Как сделать охлаждающую пластину?

Введение

Пластины жидкостного охлажденияиграют ключевую роль в современных системах терморегулирования, особенно в электромобилях, системах хранения энергии и центрах обработки данных.

Почему они так важны?

Потому что их эффективность охлаждения напрямую влияет на стабильность и срок службы оборудования. В аккумуляторных системах конструкция внутренних каналов потока может существенно повлиять на рассеивание тепла и однородность температуры.

Различные методы производства также могут влиять на конструкцию проточных каналов, устойчивость к давлению и экономическую эффективность.

Проще говоря: разные производственные процессы могут привести к очень разным характеристикам продукта.

Основные этапы создания пластин жидкостного охлаждения

1.Материалы для пластин жидкостного охлаждения

Пластины жидкостного охлаждения в основном изготавливаются из алюминиевых сплавов, медных сплавов и композиционных материалов. Медь обладает превосходной теплопроводностью, но она тяжелая и дорогая, тогда как алюминий легче, экономичнее и проще в обработке, что делает его широко используемым в промышленности.Системы терморегулирования аккумуляторов электромобилей.

Алюминиевые сплавы:
Алюминий является наиболее часто используемым материалом в охлаждающих пластинах аккумуляторов электромобилей, поскольку он обеспечивает хороший баланс теплопроводности, легкости конструкции, прочности, технологичности и стоимости. Среди них широко используется алюминиевый сплав 3003 благодаря его стабильным характеристикам и отработанной технологии обработки.

Медные сплавы:
Медь имеет теплопроводность около 401 Вт/м·К, что делает ее подходящей для мощных устройств, таких как платформы на 800 В. Однако он тяжелее и дороже и обычно требует защиты поверхности, такой как никелирование или анодирование, для предотвращения коррозии.

Композитные материалы:
Для применений, требующих более высокой прочности, используются композитные конструкции. Обычно они состоят из трех слоев: основного слоя, слоя пайки и временного слоя.

2. Конструкция и методы формирования каналов потока в охлаждающих пластинах

Каналы для потока пластин жидкостного охлаждения формируются с использованием нескольких различных методов производства, включая обработку на станках с ЧПУ, штамповку, экструзию, литье под давлением и 3D-печать.

Эти процессы формируют или превращают металлические материалы, такие как алюминий и медь, в сложные внутренние микроканальные структуры, которые помогают эффективно передавать тепло.Проще говоря, каждый процесс имеет свою роль:Обработка с ЧПУ удаляет материал слой за слоем с высокой точностью, что делает его пригодным для детализированных и сложных конструкций каналов.

Штамповка и экструзия — более быстрые методы, которые в основном используются для производства больших плоских пластин в больших объемах.

Литье под давлением используется для создания более интегрированных и сложных цельных конструкций.

3D-печать строит структуру слой за слоем, что позволяет создавать чрезвычайно сложные геометрические формы, которых невозможно достичь традиционными методами.

① Обработка с ЧПУ(Компьютерная обработка с числовым программным управлением)

Принцип работы
При обработке с ЧПУ используются операции фрезерования или сверления для удаления материала слой за слоем.
Высокоскоростной вращающийся режущий инструмент (например, фреза) используется для вырезания каналов и микроканалов в алюминиевых или медных пластинах.
После механической обработки сверху обычно помещается еще одна пластина и герметизируется, образуя внутренние пути потока.
Особенности
Этот метод обеспечивает очень высокую точность и отличное качество поверхности, что делает его пригодным для сложных конструкций каналов и мелкосерийного производства.
Однако во время обработки материал удаляется, поэтому использование материала относительно низкое, а эффективность производства не такая высокая, как при других методах массового производства.

② Штамповка

Принцип работыПри штамповке используются формы и пресс-машина для придания формы тонким металлическим листам, обычно алюминию или меди.

Под высоким давлением металлический лист прессуется в форму с образованием определенных канавок для каналов потока.

После формования две штампованные пластины обычно соединяются вместе с помощью сварки или пайки для создания герметичных внутренних каналов.ОсобенностиЭтот метод очень подходит для массового производства, поскольку он быстрый и экономически эффективный.

Однако конструкция канала ограничена конструкцией пресс-формы, поэтому он не может достичь того же уровня точности и сложности, что и обработка на станках с ЧПУ.

③ Экструзия

Принцип работы
Алюминиевый материал сначала нагревают, пока он не станет мягким.
Затем его проталкивают через специально разработанную форму под высоким давлением.
Проходя через форму, материал принимает форму поперечного сечения и образует непрерывный профиль с внутренними канальными структурами.
После экструзии длинный профиль разрезается на необходимые длины для дальнейшей обработки.

