Después de determinar parámetros como el material, el refrigerante, la resistencia térmica y la distribución del flujo, se procede al diseño de un Placa refrigerada por líquido AI Está lejos de completarse. Para garantizar el funcionamiento estable, eficiente y a largo plazo de la placa fría en sistemas prácticos, es necesario centrarse en resolver los siguientes tres problemas técnicos clave:
1) Optimización de la resistencia al flujo: Asegúrese de que el refrigerante pueda fluir a través de la placa fría con un caudal suficiente para cumplir con los requisitos de disipación de calor y evitar un flujo insuficiente del sistema.
2) Diseño resistente a la presión: evita que la placa fría se deforme bajo la presión de funcionamiento, lo que provoca problemas graves como fallos de sellado (fugas) y mala adhesión con el chip calefactor (mayor resistencia térmica).
3) Fiabilidad operativa a largo plazo: Garantizar un rendimiento estable y sin deterioro de la placa fría durante su vida útil, con un núcleo que evita el bloqueo de las aletas, la corrosión y la formación de incrustaciones.
Este artículo se centrará en estos tres aspectos, proporcionando ideas de optimización del diseño y sugerencias prácticas.
Optimización de la resistencia al flujo de la placa fría
Objetivo: Reducir la resistencia al flujo y garantizar que el flujo del sistema cumpla con los requisitos de enfriamiento.
Desafío: A medida que la potencia de los chips GPU/ASIC supera los 1000 W y la densidad de potencia aumenta (~150 W/cm²), se deben utilizar aletas más delgadas (espacio ≤ 0.15 mm), lo que genera un aumento significativo en la resistencia al flujo de la placa fría.
1.1 Soluciones convencionales y limitaciones:
Diseño tradicional: un lado de la aleta recibe líquido y el otro lado recibe líquido.
Condiciones aplicables: Cuando el espacio entre las aletas es ≥ 0.2 mm, la resistencia al flujo es relativamente baja (normalmente <10 kPa), lo cual es aceptable.
Problema: cuando el espacio entre las aletas es ≤ 0.15 mm, la resistencia al flujo de este esquema es demasiado alta.
1.2 Plan de optimización: Entrada superior, salida de dos lados Principio: El flujo entre las aletas de la placa fría suele ser laminar y la resistencia al flujo △ P es aproximadamente proporcional a la velocidad del flujo V y la longitud de la aleta L, △ P ∝ K * V * L
Detalles del plan:
Mueva la entrada directamente sobre el área de la aleta.
Coloque salidas de líquido en ambos lados del área de las aletas.
Efecto de optimización:
La longitud de la trayectoria de flujo L se reduce a la mitad (equivale a cambiar de un extremo único a una dirección de flujo central).
Con el mismo caudal total, la velocidad del flujo V a través de las aletas se reduce a la mitad.
Por lo tanto, la resistencia al flujo △ P en el área de la aleta se reduce a aproximadamente 1/4 del esquema de entrada y salida de un solo lado.
Ventajas: Reduce significativamente la resistencia al flujo de las placas frías con alta densidad de potencia y espacios entre aletas pequeños, lo que garantiza el flujo del sistema.
Así pues, el canal de flujo de 1 entrada y 2 salidas diseñado por nuestros ingenieros de Kenfa Tech puede solucionar el problema de la excesiva resistencia al flujo en las placas de refrigeración líquida para IA.
Mejora de la resistencia a la presión de la placa fría
Para evitar la deformación de la placa fría bajo presión cuando el sustrato de la placa fría es extremadamente delgado (1-2 mm), asegurando un sellado confiable y un buen contacto con el chip.
Problema estructural convencional: Placa fría con dientes de pala de cobre típica: La parte superior de las aletas no está soldada a la placa de cubierta.
Modelo mecánico: equivalente a una placa plana con dimensiones de largo (a) x ancho (b), con bordes restringidos y sometida a una presión uniformemente distribuida (P).
Teoría de la resistencia a la presión (teoría clásica de capas):
Fórmula para la presión máxima admisible: P=β * σ * (t/b) ²
P: Presión (MPa)
σ: Esfuerzo admisible del material (MPa)
t: Espesor de la placa de cubierta (mm)
b: Ancho de la placa perpendicular a la dirección del refuerzo (mm) – dimensión crítica
β: Factor de forma (dependiendo de la relación de aspecto a: b)
Fórmula para el espesor de cubierta requerido: t=b * √ (β * P/σ)
Factor de forma β (influencia de la relación de aspecto a: b):
1:1,β=0.307
2:1,β=0.497
3:1,β=0.616
4:1,β=0.697
6:1,β=0.750
Por lo tanto, al determinar el tamaño (axb) del área de la aleta de la placa fría, reducir el ancho b puede mejorar significativamente la resistencia máxima a la presión P. Adición de nervaduras de refuerzo centrales: adición de estructuras de soporte en el centro del área de la aleta. Soldadura del sustrato de la placa fría, las nervaduras de refuerzo y la placa de cubierta en una estructura rígida como un todo. (Deje un espacio de 0.05~0.1 mm entre las aletas y la placa de cubierta). Efecto: Reduce efectivamente la dimensión crítica b (que se convierte en el espaciado entre las nervaduras de refuerzo) al calcular la resistencia a la presión, mejorando enormemente la capacidad de resistencia a la presión. Al mismo tiempo, Soldadura de aleta superior: Soldadura de la parte superior de las aletas a la placa de cubierta como un todo. El efecto: El uso de aletas densas de microcanal como puntos de soporte mejora enormemente la rigidez estructural y la resistencia a la deformación. Cuando la artesanía es excelente, el uso de nervaduras de refuerzo puede ser reemplazado o reducido. Mejora significativamente la capacidad de resistencia a la presión.
