Може ли плочата за течно охлаждане да се справи с термичния стрес?
Наскоро се сблъсках с повреда на система, при която охлаждащата плоча се напука при екстремни температурни колебания - това ме накара да се запитам: може ли плочата за течно охлаждане наистина да издържи на термично натоварване?
Да - плоча за течно охлаждане може да се справят с топлинното натоварване, ако са проектирани правилно, но в противен случай топлинното натоварване може да доведе до умора, напукване и загуба на производителност.
В останалата част на статията ще разгледам какво означава термичен стрес в охладителните системи, защо той води до загуба на производителност, как да проектираме плочите за издръжливост и кои нови материали подобряват устойчивостта на стрес.
Какво представлява топлинното напрежение в охладителните системи?
Представете си метална плоча, която се охлажда бързо от течност, докато е фиксирана на място - ще се получи вътрешно напрежение и възможна повреда.
Термичното напрежение в охладителните системи се отнася до механичното напрежение в материалите, причинено от температурни промени, които налагат ограничено разширяване или свиване.
Когато даден компонент - например охлаждаща плоча в течен контур - претърпява температурни промени, материалът му се опитва да се разшири (при нагряване) или свие (при охлаждане). Ако плочата е ограничена (например от заварени съединения, монтажни винтове, околни структури) или ако има температурни градиенти по плочата (от едната страна гореща, от другата студена), може да се натрупа вътрешно напрежение.
При сценарий с течно охлаждане на плочата охлаждащата течност може бързо да отнеме топлината или да въведе студена течност, докато твърдият метал трябва да се адаптира. Несъответствието в коефициента на топлинно разширение между плочата и устройството, към което е прикрепена (или между различни части на плочата), предизвиква локални напрежения.
Освен това, ако повърхността на плочата е нагрята неравномерно (например някоя област в близост до гореща точка на чипа или неравномерен поток на флуида), тогава една област се разширява повече или по-рано от друга. Това води до вътрешни напрежения на опън и натиск.
Накратко: материалът е принуден да поеме деформация, която “иска” да поеме, но ограниченията или градиентите спират “свободното” разширяване/свиване, така че напрежението се увеличава. Това е термично напрежение.
Топлинното напрежение възниква, когато температурните промени предизвикват ограничено разширяване или свиване на материалите.Истински
Това е определението за термично напрежение в механичните и охладителните системи.
Топлинното напрежение възниква само когато материалът достигне точката си на топене.Фалшив
Топлинното напрежение може да възникне при всяка температура, при която разширението или свиването е ограничено, а не само при температурата на топене.
Защо стресът води до намаляване на производителността?
Напрежението може да звучи като въпрос, свързан само с материалите, но при охлаждащите плочи то е пряко свързано с преноса на топлина, надеждността и експлоатационния живот.
Напрежението води до загуба на експлоатационни характеристики, тъй като деформацията, разхлабването на съединенията, пукнатините, разслояването или изкривяването намаляват ефективността на топлопредаването, водят до течове или повреди и влошават трайността.
При натрупване на топлинно напрежение в системата за течно охлаждане могат да се случат няколко негативни неща. Ето основните механизми за повреда или загуба на производителност:
Деформация или изкривяване
Ако плочата се деформира леко при циклично топлинно натоварване, контактът между източника на топлина (например печатна платка, батерийна клетка или захранващ модул) и плочата може да се влоши. Това намалява проводимостта от източника към плочата. Намалената проводимост означава по-висока температура на съединението и по-малко ефективно охлаждане.
Напукване или умора
Повтарящите се термични цикли (нагряване и охлаждане) предизвикват умора в материала в местата с висока концентрация на напрежение (например в близост до съединения, заварки, ъгли). Могат да се образуват пукнатини, които намаляват структурната цялост. Ако пукнатините се разпространят, каналите за флуиди могат да протекат или потокът да се промени. Течовете водят до катастрофална повреда; промените в потока намаляват ефективността на топлопреноса.
Деламинация или повреда на съединението
Ако охлаждащата плоча е свързана или заварена в по-голям възел (например съединена с основна плоча или закрепена към други части), напрежението може да доведе до разрушаване на интерфейса. След като интерфейсът е нарушен, термичното съпротивление се увеличава. Това означава, че при едно и също топлинно натоварване температурата се повишава, което намалява запаса от производителност.
Намален коефициент на топлопреминаване
Когато умората или деформацията на материала променят геометрията на канала (например леко свиване на микроканала или промяна на контактното налягане), моделът на потока на охлаждащата течност и топлинният контакт се влошават. Това повишава термичното съпротивление на системата плоча-охладител. По-ниският топлообмен означава по-високо повишаване на температурата, което може допълнително да ускори напрежението - порочен кръг.
Пълзене и дългосрочна деформация
При повишени температури и продължително натоварване материалите могат бавно да се деформират (пълзене), дори ако напрежението е под границата на провлачане. С течение на времето плочата може да провисне, да загуби плоскост или да промени формата си по друг начин. Това отново намалява топлинните характеристики или може да създаде проблеми с потока на флуидите.
Пукнатините и изкривяването на охлаждащите плочи намаляват топлинната ефективност.Истински
Структурните повреди като напукване или изкривяване влошават топлинния контакт и потока на охлаждащата течност, което намалява ефективността.
Топлинното напрежение увеличава топлопроводимостта на охлаждащата плоча.Фалшив
Топлинният стрес причинява физически повреди, които намаляват ефективния топлообмен, а не го подобряват.
Как да проектираме плочите за термична издръжливост?
Проектирането за издръжливост означава да се предвиди стресът и да се елиминират или намалят разрушителните му пътища предварително.
