Perguntas frequentes sobre placas frias líquidas

Nossos engenheiros de vendas e engenheiros de clientes têm dúvidas e questões fundamentais sobre alguns conceitos e projetos de placas frias líquidas. Por meio do conteúdo deste artigo, você pode consultar muitos parâmetros técnicos no processo de projeto de placas frias líquidas.

Perguntas frequentes

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1. O que é uma placa de resfriamento líquido?

A placa de resfriamento líquido é um dispositivo de troca de calor eficiente. Estruturalmente, é feito principalmente de materiais metálicos, comumente cobre ou alumínio. Como o cobre tem alta condutividade térmica e o alumínio é relativamente barato e leve, esses metais podem conduzir calor rapidamente. A parte central são os canais projetados internamente. O líquido de resfriamento (geralmente água ou refrigerante à base de água com aditivos especiais, e também há outros líquidos especialmente formulados) circula nesses canais. Quando a placa de resfriamento líquido está em contato próximo com os componentes de aquecimento, o calor é transferido dos componentes de aquecimento para a placa de resfriamento líquido. O líquido de resfriamento flui pelos canais, absorve o calor da placa de resfriamento líquido e retira o calor, realizando assim o resfriamento dos componentes de aquecimento. Em termos de cenários de aplicação, a placa de resfriamento líquido é amplamente utilizada no campo eletrônico. Por exemplo, em servidores de alto desempenho, componentes-chave como CPUs e GPUs geram uma grande quantidade de calor, e a placa de resfriamento líquido pode reduzir efetivamente a temperatura desses componentes para garantir sua operação estável. No campo dos veículos elétricos, a bateria e o motor geram calor durante a operação, e a placa de resfriamento líquido pode dissipar calor para esses componentes para garantir o desempenho e a segurança da bateria e estender sua vida útil.

2. Quais parâmetros são necessários para projetar uma placa resfriada a líquido?

Carga térmica: É necessário esclarecer o calor que a placa de resfriamento líquido precisa dissipar. Isso depende da potência dos elementos de aquecimento em contato com ela e é a base do projeto. A unidade geralmente é o watt (W).

Resistência térmica: Reflete a capacidade da placa de resfriamento líquido de resistir à transferência de calor. Quanto menor a resistência térmica, melhor o efeito de dissipação de calor. A unidade é kelvin por watt (K/W).

Temperatura ambiente : A temperatura do ambiente de trabalho da placa de refrigeração líquida. Por exemplo, em alguns ambientes industriais, a temperatura pode ser relativamente alta, enquanto em equipamentos eletrônicos comuns, a temperatura ambiente é relativamente baixa. A unidade é graus Celsius (℃) ou kelvin (K).

Temperatura operacional alvo: Ou seja, a faixa de temperatura que a placa de resfriamento líquido precisa manter para o elemento de aquecimento. Diferentes elementos (como chips de alto desempenho ou baterias) têm diferentes faixas de temperatura operacional ideais. Vazão: A vazão do fluido refrigerante nos canais de fluxo da placa de resfriamento líquido. Ela afeta diretamente a eficiência da transferência de calor. Geralmente, é expressa em litros por minuto (L/min) ou metros cúbicos por segundo (m³/s).

Capacidade térmica específica: Diferentes fluidos refrigerantes (como água, solução de etilenoglicol, etc.) possuem diferentes capacidades térmicas específicas. Quanto maior a capacidade térmica específica, mais calor é absorvido ou liberado sob a mesma variação de massa e temperatura. A unidade é joules por quilograma kelvin (J/(kg·K)).

Viscosidade: Afeta a resistência ao fluxo do fluido refrigerante nos canais de circulação. Quanto maior a viscosidade, maior a resistência ao fluxo e mais fácil é gerar perda de pressão ao fluir nos tubos. A unidade é pascal-segundo (Pa·s).

Condutividade térmica: Quanto maior a condutividade térmica do material (como cobre, alumínio, etc.) da placa de resfriamento líquido, mais rapidamente o calor é transferido do elemento de aquecimento para o fluido refrigerante. A unidade é watts por metro kelvin (W/(m·K)).

