Productietechnologieën voor koelplaten en de belangrijkste uitdagingen

Naarmate krachtige elektronica zich verder ontwikkelt in sectoren zoals datacenters, elektrische voertuigen, energieopslag en high-performance computing, is thermisch beheer een cruciale factor geworden voor de betrouwbaarheid en efficiëntie van systemen. Traditionele luchtkoelingsoplossingen schieten steeds vaker tekort bij de hoge warmtestromen van tegenwoordig. Daarom is de vloeistofgekoelde koelplaat, ook wel bekend als een vloeistofgekoelde heatsink, een essentieel onderdeel geworden van moderne koelsystemen met koelplaten.

Dit artikel biedt een uitgebreid overzicht van vloeistofkoelingstechnologie met koelplaten, inclusief werkingsprincipes, typische typen koelplaten, productie-uitdagingen en geavanceerde verbindingsprocesen. Het is bedoeld om ingenieurs en besluitvormers te helpen vloeistofkoelingsoplossingen met koelplaten beter te begrijpen en de meest geschikte aanpak voor hun toepassingen te kiezen.

1. Wat is een vloeistofkoelplaat?

Een vloeistofkoelplaat (ook wel waterkoelplaat genoemd) is een warmteoverdrachtsapparaat dat warmte afvoert van componenten met een hoog vermogen door koelvloeistof door interne kanalen te laten circuleren.

Het basiswerkingsprincipe van koelplaatkoeling is als volgt:

1. Warmte wordt gegenereerd door elektronische componenten zoals CPU's, GPU's, voedingsmodules of batterijen.

2. De warmte wordt via direct contact van het apparaat naar de koelplaat geleid.

3. Koelvloeistof stroomt door interne kanalen, absorbeert en voert warmte af.

4. De verwarmde vloeistof wordt naar een externe warmtewisselaar geleid voor warmteafvoer.

In vergelijking met luchtkoeling bieden watergekoelde platen de volgende voordelen:

• hogere warmteoverdrachtsefficiëntie

• gelijkmatigere temperatuurverdeling

• compacte systeemintegratie

• Uitstekende prestaties in omgevingen met hoge warmteflux.

In computertoepassingen wordt hetzelfde principe toegepast in waterblokken voor CPU's, CPU-koelblokken en GPU's met waterblokontwerpen, waarbij een compact waterblok de procesor direct koelt.

2. Typische typen vloeistofkoelplaten en de bijbehorende uitdagingen

Verschillende toepassingen vereisen verschillende structuren voor vloeistofkoelplaten. Materiaalkeuze, ontwerp van de interne kanalen en fabricagemethoden hebben een directe invloed op prestaties, kosten en betrouwbaarheid.

2.1 Vloeistofkoelplaat met buis in plaat

Bij buis-in-plaat-ontwerpen worden metalen buizen in een basisplaat ingebed om koelkanalen te vormen.

voordelen:

• eenvoudige structuur

• lage productiekosten

• geschikt voor toepassingen met een laag tot gemiddeld vermogen

uitdagingen:

• Een beperkte kanaaldichtheid vermindert de koelefficiëntie.

• Meerdere thermische interfaces verhogen de thermische weerstand.

• Combinaties van koperen buizen en aluminium platen kunnen galvanische corrosie veroorzaken.

• Niet geschikt voor hoogwaardige koelsystemen met koelplaten.

2.2 geboorde vloeistofkoelplaat

Met diepgatboren worden rechte interne kanalen in een massieve metalen plaat gecreëerd, die vervolgens aan de uiteinden worden afgedicht.

voordelen:

• hoge mechanische sterkte

• gladde binnenoppervlakken van de kanalen

• betrouwbaar bij matige warmtebelastingen

uitdagingen:

• Rechte kanalen beperken de ontwerpflexibiliteit.

• Het is lastig om platen langer dan 500 mm met hoge precisie te produceren.

• Eindpluggen zijn potentiële lekpunten.

