Preguntas frecuentes sobre placas de enfriamiento líquido

Nuestros ingenieros de ventas e ingenieros de atención al cliente tienen dudas y preguntas fundamentales sobre algunos conceptos y diseños de placas de enfriamiento de líquidos. A través del contenido de este artículo, puede consultar muchos parámetros técnicos en el proceso de diseño de placas de enfriamiento de líquidos.

Preguntas frecuentes

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1. ¿Qué es una placa de refrigeración líquida?

La placa de refrigeración líquida es un dispositivo de intercambio de calor eficiente. Estructuralmente, está hecha principalmente de materiales metálicos, comúnmente cobre o aluminio. Debido a que el cobre tiene una alta conductividad térmica y el aluminio es relativamente económico y liviano, estos metales pueden conducir el calor rápidamente. La parte central son los canales diseñados en el interior. El líquido refrigerante (generalmente agua o refrigerante a base de agua con aditivos especiales, y también hay otros líquidos especialmente formulados) circula en estos canales. Cuando la placa de refrigeración líquida está en estrecho contacto con los componentes de calentamiento, el calor se transfiere de los componentes de calentamiento a la placa de refrigeración líquida. El líquido refrigerante fluye a través de los canales, absorbe el calor de la placa de refrigeración líquida y se lo quita, logrando así el enfriamiento de los componentes de calentamiento. En términos de escenarios de aplicación, la placa de refrigeración líquida se usa ampliamente en el campo electrónico. Por ejemplo, en servidores de alto rendimiento, los componentes clave como CPU y GPU generan una gran cantidad de calor, y la placa de refrigeración líquida puede reducir eficazmente la temperatura de estos componentes para garantizar su funcionamiento estable. En el campo de los vehículos eléctricos, la batería y el motor generarán calor durante el funcionamiento, y la placa de enfriamiento líquido puede disipar el calor de estos componentes para garantizar el rendimiento y la seguridad de la batería y extender la vida útil de la batería.

2. ¿Qué parámetros se requieren para diseñar una placa refrigerada por líquido?

Carga térmica: Es necesario aclarar el calor que debe disipar la placa de refrigeración líquida. Esto depende de la potencia de los elementos calefactores en contacto con ella y constituye la base del diseño. La unidad habitual es el vatio (W).

Resistencia térmica: Refleja la capacidad de la placa de refrigeración líquida para resistir la transferencia de calor. Cuanto menor sea la resistencia térmica, mejor será la disipación del calor. La unidad es kelvin por vatio (K/W).

Temperatura ambiente : La temperatura del entorno de trabajo de la placa de refrigeración líquida. Por ejemplo, en algunos entornos industriales, la temperatura puede ser relativamente alta, mientras que en equipos electrónicos comunes, la temperatura ambiente es relativamente baja. La unidad de medida es grados Celsius (℃) o Kelvin (K).

Temperatura de funcionamiento objetivo: Es decir, el rango de temperatura que la placa de refrigeración líquida debe mantener para el elemento calefactor. Los distintos elementos (como los chips de alto rendimiento o las baterías) tienen diferentes rangos de temperatura de funcionamiento óptimos. Caudal: El caudal del refrigerante en los canales de la placa de refrigeración líquida. Afecta directamente a la eficiencia de la transferencia de calor. Generalmente, se expresa en litros por minuto (L/min) o metros cúbicos por segundo (m³/s).

Capacidad calorífica específica: Los distintos refrigerantes (como el agua, la solución de etilenglicol, etc.) tienen diferentes capacidades caloríficas específicas. Cuanto mayor sea la capacidad calorífica específica, mayor será la cantidad de calor absorbido o liberado ante la misma variación de masa y temperatura. La unidad es julios por kilogramo kelvin (J/(kg·K)).

Viscosidad: Influye en la resistencia al flujo del refrigerante en los canales de circulación. Cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la resistencia al flujo y más fácil será generar pérdidas de presión durante el recorrido por las tuberías. Su unidad de medida es el pascal-segundo (Pa·s).