Resistência mecânica: Garantir que a placa de resfriamento líquido não se deforme ou sofra danos durante o processamento, instalação e uso, incluindo resistência à tração, resistência à compressão e outros indicadores.

Comprimento, largura e profundidade do canal de fluxo: Esses parâmetros determinam a área da seção transversal e o volume total do canal de fluxo, que, por sua vez, afetam a vazão e o tempo de residência do fluido refrigerante no canal. As unidades são metros (m) ou milímetros (mm).

Tecnologia de soldagem: Por exemplo, o uso de diferentes métodos de soldagem, como FSW (soldagem por fricção), brasagem, soldagem a laser e soldagem a arco de argônio, tem efeitos distintos na vedação e na resistência da solda da placa de resfriamento líquido. A qualidade da soldagem está diretamente relacionada à confiabilidade e à vida útil da placa de resfriamento líquido.

Layout do canal de fluxo: Pode assumir várias formas, como canais retos, canais serpentinos, canais paralelos, etc. Diferentes layouts têm efeitos distintos na distribuição do fluxo e na perda de pressão, e precisam ser projetados de acordo com os requisitos específicos de dissipação de calor e as características do fluido.

3. Quais são as técnicas de processamento para placas resfriadas a líquido?

Os principais processos de produção da placa de resfriamento líquido são os seguintes: Soldagem por fricção e agitação, que usa o atrito entre a cabeça de agitação e a peça de trabalho para gerar calor para amolecer o material e formar uma costura de solda. Este método de soldagem tem alta qualidade e não requer arame de solda; brasagem, que usa um material de brasagem de baixo ponto de fusão que é aquecido e derretido para preencher a costura de solda, obtendo um bom efeito de conexão; soldagem por difusão a vácuo, na qual as peças soldadas estão em contato próximo em um ambiente de vácuo e os átomos se difundem para obter a conexão, resultando em uma costura de solda de alta resistência; soldagem a arco de argônio, que conduz a soldagem com a proteção do gás argônio para o arco, e a costura de solda é bonita e tem qualidade estável; processo de estampagem, que estampa a placa de metal em um formato específico e é adequado para a formação preliminar da placa de resfriamento líquido com uma estrutura complexa. Esses processos garantem a qualidade e o desempenho da placa de resfriamento líquido.

4. Quais são as vantagens das placas refrigeradas a líquido em comparação aos radiadores tradicionais refrigerados a ar?

As placas de resfriamento líquido têm uma alta eficiência de dissipação de calor e podem tornar a temperatura dos componentes de aquecimento mais uniforme. Elas podem atender aos requisitos de dissipação de calor de equipamentos de alta densidade de potência e são menos afetadas pela temperatura ambiente. Por outro lado, a dissipação de calor por resfriamento a ar tem uma estrutura simples, baixo custo e não requer líquido de resfriamento adicional. Sua instalação e manutenção são relativamente convenientes. Em cenários com espaço limitado, as placas de resfriamento líquido podem organizar os componentes de dissipação de calor de forma mais compacta. No entanto, em alguns equipamentos de baixa potência onde os requisitos de dissipação de calor não são extremamente altos, o resfriamento a ar ainda desempenha um papel importante devido à sua economia e fácil operação.

5. A aplicação de placas resfriadas a líquido em data centers

Em data centers, a placa de resfriamento líquido desempenha um papel crucial. Como servidores e outros equipamentos em data centers geram uma grande quantidade de calor durante a operação, a placa de resfriamento líquido pode dissipar o calor de forma eficiente. Ela adere firmemente aos elementos de aquecimento, e o refrigerante circula nos canais internos para rapidamente retirar o calor. Comparada com o resfriamento a ar tradicional, a placa de resfriamento líquido tem maior eficiência de dissipação de calor e é mais silenciosa. Isso ajuda a reduzir a temperatura no data center, garante a operação estável do equipamento, reduz falhas e degradação de desempenho causadas por superaquecimento e estende a vida útil do equipamento, fornecendo uma garantia poderosa de dissipação de calor para a operação eficiente e confiável do data center.

