10 عوامل تصميم حاسمة للألواح الباردة عالية الأداء

المقدمة: ضرورة التحسين في التصنيع الحديث

في Winshare Thermal، نحن نفهم المعركة التي لا هوادة فيها ضد الحرارة في الإلكترونيات عالية الطاقة اليوم. من رقائق الذكاء الاصطناعي المعقدة في خوادم الجيل التالي إلى وحدات طاقة IGBT القوية في السيارات الكهربائية (EVs) وأنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق (ESS)، فإن تركيز الحرارة غير مسبوق. يفرض هذا التدفق الحراري العالي تحديات حرارية هائلة لا يستطيع تبريد الهواء التقليدي معالجتها، بعد أن وصل إلى حدوده الوظيفية.

تعتبر الألواح الباردة السائلة حجر الزاوية في الإدارة الحرارية الفعالة في هذه التطبيقات الصعبة. إنها بمثابة الجسر الحراري المهم، حيث تنقل الحرارة بكفاءة من المكونات كثيفة الطاقة إلى السائل المتداول. يمكن أن تصبح اللوحة الباردة التي لم يتم تصميمها على النحو الأمثل وتصنيعها بدقة عنق الزجاجة الشديد، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة التشغيل، وضعف أداء النظام، وتقصير العمر الافتراضي للجهاز بشكل كبير.

باعتبارها شركة مصنعة متخصصة في حلول التبريد عالية الطاقة، تتمثل مهمة Winshare Thermal في تمكين المهندسين بكفاءة حرارية فائقة وموثوقية هيكلية استثنائية. تتمحور فلسفتنا في التصميم حول هدفين أساسيين، ولكنهما متضاربان في كثير من الأحيان:

1. تقليل المقاومة الحرارية (Rth): لضمان عمل المكونات في أبرد درجات حرارة ممكنة.

2. تقليل انخفاض الضغط (ΔP): لتقليل استهلاك الطاقة لنظام الضخ.

إن تحقيق التوازن المثالي بين هذين الهدفين لا يتطلب الفهم النظري فحسب، بل يتطلب خبرة تصنيعية عميقة. سوف يتعمق هذا الدليل في معلمات التصميم العشرة الأكثر أهمية، ويعرض كيفية الاستفادة من إمكانات محاكاة العقود مقابل الفروقات المتقدمة من Winshare Thermal وعمليات التصنيع المتنوعة لتقديم حلول ألواح تبريد مُحسّنة وعالية الموثوقية لعملائنا العالميين.

ثانيا. هندسة التوصيل والحمل الحراري)

يركز هذا القسم على العناصر المادية. إنه يغطي اختيارات المواد والبنية الداخلية للوحة التبريد. تتحكم هذه العوامل الفيزيائية في كيفية انتقال الحرارة. أنها تؤثر على التوصيل الحراري الأولي والمساحة الإجمالية المبللة للحمل الحراري.

المعلمة 1: سمك القاعدة () - التحكم في مقاومة التوصيل

سمك القاعدة هو طبقة المادة الصلبة. يقع بين مصدر الحرارة وقنوات التبريد. تنتقل الحرارة عبر هذه الطبقة بالتوصيل فقط. يعد سمك القاعدة جزءًا مهمًا من إجمالي المقاومة الحرارية للوحة الباردة ().

يجب أن تنتقل الحرارة عبر هذا السُمك. القاعدة الأرق تعني مسافة سفر أقصر. لذلك، يتم تقليل المقاومة الموصلة (). يجب على المصممين محاولة جعلها صغيرة قدر الإمكان. وهذا مهم بشكل خاص عندما تكون مساحة مصدر الحرارة كبيرة.

