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Tipos de placas frías de líquido y consideraciones clave de diseño

6 de mayo de 2025

En el campo de la gestión térmica, el espacio es el recurso fundamental, que abarca la tolerancia al aumento de temperatura, las limitaciones geométricas y, cada vez más, las restricciones en el consumo de energía. A medida que los centros de datos ecológicos y energéticamente eficientes cobran mayor importancia, estos factores se vuelven cruciales para el diseño de placas de refrigeración líquidas.

 

De manera similar a los disipadores de calor refrigerados por aire, el papel fundamental de un placa fría líquidaEl objetivo es transferir calor eficientemente a un refrigerante líquido en movimiento. Para lograrlo, la placa debe maximizar el contacto entre las superficies sólidas y el líquido, a menudo mediante estructuras de aletas. A diferencia del aire, el líquido tiene mayor viscosidad y capas límite más estrechas, lo que requiere una direccionalidad de flujo precisa dentro de la placa fría. Sellar el refrigerante y evitar fugas también es fundamental; por lo tanto, la calidad de la soldadura influye considerablemente en la fiabilidad y el rendimiento a largo plazo.

A continuación, exploramos los tipos comunes de lplacas de enfriamiento de líquidos desde una perspectiva de diseño térmico.

1. Placas frías de aletas monolíticas

En este diseño, las aletas y la placa base forman una única estructura integrada, lo que elimina la resistencia de contacto. Las técnicas de fabricación incluyen el biselado, el mecanizado CNC, la soldadura fuerte, la soldadura por fricción y agitación, la soldadura láser, la impresión 3D y la pulvimetalurgia. (Ejemplo: Placas frías de aletas biseladas).

Placas frías de aletas integradas

2. Placas frías de aletas integradas

Aquí, la placa base se mecaniza con cavidades y las aletas, fabricadas por separado, se fijan mediante soldadura o unión. Si bien existe resistencia de contacto entre la aleta y la placa base, este diseño permite una mayor flexibilidad en la fabricación de aletas, como mediante estampado, forjado en frío, aletas plegadas o impresión 3D. Las cavidades también se pueden rellenar con espuma metálica para mejorar la convección.

3. Placas frías de canal fresado

Los canales se fresan directamente en la placa y se sellan con una tapa mediante soldadura o juntas y pernos. Este diseño ofrece baja resistencia al flujo y es adecuado para cargas térmicas moderadas distribuidas en una amplia superficie.

Placas frías tubulares

4. Placas frías tubulares

Los tubos transportan el refrigerante a través de ranuras mecanizadas en la placa base, a menudo fijadas entre dos placas. Los materiales del tubo y de la base pueden variar, lo que mejora la compatibilidad con diversos fluidos. Este diseño comparte ventajas y desventajas con las placas de canal fresadas, pero ofrece mayor adaptabilidad a los fluidos.

5. Placas frías estampadas e infladas

Las placas frías estampadas utilizan canales de flujo prensados ​​y sellados a una segunda lámina de aluminio mediante soldadura. Los diseños inflados crean canales de flujo mediante la impresión de trazas de grafito entre las láminas y su expansión con gas a alta presión. Estas placas ligeras ofrecen una producción económica y de alto volumen, y se utilizan ampliamente en baterías.

6. Placas frías extruidas de pared delgada

Los canales de flujo extruidos con colectores soldados crean placas frías de paredes delgadas, también conocidas como "tubos de arpa". Son rentables para trayectos de flujo largos e ideales para cargas térmicas uniformemente distribuidas, comunes en paquetes de baterías y algunas aplicaciones de refrigeración bifásica.

Consideraciones clave en el diseño de placas frías

Erosión: Las altas velocidades de flujo pueden acelerar la erosión. La selección adecuada del material y el control del caudal son esenciales.

Bloqueos: Limpie y filtre los fluidos para evitar la acumulación de partículas que pueden obstruir los canales o dañar los sellos.

Deformación: Las presiones internas altas (hasta 0,5 MPa) pueden provocar abultamiento de las placas si las placas base son delgadas o débiles, lo que genera un contacto térmico deficiente.

Llanura: Una buena planitud garantiza capas de material de interfaz térmica (TIM) delgadas y de baja resistencia entre la placa fría y las fuentes de calor.

Resistencia al flujo vs. transferencia de calor: Un mayor número de aletas o trayectorias de flujo más largas aumentan la transferencia de calor, pero también aumentan la resistencia al flujo. Los diseños optimizados equilibran ambas.

Riesgo de fugas: Las costuras e interfaces, especialmente en uniones soldadas y conexiones de tubos, son puntos potenciales de fuga. Las pruebas no destructivas, la detección de fugas con helio y las pruebas de presión son fundamentales.

A medida que las densidades del flujo de calor continúan aumentando, enfriamiento por cambio de fase Se vuelve más relevante. Dos tipos principales incluyen:
      1. Enfriamiento por ebullición: Vaporización parcial en la fuente de calor, generando una mezcla líquido-vapor.

      2. Enfriamiento por evaporación instantánea: Vaporización completa en la fuente de calor, emitiendo únicamente vapor.

Las superficies de ebullición requieren microestructuras especializadas para optimizar la nucleación, la salida de burbujas y las tasas de transferencia de calor. El flujo de calor crítico (CHF) se convierte en el límite de diseño; superarlo puede reducir drásticamente el rendimiento de refrigeración o incluso destruir el material de la placa fría.

Los tratamientos de superficie (mecánicos, químicos, recubrimientos sinterizados, microestructuras impresas en 3D) son cruciales para mejorar la CHF y adaptar las placas frías para aplicaciones de alta densidad como la refrigeración de servidores de IA.

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