6. Qual é o papel fundamental da placa resfriada a líquido na dissipação de calor da bateria e do motor?

Em termos de dissipação de calor da bateria, a placa de resfriamento líquido desempenha um papel crucial. Durante o processo de carga e descarga da bateria, o calor é gerado. Se o calor se acumular, afetará o desempenho e a segurança da bateria. A placa de resfriamento líquido está intimamente ligada à bateria. Por meio do fluxo circulante do refrigerante, ele retira o calor de forma eficiente e mantém a temperatura da bateria dentro de uma faixa adequada, estendendo assim a vida útil da bateria, melhorando a eficiência de carga e descarga da bateria e reduzindo o risco de fuga térmica. Para dissipação de calor do motor, quando o motor está funcionando, o calor é gerado devido à corrente que passa por componentes como enrolamentos e núcleos de ferro. A placa de resfriamento líquido pode transferir rapidamente o calor para o refrigerante. Como o líquido tem uma grande capacidade de calor específico, ele pode absorver uma grande quantidade de calor enquanto o aumento de temperatura é relativamente pequeno. Isso garante a estabilidade da temperatura de trabalho do motor, reduz os danos ao isolamento dos enrolamentos do motor causados ​​por altas temperaturas, reduz a perda do motor, melhora a potência de saída e a eficiência operacional do motor e garante que o motor possa operar de forma confiável sob diferentes condições de trabalho.

7. Como projetar a estrutura do canal de fluxo de uma placa de resfriamento líquido com base em diferentes potências e formatos de fonte de aquecimento?

Aumentar a vazão: Como uma fonte de calor de alta potência gera uma grande quantidade de calor, é necessária uma vazão maior do fluido refrigerante para dissipá-lo em tempo hábil. A largura e a profundidade dos canais de fluxo podem ser aumentadas, ou o número de canais pode ser aumentado, por exemplo, utilizando múltiplos canais de fluxo paralelos para aumentar a vazão total do fluido refrigerante.

Otimize o layout do canal de fluxo: projete um layout de canal de fluxo mais complexo, como um canal de fluxo serpentino ou espiral, para aumentar a área de contato e o tempo de contato entre o fluido refrigerante e a fonte de calor, melhorando assim a eficiência da dissipação de calor.

Reduzir adequadamente a vazão: Para uma fonte de calor de baixa potência, uma vazão excessiva de fluido refrigerante não é necessária. O tamanho dos canais de fluxo pode ser reduzido adequadamente para diminuir a vazão do fluido refrigerante e evitar perdas desnecessárias de energia. Estrutura simples do canal de fluxo: Um canal de corrente contínua simples pode ser utilizado. Essa estrutura é simples, tem baixo custo de fabricação e, ao mesmo tempo, atende aos requisitos de dissipação de calor de fontes de calor de baixa potência.

Design com formato correspondente: Quando a fonte de calor tem um formato regular, os canais de fluxo podem ser projetados com um formato geométrico semelhante ao da fonte de calor. Por exemplo, para uma fonte de calor quadrada, pode-se projetar uma grade de canais de fluxo quadrada; para uma fonte de calor circular, pode-se projetar um canal de fluxo anular. Isso permite que o fluido refrigerante seja distribuído uniformemente dentro dos canais de fluxo e garante um efeito de dissipação de calor uniforme em todas as partes da fonte de calor. Layout simétrico: Ao projetar os canais de fluxo, utiliza-se um layout simétrico para permitir que o fluido refrigerante flua uniformemente em direção à fonte de calor a partir de todas as direções, melhorando ainda mais a uniformidade da dissipação de calor.

Projeto de partição: Divida uma fonte de calor de formato irregular em várias áreas relativamente regulares e, em seguida, projete a estrutura do canal de fluxo correspondente para cada área. Por exemplo, para uma fonte de calor poligonal, ela pode ser dividida em várias áreas triangulares ou quadriláteras, e então os canais de fluxo podem ser projetados respectivamente.

