Kas vedelikjahutusplaat saab hakkama termilise pingega?

Hiljuti puutusin kokku süsteemi rikkega, kus jahutusplaat pragunes äärmuslikes temperatuurimuutustes - see pani mind küsima: kas vedelikjahutusplaat suudab tõesti toime tulla termilise pingega?

Jah - vedelikjahutusplaat saab kui see on õigesti projekteeritud, kuid kui seda ei tehta, võib termiline pinge põhjustada väsimust, pragunemist ja jõudluse vähenemist.

Selle artikli ülejäänud osas käsitlen, mida tähendab soojuspinge jahutussüsteemides, miks see põhjustab jõudluse vähenemist, kuidas projekteerida plaate vastupidavuse tagamiseks ja millised uued materjalid parandavad stressitaluvust.

Mis on soojuspinge jahutussüsteemides?

Kujutage ette, et metallplaat jahutatakse kiiresti vedelikuga, samal ajal kui see on fikseeritud - see tekitab sisemist pinget ja võimalikke kahjustusi.

Jahutussüsteemides esinev soojuspinge tähendab mehaanilist pinget materjalides, mis on põhjustatud temperatuurimuutustest, mis sunnivad neid sundpaisuma või kokku tõmbuma.

Kui komponent - näiteks jahutusplaat vedelikuahelas - muutub temperatuuris, püüab selle materjal paisuda (kuumutamisel) või tõmbuda (jahutamisel). Kui plaat on piiratud (näiteks keevisliited, kinnituskruvid, ümbritsevad konstruktsioonid) või kui plaadil on temperatuurikõikumised (üks pool on kuum, teine külm), võib tekkida sisepinge.

Vedelikjahutusega plaadi stsenaariumi puhul võib jahutusvedelik kiiresti eemaldada soojust või tuua sisse külma vedelikku, samal ajal kui tahke metall peab kohanema. Soojuspaisumisteguri erinevus plaadi ja seadme vahel, millega see on ühendatud (või plaadi eri osade vahel), põhjustab kohalikke pingeid.

Lisaks sellele, kui plaadi pinda kuumutatakse ebaühtlaselt (näiteks mõni ala kiibi kuuma punkti lähedal või ebaühtlane vedeliku voolamine), siis laieneb üks piirkond rohkem või kiiremini kui teine. See toob kaasa sisemised tõmbe- ja survetugevused.

Lühidalt öeldes: materjal on sunnitud võtma pingeid, mida ta “tahab” võtta, kuid piirangud või gradiendid takistavad “vaba” paisumist/koondumist, mistõttu tekib pinge. See on termiline pinge.

Miks stress põhjustab jõudluse langust?

Stress võib tunduda ainult materjaliküsimusena, kuid jahutusplaatide puhul on see otseselt seotud soojusülekande, töökindluse ja kasutusajaga.

Pinged põhjustavad toimivuse vähenemist, sest deformatsioon, lõdvenevad ühendused, praod, delaminatsioon või väändumine vähendavad soojusülekande tõhusust, põhjustavad lekkeid või tõrkeid ning halvendavad vastupidavust.

Kui soojuspinge kuhjub, võib vedelikjahutusplaadisüsteemis juhtuda mitu negatiivset asja. Järgnevalt on esitatud peamised rikke- või jõudluskaotuse mehhanismid:

Väändumine või moonutamine

Kui plaat tsüklilise termilise koormuse all veidi deformeerub, võib kontakt soojusallika (näiteks trükkplaadi, akuelemendi või toitemooduli) ja plaadi vahel halveneda. See vähendab soojusjuhtivust allikast plaati. Vähenenud juhtivus tähendab kõrgemat liitumistemperatuuri, vähem tõhusat jahutust.

Pragunemine või väsimus

Korduvad termotsüklid (kuumutamine ja jahutamine) põhjustavad materjalis väsimust kõrge pingekontsentratsiooniga kohtades (näiteks ühenduskohtade, keevisõmbluste ja nurkade lähedal). Võib tekkida pragusid, mis vähendavad konstruktsiooni terviklikkust. Kui praod levivad, võivad vedeliku kanalid lekkida või voolamine muutuda. Lekked põhjustavad katastroofilisi rikkeid; voolu muutused vähendavad soojusülekande jõudlust.

Delamineerumine või liigendirike

Kui jahutusplaat on liimitud või keevitatud suuremasse koostu (näiteks ühendatud alusplaadiga või kinnitatud teiste osade külge), võib pinge põhjustada liidese lagunemist. Kui liides on kahjustatud, suureneb soojustakistus. See tähendab, et sama soojuskoormuse puhul tõuseb temperatuur, mis vähendab jõudlusvaru.

Vähendatud soojusülekandetegur

Kui materjali väsimus või moonutamine muudab kanali geomeetriat (näiteks mikrokanalit pisut kokku surudes või kontaktrõhku muutes), halveneb jahutusvedeliku voolumuster ja termiline kontakt. See suurendab plaadi ja jahutusaine süsteemi soojustakistust. Madalam soojusülekanne tähendab suuremat temperatuuritõusu, mis võib veelgi kiirendada pinget - see on nõiaring.

Möödalaskmine ja pikaajaline deformatsioon

Kõrgetel temperatuuridel ja püsiva pinge korral võivad materjalid aeglaselt deformeeruda (roomamine), isegi kui pinge on alla voolavuse. Aja jooksul võib plaat vajuda, kaotada tasasust või muuta muul viisil kuju. See omakorda vähendab soojapidavust või võib tekitada probleeme vedeliku voolamisega.