السلامة الهيكلية مقابل الأداء الحراري

يجب على المهندسين النظر في القيود الهيكلية. تحتاج اللوحة الباردة إلى قوة ميكانيكية. يجب أن تقاوم الانحناء أو التزييف. يعمل السائل الداخلي تحت ضغط مرتفع (على سبيل المثال، 5-10 بار). القاعدة الرفيعة جدًا سوف تتشوه تحت هذا الضغط. هذا التشوه خطير للغاية. إنه يسبب ضعف الاتصال بين الشريحة واللوحة الباردة. يؤدي هذا الاتصال الضعيف إلى زيادة مقاومة TIM بشكل كبير. يمكن أن يسبب أيضًا تسربًا أو فشلًا كارثيًا.

يجب على المهندسين حساب الحد الأدنى للسمك الآمن. يعتمد هذا الحساب على خصائص المواد والحد الأقصى لضغط التشغيل للنظام. هذا الحد الأدنى من السُمك الآمن هو السُمك الأمثل. إنه يضمن الكفاءة الحرارية والسلامة الهيكلية.

المعلمة 2: الموصلية الحرارية للمادة (ك) - القدرة على نشر الحرارة

يعد اختيار مادة اللوحة الباردة أمرًا أساسيًا. تحدد الموصلية الحرارية (k) مدى انتشار الحرارة. تعد قيمة k العالية ضرورية لتبديد الحرارة بسرعة وبشكل موحد. تعمل المواد عالية k على نقل الحرارة بسرعة بعيدًا عن النقاط الساخنة.

عادة ما يكون الاختيار بين النحاس والألومنيوم. يوفر النحاس أداءً حراريًا فائقًا. تبلغ قيمتها $ ext{k}$ حوالي 400 W/m K. وتبلغ قيمة k للألمنيوم حوالي 205 W/m K. النحاس أفضل في معالجة مقاومة الانتشار الحراري . تحدث هذه المقاومة عندما تولد شريحة صغيرة الحرارة. يجب أن تنتشر الحرارة إلى قاعدة اللوحة الباردة بأكملها.

المادة k ومقايضات النظام

يوفر النحاس أفضل الحلول الحرارية. ومع ذلك، فهي أثقل وأكثر تكلفة. الألومنيوم هو المعيار الصناعي للتطبيقات الكبيرة الحساسة للوزن. يعد $ ext{k}$ الأقل مقبولًا عندما ينتشر الحمل الحراري على مساحة كبيرة. يجب أن يتوافق اختيار المواد مع وزن التطبيق وقيود الميزانية.

المعلمة 3: كثافة الزعانف الداخلية وهندستها - تعظيم مساحة الحمل الحراري

تُستخدم الزعانف الداخلية في ألواح التبريد عالية الأداء. غالبًا ما يتم العثور عليها في تصميمات النحاس أو القنوات الصغيرة. الزعانف عبارة عن هياكل معدنية داخل قناة التدفق. أنها توسع مساحة السطح المبللة. تزيد الزعانف بشكل كبير من معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري (). وهذا يقلل من المقاومة الحرارية للحمل الحراري ().

يجب أن يعمل التصميم على تحسين كثافة الزعانف وارتفاعها وشكلها. كثافة الزعانف الأعلى تعني مساحة سطح أكبر. وهذا يحسن نقل الحرارة. لكن الكثافة العالية تحد أيضًا من تدفق السوائل. يؤدي هذا التقييد إلى زيادة انخفاض الضغط بسرعة (∆P)

هندسة الزعانف ومقارنة الأداء

يؤثر شكل الزعنفة على اختلاط السوائل واضطرابها. يتم استخدام أشكال مختلفة لتلبية الاحتياجات الحرارية المختلفة.

ويجب على المهندسين أيضًا أن يأخذوا بعين الاعتبار كفاءة الزعانف . قد تكون الزعانف الرفيعة جدًا أو الطويلة جدًا ذات كفاءة منخفضة. لا يمكن للحرارة أن تصل بسرعة كافية إلى طرف الزعنفة. يظل طرف الزعنفة أكثر سخونة من القاعدة. في هذه الحالة، إضافة المزيد من المواد الزعنفة لا يساعد. تعد نمذجة CFD ضرورية لتحسين هندسة الزعانف والتباعد.