Ajuste flexível dos canais de fluxo: De acordo com o formato específico da fonte de calor, ajuste de forma flexível a largura, a profundidade e a direção dos canais de fluxo para que se adaptem o máximo possível ao contorno da fonte de calor, garantindo que o calor seja transferido de forma eficaz para o fluido refrigerante.

8. Como projetar canais de fluxo para garantir dissipação uniforme de calor para chips de aquecimento irregular?

De acordo com as características de aquecimento do chip, divida a superfície do chip irregular em várias regiões diferentes. Essas regiões podem ser divididas de acordo com fatores como a densidade da distribuição de calor e as partes onde o calor é concentrado. Por exemplo, para um chip com vários núcleos e aquecimento irregular, divida a área onde cada núcleo está localizado em uma região separada. Avalie os requisitos de dissipação de calor de cada região para determinar a taxa de fluxo do refrigerante e a eficiência de dissipação de calor necessárias para cada região. Por exemplo, o projeto do canal de fluxo correspondente à região com uma grande quantidade de geração de calor deve ser mais propício ao fluxo rápido e à troca de calor do refrigerante.

9. Quais são as vantagens e desvantagens dos diferentes materiais metálicos da placa fria líquida?

Materiais comuns para placas de resfriamento líquido incluem cobre, alumínio e aço inoxidável. As placas de resfriamento líquido de cobre têm a vantagem de que sua condutividade térmica é extremamente excelente. Com um alto coeficiente de condutividade térmica, ele pode transferir calor rapidamente e é adequado para cenários de dissipação de calor de alta potência. Ele também tem bom desempenho de processamento e pode ser transformado em estruturas complexas. No entanto, o cobre tem um alto custo e uma grande densidade, resultando em um peso pesado.

A placa de resfriamento líquido de alumínio tem um custo baixo e o preço é acessível, o que é benéfico para reduzir o custo geral. É leve e adequado para equipamentos sensíveis ao peso. Ao mesmo tempo, tem boa condutividade térmica e pode atender à maioria dos requisitos convencionais de dissipação de calor. No entanto, o alumínio tem propriedades antioxidantes fracas e é propenso a formar uma película de óxido que afeta a condutividade térmica, e sua resistência mecânica não é tão boa quanto a de outros materiais. A placa de resfriamento líquido de aço inoxidável tem forte resistência à corrosão e pode ser usada em ambientes agressivos, como ambientes úmidos, ácidos e alcalinos. Tem alta resistência mecânica e pode suportar grandes forças externas. Mas a desvantagem é que sua condutividade térmica é relativamente baixa e a eficiência de transferência de calor é baixa, por isso não é muito adequado para ocasiões com requisitos extremamente altos de eficiência de dissipação de calor.

10. Como configurar a vazão e a pressão da placa de resfriamento líquido e da bomba de circulação de água para obter o melhor efeito de dissipação de calor?

Primeiro, é necessário avaliar o poder de aquecimento da fonte de calor (como chips, baterias, etc.). Em geral, quanto maior o poder de aquecimento, maior a taxa de fluxo de refrigerante necessária. Por exemplo, para uma CPU de servidor de alta potência, uma taxa de fluxo relativamente alta (como várias dezenas de litros por minuto ou até mais) pode ser necessária para remover o calor em tempo hábil para garantir que a temperatura não exceda a faixa de trabalho segura.

Ajuste a taxa de fluxo de acordo com a eficiência de troca de calor da placa de resfriamento de líquido. Se a placa de resfriamento de líquido for projetada com uma grande área de troca de calor e uma estrutura de canal de fluxo eficiente, uma taxa de fluxo relativamente baixa pode ser suficiente para atender aos requisitos de dissipação de calor; caso contrário, a taxa de fluxo pode precisar ser aumentada. Geralmente, a eficiência de troca de calor da placa de resfriamento de líquido está relacionada a fatores como o design do canal de fluxo e a condutividade térmica do material.