Kuidas projekteerida plaate termilise vastupidavuse tagamiseks?

Vastupidavuse projekteerimine tähendab stressi ennetamist ja selle hävitava mõju kõrvaldamist või vähendamist juba ette.

Jahutusplaatide hea termilise vastupidavuse projekteerimine tähendab sobivate materjalide valimist, temperatuuri gradiendi kontrollimist, kanali geomeetria ja paigalduse kavandamist pinge leevendamiseks ning väsimusaja valideerimist tsükli käigus.

Kui ma projekteerin jahutusplaati (või juhin selle projekteerimist), järgin ma järgmisi peamisi projekteerimispõhimõtteid:

Materjali ja paisumise ühilduvus

• Valige materjalid, mille soojuspaisumise koefitsiendid sobivad jahutatavate seadmete ja paigalduskonstruktsioonidega.
• Kasutage eeldatavate koormuste jaoks hea soojusjuhtivuse ja mehaanilise tugevusega metalle.

Ühetaoline temperatuuriväli

• Kujundage voolukanalid ja plaatide geomeetria nii, et need soodustaksid ühtlast jahutust - vältige kuumade kohtade tekkimist.
• Kasutage simulatsiooni gradientide ja pingepunktide tuvastamiseks.

Mehaaniline paigaldus ja piirangud

• Võta arvesse kerget soojusliikumist. Vältige jäika fikseerimist, mis blokeerib igasuguse laienemise.
• Kasutage vajaduse korral paindlikke tihendeid või ujuvkinnitusi.

Kanali geomeetria ja seina paksus

• Õhukesed seinad vähendavad soojusgradiente.
• Vältige teravaid nurki või keevisõmblusi kõrge temperatuuriga piirkondades.

Väsimus ja termiline tsüklilisus

• Projekteerige eeldatava tsüklite arvu jaoks.
• Võimaluse korral testige reaalsetes tingimustes.
• Stressi hindamiseks kasutage mudeleid nagu σ = E α ΔT.

Liides ja kinnitus

• Kasutage klambreid, mis säilitavad ühtlase rõhu temperatuurimuutuste korral.
• Kandke termopasta või pad, mis peab vastu lagunemisele.

Jahutusringi juhtimine

• Piirake vedeliku temperatuuri järske muutusi.
• Vältige külmašokke kuumal plaadil.

Millised uued materjalid parandavad stressitaluvust?

Klassikalised alumiinium- või vaseplaadid on head, kuid uuemad komposiitmaterjalid ja -protsessid on vastupidavuse ja pingetaluvuse osas kaugemaleulatuvad.

Täiustatud materjalid, nagu metallmaatriksiga komposiitmaterjalid (nt AlSiC), kõrgtugevad vasesulamid (nt Glidcop) ja täiustatud joodetud ühendused tagavad jahutusplaatide parema soojusjuhtivuse, sobiva paisumise ja väsimuskindluse.

Vaatleme mõningaid uuemaid materjalivalikuid ja seda, mida need jahutusplaatide pingetaluvuse osas kaasa toovad.

AlSiC metall-maatriks komposiit

AlSiC ühendab alumiiniumi ränikarbiidi osakestega. See säilitab hea soojusjuhtivuse, kuid vähendab soojuspaisumist. See tähendab vähem ebakõlasid, kui see ühendatakse kiipide või muude detailidega. See aitab vältida pingeid.

Glidcop vasesulam

See vasesulam peab paremini vastu suure kuumuse all. See lisab pisikesi keraamilisi tükikesi, et metall ei muutuks pehmeks. Tulemuseks on tugevamad jahutusplaadid, mis on vastupidavamad roomamisele ja kestavad tsüklilisuse all kauem.

Vask vs. alumiinium kaubandus

Vasel on suurem elektrijuhtivus ja parem stressitaluvus. Alumiinium on kergem ja odavam. Kui jõudlus on olulisem kui hind või kaal, on vask sageli parem.

Joodetud või keevitatud ühendused

Vaakumjootmine muudab ühendused tugevaks ja kuumakindlaks. See väldib pragusid ja lekkeid. See aitab plaatidel pikaajalist kasutamist üle elada. Hõõrdkeevitus on teine puhas ja tugev võimalus.

3D-trükitud jahutusradiaatorid

Uus trükitehnoloogia võimaldab inseneridel teha keerulisi jahutusradu. Mõne konstruktsiooni puhul kasutatakse ebatavalisi kujundeid, mis levitavad soojust paremini või tulevad hästi toime paisumisega. Need on veel haruldased, kuid paljutõotavad.

Kokkuvõte

Minu kogemuse kohaselt, kui vedelikjahutusplaat on nõuetekohaselt projekteeritud eeldatava termilise ja mehaanilise koormuse jaoks, on see saab tõhusalt toime tulla termilise pingega. Oluline on mõista, kuidas tekib soojuspinge, miks see kahjustab jahutuse tulemuslikkust ning kuidas projekteerida ja valida materjale, mis sellele vastu seisavad. Hea mehaanilise ja termilise projekteerimise ning vajaduse korral täiustatud materjalide valimise abil saate ehitada vastupidavaid, suure jõudlusega ja pika kasutuseaga süsteeme.