Design von kundenspezifischen Kühlplatten für Flüssigkeitskühlung

Überlegungen zur Herstellung einer Flüssigkühlplatte speziell für Ihre Anwendung

Flüssigkeitsgekühlte Kühlplatten bieten eine hervorragende Kühlung für elektronische Hochleistungsgeräte und können als Standardprodukte erworben oder kundenspezifisch gestaltet werden. Eine kundenspezifische Kühlplatte wird benötigt, wenn eine Anforderung nach einer speziellen Form oder Schnittstelle besteht oder es eine extreme Leistungsanforderung gibt. Eine extreme Leistungsanforderung tritt auf, wenn die spezifizierte Leistung nicht gleichmäßig über die gesamte Kühlplatte übertragen werden kann oder der Druckabfall und/oder die Kosten für eine konforme Kühlplatte zu hoch wären. Die Verteilung der Wärmebelastungen kann einen oder mehrere Bereiche mit hohen Wärmebelastungen aufweisen. Wenn es Anforderungen an den Druckabfall, an die Gleichmäßigkeit der Oberflächentemperatur der Kühlplatte, spezielle Form- oder Schnittstellenanforderungen oder Kostenbeschränkungen gibt, die ein Standardkühlplattendesign ausschließen, dann ist eine kundenspezifische Kühlplatte die Lösung. Kenntnisse der Kühlplattentechnologien, der thermischen Spezifikationen und der Schritte des Designprozesses werden dabei helfen, das kundenspezifische Kühlplattendesign so zu optimieren, dass es den bestmöglichen Wert liefert.

Kühlplattentechnologien

Für gewöhnlich diktieren die Leistungsanforderungen die Wahl der Kühlplattentechnologie und des Designs, und die Kühlplattentechnologie treibt die Kühlplattenkosten. Generell steigen die Kosten für Kühlplatten mit zunehmender Leistung. Zu den Kühlplattentechnologien gehören Press-Lock™ mit Rohren, Hi-Contact™, gebohrt mit oder ohne expandierte Rohre, kanalisiert und gelötet mit internen Rippen.

Diese Technologien sind in der Reihenfolge aufgeführt, in der sie typischerweise die Kühlplatteneffizienz und -kosten erhöhen:

• Press-Lock™ Rohrkühlplatten – Bei den Press-Lock™-Rohrkühlplatten werden Kupfer- oder Edelstahlrohre in ein kanalisiertes Aluminium-Strangpressprofil gepresst (siehe Abbildung 2). Kundenspezifische Rohrkühlplatten können in praktisch jeder Form oder Größe konstruiert werden, und der Flüssigkeitsweg kann für eine optimale thermische Leistung individuell gestaltet werden. Kundenspezifische Beschichtungen, Bearbeitung, Bohrungen und Gewinde können ebenfalls integriert werden.
  
  
  
  
• Hi-Contact™ Flüssigkühlplatten – Hi-Contact™ Flüssigkühlplatten nutzen eine patentierte, gepresste Rohrgeometrie innerhalb einer Platte, um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten. Diese Technologie optimiert die Kontaktfläche, die die Rohre mit der Kühlfläche haben, um die beste Wärmeübertragung in die Flüssigkeit zu gewährleisten. Die Hi-Contact™ Konstruktion minimiert die Dicke der thermischen Epoxid-Fuge, sodass mehr Wärme von der Aluminiumplatte in das Rohr gelangen kann. Rohre sind in Kupfer, Aluminium und Edelstahl erhältlich, die je nach Anwendung für verschiedene Flüssigkeitswege und Durchmesser angepasst werden können.
  
  
  
  
• Tiefgebohrte Kühlplatten – Tiefgebohrte Kühlplatten werden gefertigt, indem ein Loch durch eine Aluminiumplatte gebohrt wird und, je nach Anwendung, Kupfer- oder Edelstahlrohre eingesetzt und aufgeweitet werden. Das Ergebnis sind doppelseitige Kühlplatten, die gebohrt oder mit einem Gewinde versehen werden können. Ein zusätzlicher Vorteil tiefgebohrter Kühlplatten ist, dass sie engere Toleranzen als Rohrkühlplatten aufweisen können, insbesondere bei Planheitsanforderungen (Abbildung 3).
  