Conductividad térmica: Cuanto mayor sea la conductividad térmica del material (como cobre, aluminio, etc.) de la placa de refrigeración líquida, más rápido se transferirá el calor del elemento calefactor al refrigerante. La unidad es vatios por metro kelvin (W/(m·K)).

Resistencia mecánica: Garantizar que la placa de refrigeración líquida no se deforme ni se dañe durante el procesamiento, la instalación y el uso, incluyendo la resistencia a la tracción, la resistencia a la compresión y otros indicadores.

Longitud, anchura y profundidad del canal de flujo: Estos parámetros determinan la sección transversal y el volumen total del canal, lo que a su vez afecta al caudal y al tiempo de residencia del refrigerante en el mismo. Las unidades son metros (m) o milímetros (mm).

Tecnología de soldadura: Por ejemplo, el uso de diferentes métodos de soldadura, como FSW, soldadura fuerte, soldadura láser y soldadura por arco de argón, tiene distintos efectos sobre el sellado y la resistencia de la soldadura de la placa de refrigeración líquida. La calidad de la soldadura está directamente relacionada con la fiabilidad y la vida útil de la placa de refrigeración líquida.

Disposición del canal de flujo: Puede adoptar diversas formas, como canales rectos, serpenteantes, paralelos, etc. Las distintas disposiciones tienen distintos efectos sobre la distribución del flujo y la pérdida de presión, y deben diseñarse de acuerdo con los requisitos específicos de disipación de calor y las características del fluido.

3. ¿Cuáles son las técnicas de procesamiento para placas refrigeradas por líquido?

Los principales procesos de producción de la placa de enfriamiento líquido son los siguientes: soldadura por fricción y agitación, que utiliza la fricción entre el cabezal agitador y la pieza de trabajo para generar calor para ablandar el material y formar una costura de soldadura. Este método de soldadura tiene alta calidad y no requiere alambre de soldadura; soldadura fuerte, que utiliza un material de soldadura fuerte de bajo punto de fusión que se calienta y se funde para llenar la costura de soldadura, logrando un buen efecto de conexión; soldadura por difusión al vacío, en la que las piezas soldadas están en estrecho contacto en un entorno de vacío y los átomos se difunden para lograr la conexión, lo que da como resultado una costura de soldadura de alta resistencia; soldadura por arco de argón, que realiza la soldadura con la protección del gas argón para el arco, y la costura de soldadura es hermosa y tiene una calidad estable; proceso de estampado, que estampa la placa de metal en una forma específica, y es adecuado para la formación preliminar de la placa de enfriamiento líquido con una estructura compleja. Estos procesos garantizan la calidad y el rendimiento de la placa de enfriamiento líquido.

4. ¿Cuáles son las ventajas de las placas refrigeradas por líquido en comparación con los radiadores refrigerados por aire tradicionales?

Las placas de refrigeración líquida tienen una alta eficiencia de disipación de calor y pueden hacer que la temperatura de los componentes de calefacción sea más uniforme. Pueden cumplir con los requisitos de disipación de calor de los equipos de alta densidad de potencia y se ven menos afectados por la temperatura ambiente. Por otro lado, la disipación de calor por refrigeración por aire tiene una estructura simple, bajo costo y no requiere líquido refrigerante adicional. Su instalación y mantenimiento son relativamente convenientes. En escenarios con espacio limitado, las placas de refrigeración líquida pueden organizar los componentes de disipación de calor de manera más compacta. Sin embargo, en algunos equipos de baja potencia donde los requisitos de disipación de calor no son extremadamente altos, la refrigeración por aire aún juega un papel importante debido a su economía y fácil operación.

5. La aplicación de placas refrigeradas por líquido en centros de datos

En los centros de datos, la placa de refrigeración líquida desempeña un papel crucial. Dado que los servidores y otros equipos de los centros de datos generan una gran cantidad de calor durante su funcionamiento, la placa de refrigeración líquida puede disipar el calor de manera eficiente. Se adhiere estrechamente a los elementos calefactores y el refrigerante circula por los canales internos para eliminar rápidamente el calor. En comparación con la refrigeración por aire tradicional, la placa de refrigeración líquida tiene una mayor eficiencia de disipación de calor y es más silenciosa. Esto ayuda a reducir la temperatura en el centro de datos, garantizar el funcionamiento estable del equipo, reducir las fallas y la degradación del rendimiento causadas por el sobrecalentamiento y extender la vida útil del equipo, proporcionando una poderosa garantía de disipación de calor para el funcionamiento eficiente y confiable del centro de datos.