Доброто проектиране на термичната издръжливост на охлаждащите плочи означава избор на съвместими материали, контролиране на температурните градиенти, проектиране на геометрията на каналите и монтажа за облекчаване на напрежението и потвърждаване на живота при умора при циклично движение.
Когато проектирам охлаждаща плоча (или контролирам такова проектиране), следвам тези основни принципи на проектиране:
Съвместимост на материала и разширението
- Изберете материали, чиито коефициенти на топлинно разширение са съвместими с охлажданите от тях устройства и с монтажните конструкции.
- Използвайте метали с добра топлопроводимост и механична якост за очакваните натоварвания.
Еднородно температурно поле
- Проектирайте каналите за потока и геометрията на плочата, за да осигурите равномерно охлаждане - избягвайте горещи точки.
- Използвайте симулацията, за да определите градиентите и точките на напрежение.
Механичен монтаж и ограничение
- Допускайте леко топлинно движение. Избягвайте твърдо фиксиране, което блокира всяко разширение.
- При необходимост използвайте гъвкави уплътнения или плаващи опори.
Геометрия на канала и дебелина на стената
- Тънките стени намаляват топлинните градиенти.
- Избягвайте остри ъгли или заварки в зони с висока температура.
Умора и термично циклиране
- Проектирайте за очаквания брой цикли.
- Тествайте в реални условия, ако е възможно.
- Използвайте модели като σ = E α ΔT, за да оцените напрежението.
Интерфейс и затягане
- Използвайте скоби, които поддържат равномерно налягане при температурни колебания.
- Нанесете термопаста или подложка, която е устойчива на разрушаване.
Управление на охладителния контур
- Ограничете резките промени в температурата на течността.
- Избягвайте студени удари върху гореща плоча.
| Фокус върху дизайна | Стратегия |
|---|---|
| Термична съвместимост | Съответствие на CTE с околните части |
| Механичен дизайн | Избягвайте прекаленото ограничаване; позволете движение |
| Управление на потока | Насърчава равномерното отвеждане на топлината; избягва горещи точки |
| Избор на материал | Изберете материали с добра умора и проводимост |
| Контрол на интерфейса | Поддържане на стабилен контакт при термични цикли |
Позволяването на леко топлинно движение при монтажа спомага за намаляване на напрежението върху охлаждащите плочи.Истински
Позволяването на разширяване или свиване предотвратява натрупването на вътрешни напрежения, които причиняват повреди.
По-дебелите стени на охлаждащата плоча винаги намаляват топлинното напрежение.Фалшив
По-дебелите стени могат да създадат по-големи топлинни градиенти, което всъщност може да увеличи напрежението.
Кои нови материали подобряват устойчивостта на стрес?
Класическите алуминиеви или медни плочи са добри, но по-новите композитни материали и процеси разширяват възможностите за издръжливост и устойчивост на натоварване.
Усъвършенстваните материали като композити с метална матрица (напр. AlSiC), високоякостни медни сплави (напр. Glidcop) и подобрени споени съединения осигуряват по-добра топлопроводимост, съгласувано разширение и устойчивост на умора за охлаждащите плочи.
Нека да разгледаме някои от по-новите варианти на материали и какви са техните предимства по отношение на устойчивостта на натоварване при охлаждащите плочи.
Композит AlSiC с метална матрица
AlSiC съчетава алуминий с частици силициев карбид. Той запазва добра топлопроводимост, но намалява топлинното разширение. Това означава по-малко разминаване при свързването му с чипове или други части. Това помага да се избегне напрежението.
Glidcop медна сплав
Тази медна сплав издържа по-добре на висока температура. В нея са добавени малки керамични частици, които не позволяват на метала да омекне. Резултатът е по-здрави охлаждащи плочи, които са устойчиви на пълзене и издържат по-дълго при циклично движение.
Търговия с мед срещу алуминий
Медта има по-висока проводимост и по-добра устойчивост на стрес. Алуминият е по-лек и по-евтин. Ако производителността е по-важна от цената или теглото, медта често е по-добра.
Споени или заварени съединения
Вакуумното спояване прави съединенията здрави и устойчиви на топлина. При него се избягват пукнатини и течове. Това помага на плочите да издържат на продължителна употреба. Заваряването чрез триене е друг чист и здрав вариант.
3D-отпечатани радиатори
Нова технология за печат позволява на инженерите да създават сложни охлаждащи трасета. При някои проекти се използват необичайни форми, които разпределят по-добре топлината или се справят добре с разширяването. Те все още са рядкост, но са обещаващи.
| Материал | Ползи за толерантността към стреса |
|---|---|
| Композит AlSiC | По-ниско термично разширение, добра проводимост |
| Сплав на Glidcop | Висока якост при нагряване, устойчивост на пълзене и напукване |
| Стандартна мед | Върхова производителност, силна, скъпа |
| Стандартен алуминий | Леки, евтини, но с по-високо разширение и по-меки |
Композитите AlSiC намаляват несъответствието в топлинното разширение между охлаждащите плочи и устройствата.Истински
AlSiC е проектиран така, че да съответства на скоростта на разширяване на чувствителната електроника, като намалява напрежението.
Стандартният алуминий винаги има по-добра толерантност към термично натоварване от Glidcop.Фалшив
Glidcop е проектиран за здравина и устойчивост на натоварване, което го прави по-добър при термични цикли.
Заключение
От моя опит знам, че когато плочата за течно охлаждане е правилно проектирана за очакваните топлинни и механични натоварвания, тя може да да се справят ефективно с термичния стрес. Ключът е да се разбере как възниква топлинният стрес, защо той влошава ефективността на охлаждането и как да се проектират и подбират материали, които да му устоят. Чрез прилагане на добър механичен и термичен дизайн и избор на съвременни материали, когато е необходимо, можете да изградите трайни, високопроизводителни системи с дълъг експлоатационен живот.