  
  
  
• Kanalkühlplatten – Kanalkühlplatten sind Strangpressprofile mit mehreren Kanälen, gefrästen Kanälen oder anderen Methoden der Kanalformfertigung. Das Strangpressen kann nur gerade Kanäle liefern, aber durch Zerspanung und andere neue Metallschneidemethoden kann eine wesentlich effizientere Form erzielt werden. Kanalkühlplatten können in beliebiger Länge hergestellt und in einer Leiterkonfiguration montiert oder in eine Grundplatte zur großflächigen Kühlung integriert werden (Abbildung 4). Sie können für zusätzlichen Schutz auch konversionsbeschichtet oder eloxiert werden. Es wurden mehrere Designs für verschiedene Anforderungen hinsichtlich der Impedanz-, Druckabfall- und Durchflussbereiche entwickelt (Abbildung 5).
  
  
  
  
  
  
• Innengerippte, gelötete Kühlplatten – Innengerippte, gelötete Kühlplatten bestehen aus zwei Platten mit einer inneren Rippe, die metallurgisch miteinander verbunden sind. Sie können mit einer Vielzahl von Lamellendichten und -formen (glatt, gerastert, mit Lamellenversatz usw.) vakuumgelötet werden. Diese interne Rippe, wie z. B. die Rippe in der CP30-Kühlplatte, fügt wertvolle Wärmeübertragungsfläche hinzu und erzeugt Turbulenzen in der Strömung. Gelötete Kühlplatten haben generell die größte Flexibilität bezüglich ihrer Gestaltung. (Siehe Abbildung 6.)
  
  
  
  

Eine kosteneffiziente, wärmetechnische Lösung resultiert aus der Auswahl eines Kühlplattenlieferanten/-herstellers, der eine breite Palette an Kühlplattentechnologien anbietet.

Wichtige thermische Überlegungen beim Design von Flüssigkeitskühlplatten

Thermische Spezifikationen der Kühlplatte

Zusätzlich zu den vier Arten von Kühlplattentechnologien gibt es auch vier Szenarien für thermische Anforderungen, die im Folgenden aufgeführt sind:

• Gleichmäßiger Wärmestrom, feste Durchflussrate, 1 maximaler Druckabfall, 1 maximale Oberflächentemperatur – Beim thermischen Szenario eins gibt es einen gleichmäßigen Eingangswärmestrom, eine feste Durchflussrate, einen spezifizierten maximalen Druckabfall, der bei einer festen Durchflussrate begrenzt ist, und eine spezifizierte maximale Oberflächentemperatur, bei der die Oberflächentemperatur nicht gleichförmig sein muss.


• Wie 1, aber ungleichmäßiger Wärmestrom – Thermisches Szenario zwei hat die gleichen Spezifikationen wie Szenario eins, aber die Wärmebelastungen sind nicht gleichmäßig, sondern variieren. Die Wärmebelastungen sind an mehreren Stellen unter Bauteilen oder unter bestimmten Bereichen konzentriert.


• Wie 1, aber das Maximun der Oberflächentemperatur variiert – Das thermische Szenario drei hat ebenfalls die gleichen Spezifikationen wie Szenario eins, aber das thermische Szenario drei hat maximale, spezifizierte Oberflächentemperaturen, die über die Kühlplatte variieren, üblicherweise an den einzelnen Bauteilen.


• Wie 1, 2 oder 3, aber Oberflächentemperaturgleichmäßigkeit erforderlich – Beim thermischen Szenario vier können die thermischen Spezifikationen die gleichen sein wie bei den thermischen Szenarien eins, zwei oder drei, aber mit der zusätzlichen Anforderung, dass die maximale Oberflächentemperatur über die gesamte Kühlplatte oder unter bestimmten Bauteilen gleichmäßig sein muss. Wenn beispielsweise zwei Arten von Bauteilen auf der Kühlplatte montiert sind, kann jeder Bauteiltyp eine Temperaturgleichmäßigkeit der gemeinsamen Bauteile erfordern, aber die beiden Typen können unterschiedliche maximale Oberflächentemperaturen haben.

Kühlplattenszenarien 2 und 3 sind bei der kundenspezifischen Konstruktion von Kühlplatten am häufigsten anzutreffen. Die Szenarien 1 bis 4 sind in der Reihenfolge zunehmender Komplexität und Kosten aufgeführt.

