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Arten von Flüssigkeitskühlplatten und wichtige Designüberlegungen

06.05.2025

Im Bereich des Wärmemanagements ist Platz die entscheidende Ressource – er umfasst Temperaturanstieg, geometrische Einschränkungen und zunehmend auch den Energieverbrauch. Mit der zunehmenden Bedeutung umweltfreundlicher, energieeffizienter Rechenzentren werden diese Faktoren für die Entwicklung von Flüssigkühlplatten entscheidend.

 

Ähnlich wie bei luftgekühlten Kühlkörpern besteht die grundlegende Rolle eines FlüssigkeitskühlplatteZiel ist die effiziente Wärmeübertragung auf ein fließendes flüssiges Kühlmittel. Um dies zu erreichen, muss die Platte den Kontakt zwischen festen Oberflächen und Flüssigkeit maximieren, häufig durch Rippenstrukturen. Im Gegensatz zu Luft hat Flüssigkeit eine höhere Viskosität und dichtere Grenzschichten, was eine präzise Strömungsrichtung innerhalb der Kühlplatte erfordert. Die Abdichtung des Kühlmittels und die Vermeidung von Leckagen sind ebenfalls entscheidend; daher hat die Schweißqualität großen Einfluss auf die langfristige Zuverlässigkeit und Leistung.

Im Folgenden untersuchen wir gängige Arten von lFlüssigkeitskühlplatten aus der Perspektive des thermischen Designs.

1. Monolithische Kühlplatten mit Lamellen

Bei diesem Design bilden Lamellen und Grundplatte eine integrierte Struktur, wodurch Kontaktwiderstände vermieden werden. Zu den Herstellungsverfahren gehören Schälen, CNC-Bearbeitung, Löten, Rührreibschweißen, Laserschweißen, 3D-Druck und Pulvermetallurgie. (Beispiel: Kühlplatten mit geschälten Lamellen).

Eingebettete Kühlplatten mit Lamellen

2. Eingebettete Kühlplatten

Hierbei wird die Grundplatte mit Hohlräumen bearbeitet und separat gefertigte Lamellen durch Schweißen oder Kleben befestigt. Obwohl zwischen Lamelle und Grundplatte ein Kontaktwiderstand besteht, ermöglicht dieses Design eine größere Flexibilität bei der Lamellenherstellung, beispielsweise durch Stanzen, Kaltschmieden, gefaltete Lamellen oder 3D-Druck. Schaummetalle können Hohlräume auch füllen, um die Konvektion zu verbessern.

3. Gefräste Kanalkühlplatten

Die Kanäle werden direkt in die Platte gefräst und mit einer Abdeckung durch Schweißen oder Dichtungen und Schrauben verschlossen. Diese Konstruktion bietet einen geringen Strömungswiderstand und eignet sich für mäßige, großflächig verteilte Wärmelasten.

Röhrenkühlplatten

4. Röhrenkühlplatten

Rohre leiten das Kühlmittel durch in die Grundplatte eingearbeitete Nuten, die oft zwischen zwei Platten eingespannt sind. Die Rohr- und Grundmaterialien können unterschiedlich sein, was die Kompatibilität mit unterschiedlichen Flüssigkeiten verbessert. Diese Konstruktion hat dieselben Vor- und Nachteile wie gefräste Kanalplatten, bietet aber eine bessere Anpassung an Flüssigkeiten.

5. Gestanzte und aufgeblasene Kühlplatten

Gestanzte Kühlplatten verwenden gepresste Strömungskanäle, die durch Schweißen mit einem zweiten Aluminiumblech verbunden sind. Aufgeblasene Designs erzeugen Strömungskanäle, indem Graphitspuren zwischen die Bleche gedruckt und mit Hochdruckgas aufgeweitet werden. Diese leichten Platten ermöglichen eine kostengünstige Produktion in großen Stückzahlen und werden häufig in Batteriepacks eingesetzt.

6. Dünnwandige extrudierte Kühlplatten

Extrudierte Strömungskanäle mit geschweißten Verteilern erzeugen dünnwandige Kühlplatten, auch als „Harfenrohre“ bekannt. Sie sind kostengünstig für lange Strömungswege und ideal für gleichmäßig verteilte Wärmelasten, wie sie in Batteriepacks und einigen Zweiphasen-Kühlanwendungen üblich sind.

Wichtige Überlegungen zum Kühlplattendesign

Erosion: Hohe Fließgeschwindigkeiten können die Erosion beschleunigen. Die richtige Materialauswahl und Durchflussregelung sind daher unerlässlich.

Blockaden: Reinigen und filtern Sie Flüssigkeiten, um die Ansammlung von Partikeln zu verhindern, die Kanäle verstopfen oder Dichtungen beschädigen können.

Verformung: Hohe Innendrücke (bis zu 0,5 MPa) können bei dünnen oder schwachen Grundplatten zu einer Plattenwölbung führen, was zu einem schlechten Wärmekontakt führt.

Ebenheit: Eine gute Ebenheit gewährleistet dünne, niederohmige Schichten aus thermischem Schnittstellenmaterial (TIM) zwischen der Kühlplatte und den Wärmequellen.

Strömungswiderstand vs. Wärmeübertragung: Mehr Lamellen oder längere Strömungswege erhöhen die Wärmeübertragung, erhöhen aber auch den Strömungswiderstand. Optimierte Designs gleichen beides aus.

Leckagerisiko: Nähte und Schnittstellen, insbesondere Schweißverbindungen und Rohrverbindungen, stellen potenzielle Leckstellen dar. Zerstörungsfreie Prüfungen, Heliumlecksuche und Druckprüfungen sind daher unerlässlich.

Da die Wärmestromdichte weiter steigt, Phasenwechselkühlung wird relevanter. Zwei Haupttypen sind:
      1. Kochende Kühlung: Teilweise Verdampfung an der Wärmequelle, wobei ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch entsteht.

      2.Kühlung durch Blitzverdampfung: Vollständige Verdampfung an der Wärmequelle, wobei nur Dampf abgegeben wird.

Siedeflächen erfordern spezielle Mikrostrukturen, um Keimbildung, Blasenabgang und Wärmeübertragungsraten zu optimieren. Der kritische Wärmestrom (CHF) stellt die Konstruktionsgrenze dar. Wird er überschritten, kann dies die Kühlleistung drastisch reduzieren oder sogar das Kühlplattenmaterial zerstören.

Oberflächenbehandlungen (mechanisch, chemisch, Sinterbeschichtungen, 3D-gedruckte Mikrostrukturen) sind entscheidend für die Verbesserung des CHF und die Anpassung von Kühlplatten für Anwendungen mit hoher Dichte wie die Kühlung von KI-Servern.

Linda / DirektverkaufR

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