A vazão não é quanto maior, melhor. Uma vazão excessiva pode levar a pressão excessiva do sistema, aumento do consumo de energia e impacto desnecessário no líquido – placa de resfriamento e tubos. Uma vazão muito pequena não pode remover o calor a tempo, resultando em efeito de dissipação de calor ruim. É necessário fazer ajustes finos na prática de acordo com o efeito de dissipação de calor específico e as condições de operação do sistema para encontrar um valor de vazão que possa atender aos requisitos de dissipação de calor sem causar desperdício de recursos.

A estrutura, o comprimento, o grau de curvatura dos canais de fluxo interno da placa de resfriamento de líquido e a espessura dos tubos afetarão a resistência do sistema. Por exemplo, um projeto de canal de fluxo complexo (como um canal de fluxo serpentino) e um tubo longo aumentarão a resistência do sistema. Neste momento, a bomba de água circulante precisa fornecer uma pressão mais alta para garantir o fluxo normal do refrigerante. Em termos gerais, de acordo com a resistência total do sistema, uma bomba de água com uma faixa de pressão adequada pode ser selecionada. A faixa de pressão comum das bombas de água varia de vários pascais a várias dezenas de pascais.

Certifique-se de que a pressão pode superar a resistência local no sistema. Peças como juntas de tubos e válvulas no sistema podem causar quedas de pressão locais. Ao projetar o sistema, esses fatores que afetam a pressão devem ser considerados, e a pressão da bomba de água deve ser razoavelmente selecionada para garantir o fluxo estável do refrigerante em todo o sistema de ciclo de resfriamento líquido.

A flutuação de pressão da bomba de água circulante afetará a estabilidade do sistema de resfriamento líquido. Portanto, é muito importante selecionar uma bomba de água com uma saída de pressão estável. Algumas bombas de água circulante de alta qualidade adotam tecnologias de controle avançadas (como controle de conversão de frequência) para manter a estabilidade da pressão, garantindo assim que o sistema de resfriamento líquido possa fornecer efeitos confiáveis ​​de dissipação de calor sob diferentes condições de trabalho.

11. Qual é o padrão de resistência à pressão para placas frias líquidas de nível industrial e automotivo em geral?

Placas de resfriamento líquido de grau industrial: A capacidade de resistência à pressão das placas de resfriamento líquido de grau industrial é geralmente em torno de 1 – 3 MPa. Isso ocorre porque no ambiente industrial geral, o sistema de resfriamento líquido precisa lidar principalmente com a pressão operacional regular do equipamento, um certo grau de flutuações de pressão na tubulação e as mudanças de pressão geradas durante o processo de circulação do refrigerante. Por exemplo, nos sistemas de resfriamento de alguns equipamentos de automação industrial e equipamentos de estação base de comunicação, uma capacidade de resistência à pressão de 1 – 3 MPa pode atender aos requisitos da maioria dos cenários de uso.

Placas de resfriamento líquido de grau automotivo, devido ao ambiente operacional complexo do veículo, incluindo vibração do veículo, uma grande faixa de mudança de temperatura e requisitos extremamente altos de segurança, seus padrões de resistência à pressão são geralmente mais altos. A capacidade de resistência à pressão das placas de resfriamento líquido de grau automotivo é geralmente em torno de 3 a 5 MPa. No resfriamento do sistema de energia do veículo (como a bateria e o motor de acionamento de um veículo elétrico), uma maior capacidade de resistência à pressão pode garantir a operação estável do sistema de resfriamento líquido sob várias condições de trabalho do veículo (como aceleração repentina e frenagem repentina) e evitar problemas de segurança, como a ruptura da placa de resfriamento líquido e vazamento de refrigerante causados ​​por mudanças repentinas de pressão. Ao mesmo tempo, os padrões e regulamentos relevantes na indústria automotiva também têm requisitos rigorosos para a segurança e confiabilidade do sistema de resfriamento líquido, o que também promove que as placas de resfriamento líquido de grau automotivo tenham maior desempenho de resistência à pressão.