Особенности
Этот метод высокоэффективен и экономически выгоден, что делает его пригодным для крупномасштабного производства алюминиевых пластин жидкостного охлаждения.
Однако каналы потока обычно ограничены правильной и простой формой, поэтому гибкость и сложность конструкции ниже по сравнению с обработкой на станке с ЧПУ.
В основном он используется для конструкций охлаждающих пластин на основе алюминия.

④ Литье под давлением

Принцип работы
Расплавленный металл, обычно алюминиевый сплав, впрыскивается в полость стальной формы под высоким давлением.
Металл быстро заполняет форму, а затем охлаждается и затвердевает, образуя прочную интегрированную структуру.
Этот процесс позволяет изготавливать сложные формы за один этап формования.

Особенности
Литье под давлением подходит для сложных и интегрированных конструкций с высокой эффективностью производства и хорошим использованием материала.
Однако стоимость пресс-формы относительно высока, что делает ее более подходящей для крупномасштабного производства.
Конечная точность стабильна, но, как правило, не такая высокая, как при обработке на станке с ЧПУ.

⑤ 3D-печать

Принцип работы

3D-печать слой за слоем создает металлические детали с использованием металлического порошка.
Лазер используется для плавления и сплавления порошка в соответствии с цифровым дизайном.
В отличие от традиционных методов, этот процесс не требует форм и позволяет напрямую создавать сложные внутренние структуры и микроканалы.

Особенности

Эта технология может создавать чрезвычайно сложную геометрию, которую трудно или невозможно достичь с помощью традиционных методов производства, таких как биомиметические или фрактальные конструкции каналов потока.
Это помогает оптимизировать эффективность рассеивания тепла и свободу проектирования.
Однако он имеет более высокую стоимость и более низкую скорость производства, что делает его более подходящим для прототипирования и высокотехнологичных индивидуальных приложений.

3. Очистка и предварительная обработка при производстве охлаждающих пластин.

Очистка и предварительная обработка являются важными шагами для обеспечения эффективной и долгосрочной стабильной работы систем жидкостного охлаждения.

Этот этап в основномвключает очистку поверхности (удаление слоев масла, пыли и оксидов), внутреннее удаление заусенцев и полировку (оптимизация сопротивления текучести), глубокую очистку (удаление металлической стружки и остатков пайки), а также обработку поверхности, такую ​​как пассивация или анодирование для повышения коррозионной стойкости, а также подготовку и проверку уплотнений.

Основная цель — повысить эффективность теплопередачи, предотвратить закупорку каналов, уменьшить коррозию и обеспечить чистоту охлаждающей жидкости, в конечном итоге достигая оптимальных тепловых характеристик.

4. Сварочные технологии изготовления пластин жидкостного охлаждения.

Распространенные методы сваркиохлаждающие пластинывключают вакуумную пайку, сварку трением с перемешиванием, лазерную сварку и композитные процессы штамповки + пайки.

4.1. Вакуумная пайка

Принцип работы:
В условиях высокого вакуума детали нагреваются вместе с присадочным материалом, температура плавления которого ниже, чем у основного металла (например, алюминиево-кремниевого сплава).
Наполнитель плавится, смачивает поверхности швов и под действием капилляров втягивается в зазоры. После охлаждения образуется прочное и герметичное соединение.

Особенности:
Преимущества: Отсутствие окисления за счет вакуумной среды, высокое качество сварки, плотные и прочные соединения, высокая точность, возможность формирования сложных внутренних структур. Подходит как для алюминиевых, так и для медных материалов.
Недостатки: высокая стоимость оборудования, строгие требования к контролю процесса, относительно длительный цикл нагрева.

Приложения:
Широко используется в высокопроизводительных пластинах жидкостного охлаждения, где внутренняя чистота и герметичность имеют решающее значение.

4.2 Сварка трением с перемешиванием (FSW)

Принцип работы:
Вращающийся неплавкий инструмент перемещается по области соединения и генерирует тепло трения и пластическую деформацию.
Материал размягчается и механически перемешивается, создавая твердотельную связь без плавления основного материала.

Особенности:
Преимущества: Это процесс соединения в твердом состоянии без брызг, вредных газов и плавления основного материала. Он обеспечивает хорошую механическую прочность, будучи более экологически чистым и энергоэффективным.

Недостатки: Требует специализированных приспособлений и точной настройки. На поверхности сварного шва могут быть следы от инструмента, и этот процесс подходит не для каждого типа материала.

Приложения:
Обычно используется для алюминиевых пластин жидкостного охлаждения, особенно для крупногабаритных изделий и крупносерийного производства.

4.3. Лазерная сварка

Принцип работы:
Лазерная сварка использует высокоэнергетический лазерный луч для нагрева поверхности материала.
Материал быстро плавится, перемешивается и после охлаждения затвердевает, образуя сварное соединение.

Особенности:
Преимущества: Этот процесс обеспечивает высокую скорость сварки, низкое тепловложение и минимальную деформацию. Он также обеспечивает высокую точность, поддерживает сварку с глубоким проплавлением и хорошо подходит для автоматизированного производства.