6. ¿Cuál es el papel clave de la placa refrigerada por líquido en la disipación de calor de la batería y el motor?

En términos de disipación de calor de la batería, la placa de refrigeración líquida juega un papel crucial. Durante el proceso de carga y descarga de la batería, se genera calor. Si el calor se acumula, afectará el rendimiento y la seguridad de la batería. La placa de refrigeración líquida está estrechamente unida a la batería. A través del flujo circulante del refrigerante, absorbe eficientemente el calor y mantiene la temperatura de la batería dentro de un rango adecuado, extendiendo así la vida útil de la batería, mejorando la eficiencia de carga y descarga de la batería y reduciendo el riesgo de fuga térmica. Para la disipación de calor del motor, cuando el motor está en funcionamiento, se genera calor debido a la corriente que pasa a través de componentes como bobinados y núcleos de hierro. La placa de refrigeración líquida puede transferir rápidamente el calor al refrigerante. Dado que el líquido tiene una gran capacidad calorífica específica, puede absorber una gran cantidad de calor mientras que el aumento de temperatura es relativamente pequeño. Esto garantiza la estabilidad de la temperatura de trabajo del motor, reduce el daño al aislamiento de los devanados del motor causado por la alta temperatura, reduce la pérdida del motor, mejora la potencia de salida y la eficiencia operativa del motor y garantiza que el motor pueda funcionar de manera confiable en diferentes condiciones de trabajo.

7. ¿Cómo diseñar la estructura del canal de flujo de una placa de enfriamiento de líquido en función de diferentes potencias y formas de fuentes de calor?

Aumentar el caudal: Dado que una fuente de calor de alta potencia genera una gran cantidad de calor, se requiere un mayor caudal de refrigerante para disiparlo eficazmente. Se puede aumentar el ancho y la profundidad de los canales de flujo, o bien incrementar el número de canales, por ejemplo, utilizando varios canales paralelos para aumentar el caudal total del refrigerante.

Optimizar el diseño del canal de flujo: Diseñar un diseño de canal de flujo más complejo, como un canal de flujo serpenteante o en espiral, para aumentar el área de contacto y el tiempo de contacto entre el refrigerante y la fuente de calor, mejorando así la eficiencia de disipación de calor.

Reduzca adecuadamente el caudal: Para una fuente de calor de baja potencia, no se requiere un caudal excesivo de refrigerante. El tamaño de los canales de flujo se puede reducir adecuadamente para disminuir el caudal del refrigerante y evitar pérdidas de energía innecesarias. Estructura simple del canal de flujo. Se puede utilizar un canal de corriente continua simple. Esta estructura es simple, tiene bajos costos de procesamiento y, al mismo tiempo, cumple con los requisitos de disipación de calor de las fuentes de calor de baja potencia.

Diseño de forma coincidente: Cuando la fuente de calor tiene una forma regular, los canales de flujo pueden diseñarse con una forma geométrica similar a la de la fuente de calor. Por ejemplo, para una fuente de calor cuadrada, se puede diseñar una rejilla de canales de flujo cuadrada; para una fuente de calor circular, se puede diseñar un canal de flujo anular. Esto permite que el refrigerante se distribuya uniformemente dentro de los canales de flujo y garantiza una disipación de calor uniforme en todas las partes de la fuente de calor. Disposición simétrica: Al diseñar los canales de flujo, se utiliza una disposición simétrica para permitir que el refrigerante fluya uniformemente hacia la fuente de calor desde todas las direcciones, mejorando aún más la uniformidad de la disipación de calor.

Diseño de particiones: Divida una fuente de calor de forma irregular en varias áreas relativamente regulares y, a continuación, diseñe la estructura del canal de flujo correspondiente para cada área. Por ejemplo, una fuente de calor poligonal puede dividirse en múltiples áreas triangulares o cuadriláteras, y luego diseñar los canales de flujo correspondientes.