12. Qual é a faixa de fluxo razoável de refrigerante dentro da placa de resfriamento líquido com base em diferentes potências de dissipação de calor? Por exemplo, a taxa de fluxo de uma fonte de calor de 1000 W e uma placa fria líquida. Quantos litros por minuto precisamos atingir?

De acordo com o princípio do equilíbrio térmico, o calor retirado pelo refrigerante é igual ao calor gerado pela fonte de calor. A fórmula do calor é Q , onde Q é o calor (em joules), m é a vazão mássica (em quilogramas por segundo), c é a capacidade térmica específica do refrigerante (a capacidade térmica específica da água é de cerca de 4200j/kg.˚C ), e Δtm é a diferença de temperatura entre a entrada e a saída do refrigerante. A relação entre a vazão mássica e a vazão volumétrica V (em litros por minuto) é ρ=m/V , onde ρ é a densidade do refrigerante (a densidade da água é de cerca de 1000kg/m3=1kg/L) Para uma fonte de calor de 1 quilowatt (1000W), suponha que a diferença de temperatura Δtm entre a entrada e a saída do refrigerante seja (a faixa de valores geral é de 5-15˚C ).

13. Como minimizar o peso e o tamanho das placas resfriadas a líquido para garantir o desempenho ideal de dissipação de calor?

Para minimizar o peso e o tamanho da placa de resfriamento líquido, garantindo o efeito de dissipação de calor, esforços podem ser feitos de vários aspectos. Em termos de design, microcanais podem ser adotados e o tamanho dos canais pode ser reduzido para aumentar a área de contato entre o refrigerante e as paredes do canal e melhorar a eficiência de dissipação de calor; ou um canal de fluxo fractal pode ser projetado para obter um caminho de refrigerante complexo e eficiente em um espaço pequeno. Em termos de layout, de acordo com o formato da fonte de calor, um design bem ajustado pode ser realizado para reduzir o desperdício de espaço. Ele também pode ser integrado com componentes como radiadores. Em termos de seleção de material, novos materiais compostos com alta condutividade térmica e baixa densidade, como materiais compostos à base de carbono ou materiais de espuma metálica, podem ser usados ​​para reduzir o peso, garantindo a condutividade térmica. Na tecnologia de processamento, o processamento a laser e a tecnologia de impressão 3D podem ser usados ​​para criar estruturas de canal finas, controlar com precisão o tamanho e reduzir o uso de materiais. Ao integrar esses aspectos, o efeito ideal de dissipação de calor da placa de resfriamento líquido pode ser obtido, minimizando o peso e o tamanho.

14. A influência do projeto de microcanais no desempenho de placas resfriadas a líquido

Em termos de eficiência de dissipação de calor, o microcanal pode aumentar muito a área de troca de calor. Devido ao seu pequeno tamanho de canal, mais canais podem ser dispostos dentro do mesmo volume, aumentando a área de contato entre o refrigerante e a superfície da parede e permitindo uma rápida transferência de calor. Além disso, o microcanal faz o refrigerante fluir próximo ao fluxo laminar, com uma fina camada de líquido e um efeito de parede significativo, fortalecendo o processo de transferência de calor. Em termos de características de pressão e fluxo, o microcanal aumentará a resistência ao fluxo. Devido ao seu pequeno tamanho, a resistência ao atrito do refrigerante aumenta, exigindo uma pressão maior para empurrar o refrigerante para fluir. Ao mesmo tempo, o requisito de uniformidade de fluxo é maior, e a não uniformidade afetará o efeito de dissipação de calor. Da perspectiva de materiais e técnicas de processamento, o microcanal tem altos requisitos para a condutividade térmica e desempenho de processamento de materiais. Materiais com alta condutividade térmica e fácil processamento precisam ser selecionados. E técnicas de processamento de alta precisão, como processamento a laser e impressão 3D, são necessárias para o processamento. Embora essas técnicas possam atender aos requisitos, elas são caras e complexas de operar.

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