termal analiz ve simülasyon optimizasyonu
Tasarlanan sıvı soğutmalı plaka üzerinde sayısal simülasyonlar gerçekleştirmek için ANSYS Fluent gibi profesyonel termal analiz yazılımları kullanın. Isı kaynağının ısı yükünü, akışkanın fiziksel parametrelerini (yoğunluk, özgül ısı kapasitesi, ısıl iletkenlik vb.), akış sınır koşullarını (akış hızı, akış hızı vb.) girin, sıvı soğutma plakası içindeki sıcaklık dağılımını ve akışkan akış özelliklerini simüle edin. Simülasyon analizi sayesinde, tasarımdaki sıcak noktalar ve düzensiz akış gibi sorunlar tespit edilebilir ve daha iyi ısı dağılımı sağlamak için akış kanalının şeklinin ayarlanması ve giriş ve çıkışın konumunun değiştirilmesi gibi sıvı soğutma plakasının yapısı optimize edilebilir.

5、 Üretim süreci seçimi
(1) Lehimleme sıvı soğutma plakası işlemi
Alüminyum alaşımlı sıvı soğutmalı plakalar için lehimleme yaygın olarak kullanılan bir üretim yöntemidir. Levhalar arasına lehim malzemesi yerleştirilip belirli bir sıcaklık ve basınçta eritilerek, levhalar birbirine bağlanarak bir akış kanalı yapısı oluşturulur. Vakum lehimleme, kaynak kalitesini garanti altına alabilir ve oksidasyon ve gözeneklilik gibi kusurları azaltabilir. Vakum lehimleme malzemeleri genellikle iki türe ayrılır: tamamı alüminyum ve tamamı bakır.
Alüminyum silikon bazlı lehim malzemeleri (erime noktası yaklaşık 577-615 ℃ olan Al Si alaşımı gibi), tüm alüminyum vakum lehimleme işlemlerinde yaygın olarak kullanılır. Lehimleme sıcaklığı genellikle, lehim malzemelerinin erime noktasından biraz daha yüksek olan 580-620 ℃ olarak ayarlanır. Vakum ortamında gerçekleştirildiği için ek koruyucu gaza ihtiyaç duyulmaz. Vakum, lehimin ıslanmasını ve difüzyonla bağlanmasını desteklerken alüminyum oksidasyonunu da önleyebilir.
Bakır fosfor veya bakır gümüş lehim malzemeleri, tüm bakır vakum lehimleme işlemlerinde (erime noktası yaklaşık 710-800 ℃ olan Cu-P alaşımı gibi) yaygın olarak kullanılır ve lehimleme sıcaklığı yaklaşık 750-900 ℃'dir. Vakumlu bir ortam olmasına rağmen, bazı işlemlerde bakır oksidasyonunu daha da bastırmak ve kaynak güvenilirliğini sağlamak için koruyucu gaz olarak yüksek saflıkta nitrojen gazı (saflık ≥ %99.99) kullanılır.

2) Sürtünme Karıştırma Kaynağı
Sürtünme karıştırma kaynağı, karıştırma başlığının kaynak yapılacak arayüz boyunca dönüp hareket ederek malzemede plastik deformasyona neden olduğu ve yapışma sağladığı bir katı hal birleştirme işlemidir. Bu işlem, yüksek kaynak mukavemetine ve küçük bir ısıdan etkilenen bölgeye sahip olduğundan, yüksek kaliteli sıvı soğutmalı plakaların üretimi için uygundur. Sürtünme karıştırma kaynağı, malzemeyi plastikleştirmek için karıştırma başlığını döndürerek ısı üretir ve alüminyum alaşımının plastikleşme sıcaklığı genellikle 300-500 ℃ arasındadır. Kaynak basıncı genellikle 10-50 kN olup, malzeme kalınlığı arttıkça artar. Karıştırma başlığı hızı çoğunlukla 800-3000 rpm ve kaynak hızı 0.5-5 mm/s'dir. Bu işlem, erime kusurları olmayan katı faz birleştirme yöntemidir ve alüminyum ve bakır gibi demir dışı metallerin verimli bir şekilde birleştirilmesi için uygundur.