Ajuste flexible de los canales de flujo: Según la forma específica de la fuente de calor, ajuste de forma flexible el ancho, la profundidad y la dirección de los canales de flujo para que estos se adapten lo mejor posible al contorno de la fuente de calor y garanticen una transferencia eficaz del calor al refrigerante.

8. ¿Cómo diseñar canales de flujo para garantizar una disipación de calor uniforme para chips de calentamiento irregulares?

Según las características de calentamiento del chip, divida la superficie del chip irregular en múltiples regiones diferentes. Estas regiones se pueden dividir según factores como la densidad de distribución del calor y las partes donde se concentra el calor. Por ejemplo, para un chip con múltiples núcleos y calentamiento desigual, divida el área donde se ubica cada núcleo en una región separada. Evalúe los requisitos de disipación de calor de cada región para determinar el caudal de refrigerante y la eficiencia de disipación de calor requerida para cada región. Por ejemplo, el diseño del canal de flujo correspondiente a la región con una gran cantidad de generación de calor debe ser más propicio para el flujo rápido y el intercambio de calor del refrigerante.

9. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los diferentes materiales metálicos de la placa de frío líquido?

Los materiales más comunes para las placas de refrigeración líquida incluyen cobre, aluminio y acero inoxidable. Las placas de refrigeración líquida de cobre tienen la ventaja de que su conductividad térmica es extremadamente sobresaliente. Con un alto coeficiente de conductividad térmica, puede transferir calor rápidamente y es adecuado para escenarios de disipación de calor de alta potencia. También tiene un buen rendimiento de procesamiento y se puede convertir en estructuras complejas. Sin embargo, el cobre tiene un alto costo y una gran densidad, lo que resulta en un peso pesado.

La placa de enfriamiento de líquido de aluminio tiene un bajo costo y el precio es asequible, lo que es beneficioso para reducir el costo general. Es liviano y adecuado para equipos sensibles al peso. Al mismo tiempo, tiene buena conductividad térmica y puede cumplir con la mayoría de los requisitos de disipación de calor convencionales. Sin embargo, el aluminio tiene propiedades antioxidantes débiles y es propenso a formar una película de óxido que afecta la conductividad térmica, y su resistencia mecánica no es tan buena como la de otros materiales. La placa de enfriamiento de líquido de acero inoxidable tiene una fuerte resistencia a la corrosión y se puede usar en entornos hostiles como entornos húmedos, ácidos y alcalinos. Tiene una alta resistencia mecánica y puede soportar grandes fuerzas externas. Pero la desventaja es que su conductividad térmica es relativamente pobre y la eficiencia de transferencia de calor es baja, por lo que no es muy adecuada para ocasiones con requisitos extremadamente altos de eficiencia de disipación de calor.

10. ¿Cómo configurar el caudal y la presión de la placa de enfriamiento de líquido y la bomba de agua circulante para lograr el mejor efecto de disipación de calor?

En primer lugar, es necesario evaluar la potencia calorífica de la fuente de calor (como chips, baterías, etc.). En términos generales, cuanto mayor sea la potencia calorífica, mayor será el caudal de refrigerante necesario. Por ejemplo, para una CPU de servidor de alta potencia, puede ser necesario un caudal relativamente alto (como varias decenas de litros por minuto o incluso más) para eliminar el calor de manera oportuna y garantizar que la temperatura no supere el rango de trabajo seguro.

Ajuste el caudal de acuerdo con la eficiencia de intercambio de calor de la placa de enfriamiento de líquido. Si la placa de enfriamiento de líquido está diseñada con un área de intercambio de calor grande y una estructura de canal de flujo eficiente, un caudal relativamente bajo puede ser suficiente para cumplir con los requisitos de disipación de calor; de lo contrario, puede ser necesario aumentar el caudal. Generalmente, la eficiencia de intercambio de calor de la placa de enfriamiento de líquido está relacionada con factores como el diseño del canal de flujo y la conductividad térmica del material.