Недостатки: требуется очень точное выравнивание деталей, во время сварки могут образовываться поры, а стоимость оборудования относительно высока.

Приложения:
Обычно используется для соединения ребер с трубками или пластинами, а также для герметизации кромок, где требуются высокая скорость и точность.

4.4. Процесс штамповки + пайки композита

Принцип работы:
Сначала из металлических листов формируют верхнюю и нижнюю накладки с канавками с помощью процессов штамповки или глубокой вытяжки.
Внутренние компоненты, такие как ребра, затем собираются внутри конструкции. Наконец, вся сборка помещается в печь для вакуумной пайки или пайки в контролируемой атмосфере для создания герметичной конструкции.

Особенности:
Преимущества: Этот процесс обеспечивает низкие производственные затраты и высокую эффективность производства, что делает его пригодным для крупномасштабного производства. С его помощью также можно создавать относительно сложные конструкции каналов потока, поэтому он стал одним из наиболее широко используемых методов изготовления пластин жидкостного охлаждения.

Недостатки: Точность размеров штампованных деталей имеет решающее значение перед пайкой. Конечное качество соединения во многом зависит от контроля зазора и чистоты компонентов.

Приложения:
Этот метод широко используется при производстве пластин жидкостного охлаждения для аккумуляторов электромобилей, серверов, систем хранения энергии и многих других приложений для управления температурным режимом.

5. Постобработка и обработка поверхности охлаждающих пластин аккумуляторов.

6. Проверка качества пластин жидкостного охлаждения.

Перед отправкой пластины жидкостного охлаждения должны пройти ряд строгих проверок и испытаний, включая испытания на герметичность, испытания на плоскостность и испытания на сопротивление текучести.

Эти испытания являются важнейшими этапами контроля качества, поскольку они напрямую влияют на срок службы продукта, тепловые характеристики и надежность системы. Они особенно важны для аккумуляторов электромобилей, систем хранения энергии и электронного охлаждения.

Выполняя эти тесты, производители могут выявить утечки, проблемы с размерами или проблемы с потоком до того, как продукты начнут использоваться в реальных условиях.

6.1 Проверка на утечку

Цель:
Чтобы гарантировать отсутствие утечек внутри каналов охлаждения и предотвратить загрязнение охлаждающей жидкости или выход из строя системы.
Методы:

● Испытание на падение давления
В охлаждающую пластину подается сжатый воздух или азот. Изменения давления отслеживаются с течением времени. Более медленная потеря давления указывает на лучшие характеристики уплотнения.

● Гелиевый масс-спектрометрический тест
Вводится газообразный гелий и используется детектор гелия для выявления очень небольших утечек. Подходит для высокоточных приложений.

● Испытание на погружение в жидкость
Охлаждающая пластина погружается в воду после создания давления. Пузырьки воздуха указывают на места утечки.

● Электронное обнаружение индикаторного газа
Вводится индикаторный газ и используются датчики для определения мест утечек.

6.2 Проверка плоскостности

Цель:
Чтобы обеспечить правильный контакт между охлаждающей пластиной и источниками тепла, такими как процессоры, графические процессоры или аккумуляторные модули, для максимальной теплопередачи.

Методы:

● Лазерный интерферометр / Оптическое сканирование
Измеряет небольшие изменения поверхности с помощью лазера или технологии сканирования.

● Координатно-измерительная машина (КИМ)
Датчик собирает данные о поверхности для расчета отклонения от плоскостности.

● Блок манометров / Проверка щупа
Простой метод, используемый для первоначального измерения зазора.

● Интерферометр белого света
Используется для высокоточного анализа поверхности.

6.3 Испытание сопротивления потоку

Цель:
Оценить сопротивление охлаждающей жидкости внутри каналов охлаждения, влияющее на выбор насоса и энергопотребление системы.

Методы:

● Стационарная испытательная платформа
Расходомеры и датчики давления используются для измерения изменений давления при различных условиях потока.

● Тестирование кривой сопротивления потоку
Кривые падения давления и расхода генерируются для оценки соответствия характеристик системы.

● Переходное тестирование
Имитирует условия запуска и остановки системы для оценки динамических характеристик.

6.4 Другие проверки

● Проверка закупорки проточного канала.

● Проверка размеров и внешнего вида.

● Тестирование тепловых характеристик.

В совокупности эти процедуры тестирования гарантируют, что пластины жидкостного охлаждения могут работать надежно и эффективно в электромобилях, центрах обработки данных и приложениях для хранения энергии.

Заключение

Производительность пластин жидкостного охлаждения зависит от всего производственного процесса, а не от одного этапа. Материалы, методы формовки, сварка, отделка и испытания — все вместе определяет рассеивание тепла и надежность.

Проще говоря, лучший контроль каждого этапа приводит к повышению эффективности охлаждения.