• minder geschikt voor complexe thermische configuraties

2.3 gesoldeerde vloeistofkoelplaat

Een gesoldeerde vloeistofkoelplaat wordt geproduceerd door stroomkanalen in een basisplaat te frezen en deze door middel van vacuümsolderen permanent te verbinden met een afdekplaat.

voordelen:

• maakt complexe interne kanaalontwerpen mogelijk

• uitstekende thermische prestaties

• gelijkmatige temperatuurverdeling

• Vaak gebruikt in hoogwaardige vloeistofkoelsystemen met koelplaten.

uitdagingen:

• vereist dure vacuüm-soldeerovens

• lange productiecycli (6-8 uur per batch)

• hoge gevoeligheid voor oppervlaktereinheid en procesbeheersing

• hogere productiekosten en beperkte flexibiliteit

2.4 ingebouwde buis koelplaat

Bij dit ontwerp worden gebogen buizen in een basisplaat geperst, gesoldeerd of gelijmd.

voordelen:

• Flexibelere kanaalgeleiding dan opbouwbuizen.

• compatibel met buizen van aluminium, koper of roestvrij staal

uitdagingen:

• complex assemblageproces

• De consistentie van de kwaliteit hangt sterk af van het vakmanschap.

• Gesoldeerde versies zijn duur en moeilijk te repareren.

3. Vergelijking van het productieproces van vloeistofkoelplaten

De prestaties en betrouwbaarheid van een vloeistofkoelplaat zijn sterk afhankelijk van de verbindings- en afdichtingstechnologie. Verschillende fabricagemethoden bieden elk hun eigen voor- en nadelen.

3.1 gangbare verbindingstechnologieën

3.2 Wrijvingsroerlassen voor vloeistofkoelplaten

Wrijvingsroerlassen (FSW) is een verbindingsproces in vaste toestand waarbij warmte wordt opgewekt door mechanische wrijving in plaats van door het smelten van het materiaal.

De belangrijkste voordelen van de productie van vloeistofgekoelde platen zijn onder andere:

• geen smelten, waardoor de oorspronkelijke thermische geleidbaarheid behouden blijft

• Dichte, luchtbelvrije lassen met een vrijwel nul risico op lekkage.

• hoge mechanische sterkte, dicht bij het basismateriaal

• korte lascycli, ideaal voor automatisering

• productiekosten 2 tot 10 keer lager dan bij solderen

FSW wordt steeds vaker gebruikt voor OEM-vloeistofkoelplaten, ODM-vloeistofkoelplaten en op grote schaal geproduceerde, op maat gemaakte koelplaten.

4. Toepassingsscenario's

Vloeistofgekoelde platen worden veel gebruikt in toepassingen die hoogwaardig thermisch beheer vereisen, waaronder:

• datacenters en servers (CPU-koelblok, beste waterkoelingsoplossingen voor CPU's)

• AI-acceleratoren en GPU's met waterkoelsystemen

• vermogenselektronica van elektrische voertuigen

• accupakketten en energieopslagsystemen

• telecommunicatieapparatuur en 5G-infrastructuur

• industriële voedingen en omvormers

5. Belangrijke factoren bij de keuze van een vloeistofkoelplaat

Bij de selectie van een op maat gemaakte vloeistofkoelplaat moeten de volgende factoren in overweging worden genomen:

• warmtebelasting en warmtefluxdichtheid

• Koelvloeistoftype en werkdruk

• omgevingsomstandigheden

• betrouwbaarheids- en levensduurvereisten

• kostendoelstellingen en productievolume

• aanpassings- en integratiebehoeften

Door samen te werken met een ervaren fabrikant van vloeistofkoelplaten bent u verzekerd van een optimale balans tussen prestatie, betrouwbaarheid en kosten.

De vloeistofkoelplaat is een cruciaal onderdeel in moderne vloeistofkoelsystemen met koelplaten. Hoewel traditionele oplossingen zoals buis-in-plaat- en diepgatontwerpen nog steeds geschikt zijn voor bepaalde toepassingen, stuwen geavanceerde procesen zoals vacuümsolderen en wrijvingsroerlassen de industrie vooruit.

Van deze opties bieden vloeistofkoelplaten die door wrijvingslassen zijn vervaardigd de beste balans tussen:

• thermische prestaties

• mechanische sterkte

• lekvrije betrouwbaarheid

• kostenefficiëntie

Naarmate de vraag naar hoogwaardige koeling blijft stijgen, zullen op maat gemaakte koelplaten, OEM-vloeistofkoelplaten en ODM-vloeistofkoelplaten een steeds belangrijkere rol spelen in de thermische beheersoplossingen van de volgende generatie.