Bei der Konstruktion kundenspezifischer Kühlplatten nach beliebigen Spezifikationen sind die logischen Schritte, die die meisten Wärmeexperten gehen, die Definition der Wärmekarte, die Erstellung des Flüssigkeitskreislaufkonzepts, die Berechnung von Temperaturanstieg und Druckabfall und die Umleitung des Flüssigkeitskreislaufs, falls erforderlich.

Definieren der Wärmekarte

Bei mehreren möglichen thermischen Szenarien besteht der erste Schritt beim kundenspezifischen Kühlplattendesign darin, die Wärmekarte im Detail zu definieren. Um eine Wärmekarte zu erstellen, benötigt ein Ingenieur die Abmessungen, Positionen und Wärmebelastungen der zu kühlenden Bauteile. Die maximal zulässige(n) Kühlplattenoberflächentemperatur(en), die Kühlmittelzusammensetzung, dessen Durchflussrate und Eintrittstemperatur und der verfügbare Druckabfall werden ebenfalls benötigt. Außerdem muss für jedes Bauteil der Wärmestrom berechnet werden, was gegebenenfalls die Temperaturausbreitung einschließt.

Wichtige Überlegungen zu Flüssigkeiten beim Design von Flüssigkeitskühlplatten

Erstellung des Flüssigkeitskreislaufkonzepts

Der nächste Schritt besteht darin, die erste Iteration eines Flüssigkeitskreislaufkonzeptes zu erzeugen. Der Flüssigkeitskreislauf muss die erforderliche Leistung bereitstellen, um das Bauteil mit dem höchsten Wärmestrom und jedes Bauteil auf dem Flüssigkeitskreislauf dahinter zu kühlen. Zudem muss dies mit der spezifizierten Durchflussrate und mit einem akzeptablen Druckabfall passieren. Manchmal können Techniken wie beispielsweise ungleichmäßige Breiten von Flüssigkeitsserienpassagen, unterschiedliche Rippendichten unter einzelnen Bauteilen sowie unterschiedliche Rippenhöhen und -typen eingesetzt werden, um die konkurrierenden Anforderungen an Leistung und Druckabfall zu befriedigen. Die Rippengeometrie und die Höhe der Rippe bestimmen die „Rippeneffizienz“ oder wie gut sie die Wärme an die Flüssigkeit überträgt.

Manchmal erfordert die Form von Hochwärmestrom-Bauteilen (z. B. eine große, runde Grundfläche) eine Änderung der natürlichen, gleichmäßigen Strömungsverteilung über die Durchlassbreite, um eine Ungleichmäßigkeit zu erzwingen, was durch die Verwendung unterschiedlicher Rippenlängen oder unterschiedlicher Rippendichten über die Durchlassbreite erreicht werden kann. Vor dem nächsten Bauteil sollten einige Flüssigkeitsausgleichspools (d. h. Mischpools) eingeplant werden. Eine weitere Herausforderung bei der Flüssigkeitsverteilung ist die Notwendigkeit von Inseln im Flüssigkeitsweg, um die Montage von Bauteilen zu ermöglichen. Jede der oben genannten Komplikationen kann die Kosten der Kühlplatte aufgrund der zusätzlichen Anzahl von Rippenstücken, mehrerer Tiefen in einem Hohlraum, mehrerer Rippenformungs-Einrichtungen und des erforderlichen EDM-Schneidens erhöhen.

Berechnung von Temperatur und Druckabfall (Detailentwurfsphase)

Nachdem das Konzept des Flüssigkeitskreislaufs skizziert wurde, sollte die Wärmkarte durch Berechnung der maximalen Oberflächentemperatur unter jedem Bauteil und Berechnung des Gesamtdruckabfalls verifiziert werden. Alle kritischen Wärmebereiche müssen modelliert werden. Wenn eine der Anforderungen nicht erfüllt ist, müssen die Flüssigkeitskreisläufe überarbeitet und die Berechnungen erneut durchgeführt werden.

Umleitung des Flüssigkeitskreislaufs

Wenn die Kühlplatte eine variierende maximale Oberflächentemperatur erfordert (wie im thermischen Szenario drei) und der normale Flüssigkeitskreislauf die Spezifikationen nicht erfüllt, sollte der Flüssigkeitskreislauf so umgeleitet werden, dass die kühlste Flüssigkeit zuerst zu den kritischen Vorrichtungen gelangt oder ein Teil der Flüssigkeit direkt zu diesen Bauteilen umgeleitet wird.