El caudal no es tanto mejor cuanto mayor sea. Un caudal excesivo puede provocar una presión excesiva en el sistema, un mayor consumo de energía y un impacto innecesario en la placa y las tuberías de refrigeración del líquido. Un caudal demasiado pequeño no puede eliminar el calor a tiempo, lo que da como resultado un efecto de disipación de calor deficiente. Es necesario realizar ajustes precisos en la práctica de acuerdo con el efecto de disipación de calor específico y las condiciones de funcionamiento del sistema para encontrar un valor de caudal que pueda cumplir con los requisitos de disipación de calor sin causar un desperdicio de recursos.

La estructura, la longitud, el grado de curvatura de los canales de flujo internos de la placa de refrigeración de líquido y el espesor de las tuberías afectarán la resistencia del sistema. Por ejemplo, un diseño complejo de canal de flujo (como un canal de flujo serpenteante) y una tubería larga aumentarán la resistencia del sistema. En este momento, la bomba de agua circulante debe proporcionar una presión más alta para garantizar el flujo normal del refrigerante. En términos generales, de acuerdo con la resistencia total del sistema, se puede seleccionar una bomba de agua con un rango de presión adecuado. El rango de presión común de las bombas de agua varía de varios pascales a varias decenas de pascales.

Asegúrese de que la presión pueda superar la resistencia local del sistema. Las piezas como las juntas de las tuberías y las válvulas del sistema pueden provocar caídas de presión locales. Al diseñar el sistema, se deben tener en cuenta estos factores que afectan la presión y se debe seleccionar de forma razonable la presión de la bomba de agua para garantizar el flujo estable del refrigerante en todo el sistema de ciclo de refrigeración por líquido.

La fluctuación de presión de la bomba de agua circulante afectará la estabilidad del sistema de refrigeración por líquido. Por lo tanto, es muy importante seleccionar una bomba de agua con una salida de presión estable. Algunas bombas de agua circulante de alta calidad adoptan tecnologías de control avanzadas (como el control de conversión de frecuencia) para mantener la estabilidad de la presión, lo que garantiza que el sistema de refrigeración por líquido pueda proporcionar efectos de disipación de calor confiables en diferentes condiciones de trabajo.

11. ¿Cuál es el estándar de resistencia a la presión para la placa de enfriamiento de líquidos de grado industrial y automotriz en general?

Placas de refrigeración por líquido de grado industrial: la capacidad de resistencia a la presión de las placas de refrigeración por líquido de grado industrial suele rondar los 1-3 MPa. Esto se debe a que, en el entorno industrial general, el sistema de refrigeración por líquido debe lidiar principalmente con la presión de funcionamiento habitual del equipo, un cierto grado de fluctuaciones de presión en la tubería y los cambios de presión generados durante el proceso de circulación del refrigerante. Por ejemplo, en los sistemas de refrigeración de algunos equipos de automatización industrial y equipos de estaciones base de comunicación, una capacidad de resistencia a la presión de 1-3 MPa puede satisfacer los requisitos de la mayoría de los escenarios de uso.

Las placas de refrigeración líquida de grado automotriz, debido al complejo entorno operativo del vehículo, que incluye la vibración del vehículo, un amplio rango de cambios de temperatura y requisitos extremadamente altos de seguridad, sus estándares de resistencia a la presión suelen ser más altos. La capacidad de resistencia a la presión de las placas de refrigeración líquida de grado automotriz es generalmente de alrededor de 3 a 5 MPa. En la refrigeración del sistema de energía del vehículo (como el paquete de baterías y el motor de accionamiento de un vehículo eléctrico), una mayor capacidad de resistencia a la presión puede garantizar el funcionamiento estable del sistema de refrigeración líquida en diversas condiciones de trabajo del vehículo (como aceleración repentina y frenado repentino), y evitar problemas de seguridad como la ruptura de la placa de refrigeración líquida y fugas de refrigerante causadas por cambios repentinos de presión. Al mismo tiempo, las normas y regulaciones relevantes en la industria automotriz también tienen requisitos estrictos para la seguridad y confiabilidad del sistema de refrigeración líquida, lo que también promueve que las placas de refrigeración líquida de grado automotriz tengan un mayor rendimiento de resistencia a la presión.