المعلمة 4: نسبة أبعاد قناة التدفق (H/W) - كثافة مساحة السطح

نسبة العرض إلى الارتفاع هي نسبة ارتفاع القناة (H) إلى عرض القناة (W). هذه النسبة هي عامل رئيسي في التصميم الداخلي. يحدد كثافة مساحة سطح التبريد.

تعمل نسبة H/W الأعلى على زيادة مساحة التبريد. يقوم بذلك دون تغيير البصمة الإجمالية للقناة. يعمل هذا التصميم على تحسين أداء التبريد. إنها طريقة ذكية لتعظيم المحيط المبلل.

نسبة الارتفاع وحدود التصنيع

غالبًا ما تكون نسبة العرض إلى الارتفاع محدودة بتكنولوجيا التصنيع.

● التصنيع باستخدام الحاسب الآلي: تتطلب القنوات العميقة والضيقة أدوات طويلة ورفيعة. هذه العملية تستغرق وقتا طويلا. قد يؤدي ذلك إلى زيادة تآكل الأداة وتقليل دقة القناة.

● اللحام بالفراغ: تسمح هذه العملية بنسب عرض إلى ارتفاع أعلى بكثير. ويستخدم زعانف رفيعة مشكلة مسبقًا. يعد هذا بشكل عام أفضل طريق للوحات الباردة ذات الأداء الفائق.

يجب على المهندسين اختيار أعلى نسبة H/W ممكنة. ويجب أن تكون هذه النسبة قابلة للتصنيع. ويجب أيضًا تجنب مشاكل التدفق. قد تؤدي القناة العميقة جدًا إلى تقييد دخول التدفق وخروجه. وهذا يزيد ∆P. يوازن التصميم بين مكاسب الأداء وجدوى الإنتاج.

المعلمة 5: خشونة جدار قناة التدفق () - الاحتكاك والندرة

خشونة الجدار الداخلي () هي نسيج جدران القناة. إنها معلمة غالبًا ما يتم تجاهلها. إنه يؤثر بقوة على انخفاض ضغط الاحتكاك ().Ra∆Pfric

الخشونة تخلق الاحتكاك. يعمل هذا الاحتكاك ضد تدفق السوائل. تؤدي الخشونة العالية إلى زيادة فقدان الضغط الاحتكاكي. يجب أن يعمل نظام الضخ بجهد أكبر لدفع السائل من خلاله.

تأثير التصنيع على الخشونة

تحدد عملية التصنيع الخشونة.

● التصنيع باستخدام الحاسب الآلي: تحدد جودة القطع النهائي مدى الخشونة. قد يكون من الضروري تلميع ما بعد المعالجة أو الحفر الكيميائي.

● FSW (اللحام بالتحريك بالاحتكاك): تعتبر عملية اللحام هذه ضرورية لألواح بطارية السيارة الكهربائية. تقوم FSW بإنشاء خط لحام داخلي نظيف. لديها سطح أملس. تعمل هذه النهاية على تقليل خسائر الضغط الاحتكاكي مقارنة باللحام الانصهار التقليدي.

● اللحام: يجب أن تكون عملية اللحام نظيفة جداً. أي تدفق أو بقايا متبقية داخل القنوات يزيد من الخشونة. يمكن أن يسبب أيضًا مشاكل التآكل لاحقًا.

يمكن أن تؤدي الخشونة إلى تعزيز الاضطراب قليلاً. وهذا يساعد على نقل الحرارة. ومع ذلك، فإن الزيادة في ∆P عادة ما تكون مرتفعة للغاية. إنها عقوبة غير مقبولة. تتطلب الألواح الباردة عالية الأداء قنوات داخلية سلسة للغاية.

ثالثا. ديناميات الموائع وتكامل النظام)

يركز هذا القسم على السائل نفسه. وينظر إلى عوامل تكامل النظام. تحدد هذه العناصر توزيع الحرارة واستهلاك طاقة النظام والموثوقية على المدى الطويل.