Fiabilidad a largo plazo del funcionamiento de la placa fría
Previene la degradación del rendimiento (aumento de la resistencia térmica, disminución del caudal, fugas) y garantiza un funcionamiento estable a largo plazo. Residuos metálicos, objetos extraños en el ensamblaje, productos de corrosión y depósitos de incrustaciones/biopelículas en las pequeñas ranuras de las aletas dificultan el flujo y la transferencia de calor. El cobre sufre una pérdida de espesor lenta y uniforme en agua pura. Corrosión localizada: Más perjudicial, incluyendo la corrosión por erosión (que se acelera significativamente a caudales superiores a 1.5 m/s) y la corrosión microbiana.
Corrosión ácida. Consecuencias: adelgazamiento de las aletas, disminución de la resistencia, fallos en los sellos (fugas) y degradación del rendimiento. Además, es propensa a la formación de incrustaciones, con depósitos de incrustaciones inorgánicas como carbonato de calcio (CaCO₃), carbonato de magnesio (MgCO₃) y bioincrustaciones en la superficie de las aletas. Esto aumenta significativamente la resistencia a la transferencia de calor y reduce la disipación térmica.
En Kenfa Tech, generalmente brindamos a los clientes soluciones de diseño y recomendaciones que garantizan una configuración del sistema con una precisión de ≤ 50 μm (300 mallas) para filtrar partículas grandes como residuos metálicos y escoria de soldadura.
Todos los componentes se limpian antes de salir de fábrica para garantizar la ausencia de residuos de partículas grandes, y todas las interfaces de las tuberías cuentan con tapas de sellado. Asimismo, se controla la calidad del agua, y se deben controlar y monitorear rigurosamente los valores de pH < 9. Se añaden al refrigerante inhibidores de corrosión < 10 ppm, fungicidas < 12 ppm, sulfuros < 15 ppm, sulfatos < 100 ppm, cloruros < 50 ppm y una conductividad < 0.2-20 µs/cm, según la proporción.
Conclusión:
El diseño confiable de las placas de refrigeración líquida de IA es clave para el éxito de los sistemas de disipación de calor de alto rendimiento y no es una simple extensión de los cálculos de rendimiento. Este artículo explora tres dimensiones fundamentales:
1) Optimización de la resistencia al flujo: En respuesta al problema del aumento de la resistencia al flujo causado por el estrechamiento de las aletas bajo alta densidad de potencia, se propuso y demostró un esquema de optimización de "entrada superior y salida lateral". Este esquema puede reducir significativamente la caída de presión en el área del microcanal a aproximadamente 1/4 del esquema tradicional de entrada y salida lateral, al reducir a la mitad la longitud efectiva del recorrido de flujo y la velocidad del flujo.
2) Mejora de la resistencia a la presión: Basándose en la teoría clásica de la lámina, se han aclarado los efectos decisivos del espesor de la cubierta (t), la anchura crítica (b), la tensión admisible del material (σ) y la relación de aspecto (β) en la resistencia máxima a la presión (P) de la placa fría. Se han propuesto dos soluciones de ingeniería eficaces: añadir nervaduras de refuerzo intermedias y utilizar tecnología de soldadura de la parte superior de los dientes. La primera mejora la resistencia a la presión al reducir la dimensión crítica b, mientras que la segunda utiliza las propias aletas y la placa de cubierta para formar una estructura de soporte integrada, que es la solución preferida para mejorar la rigidez y la resistencia a la presión.
3) Confiabilidad operativa a largo plazo: Se identificaron sistemáticamente tres riesgos principales que amenazan la fiabilidad a largo plazo: bloqueo, corrosión e incrustaciones. Para controlar estos riesgos, se debe implementar un estricto control de calidad del agua para el refrigerante circulante (TCS) dentro de la placa fría, con estándares mucho más exigentes que los del agua primaria (FWS). De acuerdo con las directrices de ASHRAE, se detallan los requisitos técnicos para los parámetros clave de calidad del agua (pH, inhibidores de corrosión, fungicidas, concentración de iones, sólidos en suspensión, microorganismos, etc.).
Solo a través de un diseño cuidadoso y un control estricto en estas tres dimensiones, la placa fría puede mantener un excelente rendimiento de disipación de calor, integridad estructural y estabilidad del sistema durante cargas elevadas y funcionamiento a largo plazo, brindando una garantía de enfriamiento confiable para dispositivos electrónicos de alta potencia.