Temperaturgleichmäßigkeit

Wenn die Kühlplattenanforderungen maximale Oberflächentemperaturen und Temperaturgleichmäßigkeit wie im thermischen Szenario vier festlegen, ist der Designprozess sogar noch komplexer. Die einfachste Lösung, um die Gleichmäßigkeit der maximalen Oberflächentemperaturen identischer Bauteile zu gewährleisten, besteht darin, die Bauteile an ähnlichen Punkten ähnlicher paralleler Flüssigkeitspassagen zu positionieren. Das Ergebnis sollte ein Kreislauf sein, der Flüssigkeit mit einer einheitlichen Temperatur bei ausreichenden Durchflussraten an diese Bauteile liefert. Eine andere Technik, die verwendet wird, um eine gleichmäßigere Oberflächentemperatur über die gesamte Kühlplatte zu erzielen, ist die Verwendung einer Gegenstrom-Anordnung (Abbildung 2). In einer Anzahl paralleler Kanäle, auf einer Oberfläche oder auf beiden Seiten der Platte, hat jeder zweite Kanal einen Fluss in die entgegengesetzte Richtung. Bei einer einseitig belasteten oder sehr dünnen Kühlplatte kann ein solcher Ansatz den Oberflächentemperaturgradient deutlich verringern. Ein ähnlicher Effekt kann durch zwei getrennte Flüssigkeitsschichten erzielt werden.

Komplexitäts- und Kostenreduzierung

Bestimmte thermische oder mechanische Anforderungen können einen unlogischen Durchgang des Flüssigkeitskreislaufs erzwingen, was zu einer größeren Komplexität und zu höheren Kosten der Kühlplatte führt. Beispielsweise haben Anwendungen häufig vorgegebene Montagebohrungen, um die der Flüssigkeitskreislauf herumgeführt werden muss, und/oder Komponenten und Flüssigkeitseinlass- und -auslassstellen, die fixiert sind, was die Optionen für den Flüssigkeitskreislauf erheblich einschränkt. Allgemeinen gilt: Je flexibler das Design ist, desto einfacher ist die Konstruktion der Kühlplatte und desto mehr Einsparungen können Sie erzielen. Durch eine enge Zusammenarbeit mit einem Leiterplattendesigner oder Elektroingenieur kann der Wärmetechniker Vorschläge für die Abstände und Positionierung von Bauteilen machen, um sicherzustellen, dass sie unter Berücksichtigung sowohl der elektrischen als auch der thermischen Anforderungen entworfen werden. Dies kann das Kühlplattendesign erheblich vereinfachen und die Kosten reduzieren. Weitere Informationen zu den Kosten für Kühlplatten finden Sie in unserem Anwendungshinweis „Kostentreiber bei der Fertigung von Flüssigkeitskühlplatten“.

Es ist wichtig, die verschiedenen Designtechniken zu verstehen, die eine kundenspezifische Kühlplattenlösung ermöglichen, um die anspruchsvollsten thermischen und mechanischen Anforderungen zu erfüllen. Bei Tausenden von Umsetzungen für ein kundenspezifisches Kühlplattendesign ist eine fachmännische Konstruktion der Schlüssel zum Erfolg. Flexibilität bei der Position von Ein- und Auslässen, die richtige Führung des Flüssigkeitskreislaufs und die Verwendung von Rippen oder Kanälen können dazu beitragen, eine thermische Lösung zu schaffen, die den besten Wert für die Anwendung bietet. Da sich die Wärmebelastungen immer mehr konzentrieren und der für die Kühlung zur Verfügung gestellte Raum immer kleiner wird, werden immer mehr kundenspezifische Kühlplatten zum Einsatz kommen, um den einzigartigen Flüssigkeitskühlungsbedarf der jeweiligen Anwendungen zu erfüllen. Aavid, der Unternehmensbereich für Wärmetechnik der Boyd Corporation, hat jahrzehntelange Erfahrung im Design und der Fertigung kundenspezifischer Kühlplatten für Leiterplatten und andere Elektronik und stellt sicher, dass deren hohe Anforderungen an die thermische Leistung und die Kostengrenzen eingehalten oder übertroffen werden.