المعلمة 6: نمط التدفق وتخطيط الدائرة - التماثل مقابل ∆P

نمط التدفق هو المسار الذي يسلكه المبرد. إنه العامل الأكثر أهمية لتحقيق توحيد درجة الحرارة () عبر سطح اللوحة الباردة. يجب أن يتطابق التخطيط تمامًا مع الخريطة الحرارية. ويجب التأكد من أن جميع مصادر الحرارة تتلقى سائلًا باردًا بشكل متساوٍ.

مطابقة نمط التدفق وخريطة الحرارة

يجب على المهندسين اختيار نمط التدفق الصحيح. يعتمد هذا الاختيار على توزيع الحرارة للمكون.

تعتبر محاكاة عقود الفروقات ضرورية لهذه الخطوة. إنه يصمم عدم توازن التدفق في الدوائر المتوازية. ويتنبأ بالنقاط الساخنة الناتجة عن التدرج في درجة الحرارة في الدوائر السربنتينية. الهدف هو القضاء على النقاط الساخنة. يجب أن يتم هذا الحذف دون زيادة ∆P أكثر من اللازم.

المعلمة 7: معدل تدفق سائل التبريد (Q) - الأداء مقابل عقوبة الطاقة

معدل التدفق هو حجم سائل التبريد الذي يمر عبر اللوحة الباردة. إنها أقوى طريقة لتحسين الأداء الحراري. يوفر معدل التدفق الأعلى فائدتين. إنه يقلل من ارتفاع درجة حرارة السائل (). كما أنه يزيد من معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري (). يؤدي كلا الإجراءين إلى خفض مستوى .∆TfluidhRth للوحة الباردة

عقوبة القوة المكعبة

يجب على المهندسين النظر في قوة المضخة. تزداد قوة الضخ بشكل حاد مع معدل التدفق.

هذه هي عقوبة القوة المكعبة . وتتطلب مضاعفة معدل التدفق ثمانية أضعاف قوة الضخ. هذا غير فعال للغاية. يجب أن يحسن التصميم معدل التدفق. يجب أن يحقق معدل التدفق الأداء الحراري المطلوب. ويجب أيضًا أن يظل ضمن الحد المقبول للنظام ∆P (على سبيل المثال، 1.5 بار). أي معدل تدفق إضافي هو إهدار للطاقة والتكلفة.

المعلمة 8: درجة حرارة مدخل سائل التبريد () - خط الأساس للنظام

درجة حرارة المدخل () هي درجة حرارة السائل الذي يدخل إلى اللوحة الباردة. هذه المعلمة هي قيد النظام. يتم ضبطه بواسطة وحدة التبريد الخارجية (أو المبرد). ومع ذلك، هو العامل المهيمن. فهو يحدد درجة حرارة التشغيل المطلقة للمكون

تعتمد درجة حرارة المكون على . ويعتمد ذلك أيضًا على كفاءة لوح التبريد

يضمن الجزء السفلي دائمًا مكونًا أكثر برودة.القصدير

القصدير ونظام PUE

لوحة تبريد عالية الكفاءة (منخفضة) تساعد النظام. فهو يسمح للمكون بالبقاء باردًا حتى مع وجود RthTin أعلى من القصدير. يعد التشغيل عند درجة حرارة أعلى أكثر كفاءة. يؤدي ذلك إلى تحسين مركز البيانات الإجمالي (فعالية استخدام الطاقة). يساعد تصميم اللوحة الباردة على تقليل استهلاك الطاقة في جميع أنحاء المنشأة. يجب تحسين التصميم للسماح بأعلى مستوى ممكن من .CDUPUE Tin

المعلمة 9: خصائص سائل التبريد (، ،) - وسط نقل الحرارة

يؤثر اختيار سائل التبريد بشكل كبير على الأداء. ثلاث خصائص رئيسية مهمة. وهي السعة الحرارية النوعية ()، والكثافة ()، واللزوجة ().