6、 Performans testi ve doğrulama
Sıvı soğutmalı plaka numunesi üretildikten sonra performans testi gereklidir. Farklı noktalardaki sıcaklığı ölçmek için sıcaklık sensörleri kullanın ve akış ölçerler ve basınç sensörleri aracılığıyla akışkan akışını ve basınç düşüşünü izleyin. Sıvı soğutmalı plakanın ısı dağılımı performansının ve akış direncinin gereksinimleri karşılayıp karşılamadığını değerlendirmek için test sonuçlarını tasarım gereksinimleriyle karşılaştırın. Karşılanmıyorsa, nedenlerini analiz edin ve tasarım ve üretim sürecini daha da iyileştirin. Sıvı soğutmalı bir plaka tasarlamak, gereksinimler, malzemeler, akış kanalı yapısı, termal analiz, üretim süreci ve performans testi gibi birçok unsurun kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesini gerektirir. Sürekli optimizasyon ve doğrulama yoluyla, pratik uygulama gereksinimlerini karşılayan yüksek kaliteli sıvı soğutmalı plakalar elde edilebilir.

1 kW Isı Kaynağı için Sıvı Soğutma Plakasının Tasarım ve Boyut Şeması (Teorik Hesaplama Örneği)

I. Temel Parametreler ve Tasarım Hedefleri

• Isı Gücü Tüketimi: Isı kaynağının nominal ısı gücü Q = 1000W'dır (sürekli ve kararlı ısı dağılımı gereklidir).

• Sıcaklık Gereksinimleri: Isı kaynağının maksimum yüzey sıcaklığı T_s 85℃, soğutma sıvısının giriş sıcaklığı T_in = 35℃ ve izin verilen sıcaklık farkı Delta T = T_s – T_in = 50℃.

• Soğutma Sıvısı: Parametreleri şu şekilde olan %50 etilen glikol sulu çözeltisi: ısıl iletkenlik k_f = 0.45W/(m·K), dinamik viskozite _mu = 0.002Pa·s, özgül ısı kapasitesi c_p = 3600J/(kg·K) ve yoğunluk \rho = 1050kg/m³.

II. Temel Parametrelerin Teorik Hesaplanması

1. Soğutma Sıvısı Akış Hızının Hesaplanması

Isı dengesi denklemi Q = \rho q_v c_p \Delta T_{fluid} temelinde, soğutma sıvısının giriş ve çıkışı arasındaki sıcaklık farkının \Delta T_{fluid} = 10℃ (yerel aşırı ısınmayı önlemek için) olduğu varsayıldığında, gerekli akış hızı şu şekildedir:

2. Akış Kanallarının Tasarımı ve Akış Hızı

Direnci azaltmak için çoklu paralel akış kanalları kullanılmıştır. Tek bir akış kanalının boyutu: genişlik w = 5 mm = 0.005 m, yükseklik h = 4 mm = 0.004 m. Hidrolik çap:

3. Isı Transfer Katsayısı ve Alanının Hesaplanması

III. Sıvı Soğutma Plakasının Boyut Şeması

1. Anahat Boyut Tasarımı

Isı transfer alanı ihtiyacına göre dikdörtgen yerleşim benimsenmiştir:

•Uzunluk: 150mm, Genişlik: 120mm (toplam alan 150×120 = 18000mm² = 0.018m², akış kanalı alanı yaklaşık %80'ini oluşturduğunda, etkin ısı transfer alanı 0.0144m²'dir, bu değerin akış kanalı uzunluğunun artırılmasıyla tamamlanması gerekir).

•Kalınlık: 15 mm (akış kanalı yüksekliği için 4 mm ve yapısal dayanıklılığı sağlamak için üst ve alt alt tabakalar için 5.5 mm dahil).

2. Akış Kanalı Düzeninin Optimizasyonu

Akış kanallarının toplam uzunluğu L = \frac{A_{effective}}{n×w} = \frac{0.0286}{8×0.005} ≈ 0.715m . Her akış kanalının uzunluğu yaklaşık 8 mm ve 90 kez olan "U şeklinde + 2 paralel akış kanalı" tasarımı benimsenerek, akışkanın ısı kaynağını eşit şekilde kaplaması sağlanmıştır.

IV. Doğrulama ve Ayarlama

Bu boyuta göre, simülasyon doğrulaması, 15.9 L/dak akış hızında konvektif ısı transfer direncinin yaklaşık 0.05℃/W olduğunu, ısı kaynağının yüzey sıcaklığının 80℃'de sabit kaldığını ve basınç düşüşünün ≤0.2 MPa olduğunu, yani 1 kW ısı dağılımı gereksinimini karşıladığını göstermektedir. Alan sınırlıysa, toplam ısı transfer alanını sabit tutmak için genişlik 100 mm'ye, uzunluk ise 180 mm'ye çıkarılabilir.