12. ¿Cuál es el rango de flujo razonable del refrigerante dentro de la placa de enfriamiento líquido en función de la potencia de disipación de calor diferente? Por ejemplo, el caudal de una fuente de calor de 1000 W y una placa de enfriamiento líquido. ¿Cuántos litros por minuto necesitamos alcanzar?

Según el principio de equilibrio térmico, el calor extraído por el refrigerante es igual al calor generado por la fuente de calor. La fórmula del calor es Q , donde Q es el calor (en julios), m es el caudal másico (en kilogramos por segundo), c es la capacidad calorífica específica del refrigerante (la capacidad calorífica específica del agua es de aproximadamente 4200 j/kg.˚C ), y Δtm es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del refrigerante. La relación entre el caudal másico y el caudal volumétrico V (en litros por minuto) es ρ=m/V , donde ρ es la densidad del refrigerante (la densidad del agua es de aproximadamente 1000 kg/m3=1 kg/L) Para una fuente de calor de 1 – kilovatio (1000 W), suponga que la diferencia de temperatura Δtm entre la entrada y la salida del refrigerante es (el rango de valores general es de 5-15˚C ).

13. ¿Cómo minimizar el peso y el tamaño de las placas refrigeradas por líquido para garantizar un rendimiento óptimo de disipación de calor?

Para minimizar el peso y el tamaño de la placa de refrigeración líquida, garantizando al mismo tiempo el efecto de disipación de calor, se pueden realizar esfuerzos desde múltiples aspectos. En términos de diseño, se pueden adoptar microcanales y el tamaño de los canales se puede hacer más pequeño para aumentar el área de contacto entre el refrigerante y las paredes del canal y mejorar la eficiencia de disipación de calor; o se puede diseñar un canal de flujo fractal para lograr una ruta de refrigerante compleja y eficiente en un espacio pequeño. En términos de diseño, de acuerdo con la forma de la fuente de calor, se puede realizar un diseño ajustado para reducir el desperdicio de espacio. También se puede integrar con componentes como radiadores. En términos de selección de materiales, se pueden utilizar nuevos materiales compuestos con alta conductividad térmica y baja densidad, como materiales compuestos a base de carbono o materiales de espuma metálica, para reducir el peso al tiempo que se garantiza la conductividad térmica. En la tecnología de procesamiento, se puede utilizar el procesamiento láser y la tecnología de impresión 3D para crear estructuras de canales finos, controlar con precisión el tamaño y reducir el uso de materiales. Al integrar estos aspectos, se puede lograr el efecto óptimo de disipación de calor de la placa de enfriamiento líquido mientras se minimiza el peso y el tamaño.

14. La influencia del diseño de microcanales en el rendimiento de las placas refrigeradas por líquido

En términos de eficiencia de disipación de calor, el microcanal puede aumentar en gran medida el área de intercambio de calor. Debido a su pequeño tamaño de canal, se pueden disponer más canales dentro del mismo volumen, lo que aumenta el área de contacto entre el refrigerante y la superficie de la pared y permite una rápida transferencia de calor. Además, el microcanal hace que el refrigerante fluya cerca del flujo laminar, con una fina capa de líquido y un efecto de pared significativo, lo que fortalece el proceso de transferencia de calor. En términos de características de presión y flujo, el microcanal aumentará la resistencia al flujo. Debido a su pequeño tamaño, la resistencia a la fricción del refrigerante aumenta, lo que requiere una mayor presión para empujar el refrigerante a fluir. Al mismo tiempo, el requisito de uniformidad de flujo es mayor y la falta de uniformidad afectará el efecto de disipación de calor. Desde la perspectiva de los materiales y las técnicas de procesamiento, el microcanal tiene altos requisitos para la conductividad térmica y el rendimiento de procesamiento de los materiales. Es necesario seleccionar materiales con alta conductividad térmica y fácil procesamiento. Y se requieren técnicas de procesamiento de alta precisión, como el procesamiento láser y la impresión 3D para el procesamiento. Aunque estas técnicas pueden satisfacer los requisitos, son costosas y complejas de operar.

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