الحرارة النوعية ():Cp High يسمح للسائل بامتصاص المزيد من الحرارة. وهذا يحافظ على ارتفاع درجة حرارة السوائل السائبة منخفضة. لزوجة Cp ():mu اللزوجة المنخفضة تعني أن السائل يتدفق بسهولة. هذا يقلل من انخفاض الضغط الاحتكاكي. الكثافة ():ρ تؤثر على إجمالي معدل التدفق الكتلي لمعدل تدفق حجم معين.

مقايضات سائل التبريد

الماء النقي هو أفضل السوائل الحرارية. ومع ذلك، فإنه يتطلب مراقبة دقيقة للتآكل. تُستخدم مخاليط الجليكول والماء في المركبات الكهربائية والأنظمة الصناعية. أنها توفر الحماية من التجميد والتآكل الحرجة. وتأتي هذه الحماية على حساب الأداء. كما أنه يزيد ∆P.

المعلمة 10: مادة الواجهة الحرارية () السُمك وTIMkTIM

هي المادة الواقعة بين مصدر الحرارة واللوحة الباردة. وهو العنصر الأكثر أهمية. يملأ الفجوات الهوائية. الهواء موصل حراري رهيب. غالبًا ما تكون الطبقة هي أكبر مساهم منفرد في إجمالي المقاومة الحرارية.TIMTIMTIMRth، الإجمالي

المقاومة () تتناسب مع سمكها.

الهدف هو تحقيق الحد الأدنى من سمك خط السندات (BLT). وهذا يتطلب ضغطًا عاليًا أثناء التجميع. والأهم من ذلك، أنها تتطلب دقة متناهية من اللوحة الباردة.

متطلبات التسطيح

يجب أن يكون سطح تركيب اللوحة الباردة مسطحًا للغاية. التسطيح السيئ يترك فجوات كبيرة. تتطلب هذه الفجوات طبقة TIM أكثر سمكًا لملئها. الأداء الحراري يتدهور بسرعة. يستخدم Winshare Thermal آلات CNC عالية الدقة وأدوات متخصصة. نحقق تفاوتات تسطيح تبلغ 0.05 مم أو أفضل. يتيح ذلك للعملاء استخدام أنحف مواد TIM وأكثرها فعالية. التسطيح المناسب غير قابل للتفاوض بالنسبة للأنظمة عالية الأداء.

رابعا. الحل القائم على عقود الفروقات لتحقيق التوازن

يعد تصميم اللوحة الباردة السائلة مهمة صعبة. إنها مشكلة تحسين متعددة الأهداف. يجب على المهندسين أن يوازنوا في الوقت نفسه بين 10 معلمات حرجة ومترابطة. يجب عليهم زيادة نقل الحرارة إلى الحد الأقصى مع تقليل انخفاض الضغط والوزن والتكلفة.

التخمين أو الحسابات البسيطة ليست كافية. يتطلب التصميم تحليلاً مفصلاً للغاية. Winshare Thermal هو الحل الاحترافي. يستخدم فريقنا الهندسي أدوات CFD (ديناميكيات الموائع الحسابية) المتقدمة. نحن نصمم ونكرر جميع المعلمات العشرة بسرعة. تتضمن هذه العملية ميزات معقدة مثل تحليل توزيع التدفق وتحسين الهيكل. نحن نضمن أن تصميم اللوحة الباردة هو الأمثل.

نحن نجمع بين هذا التصميم الأمثل والتصنيع المثبت. تشمل قدراتنا تشطيب CNC عالي الدقة وFSW الموثوق به (لحام الاحتكاك). نحن نستخدم أيضًا تقنيات اللحام بالفراغ المتخصصة. وهذا يضمن ترجمة التصميم إلى منتج عالي الموثوقية وقابل للتصنيع. كن شريكًا مع Winshare Thermal لتحويل الكفاءة النظرية إلى أقصى أداء للنظام. يمكننا مواجهة أصعب التحديات الحرارية التي تواجهك.