Options de conception des canaux de refroidissement en aluminium extrudé ?

Les points chauds, le refroidissement inégal et les chutes de pression peuvent transformer un bon produit en un problème de garantie. Lorsque les canaux de refroidissement sont ajoutés après coup, le système en paie généralement le prix en termes de bruit, de fuites et de faible efficacité.

L'extrusion d'aluminium offre de nombreuses options pratiques pour la conception des canaux de refroidissement, des simples alésages aux chemins complexes à passages multiples. La meilleure option est celle qui offre un équilibre entre le débit, le transfert de chaleur, la facilité de nettoyage, l'étanchéité et le coût, et non pas seulement un seul critère.

L'objectif est simple : évacuer la chaleur rapidement et de manière prévisible, tout en maîtrisant la fabrication et la maintenance. Les sections ci-dessous détaillent les formes des canaux, la manière dont les passages internes sont réalisés, les cas dans lesquels le multi-pass est utile et la manière de sceller l'ensemble avec le moins de surprises possible.

Quelles géométries de canaux optimisent le débit du liquide de refroidissement ?

Une mauvaise géométrie entraîne deux défaillances courantes : une chute de pression élevée et des zones mortes. Une chute de pression élevée gaspille la puissance de la pompe. Les zones mortes emprisonnent le fluide chaud et réduisent le transfert de chaleur. Une forme de canal appropriée évite ces deux problèmes, tout en restant réaliste pour l'extrusion et le nettoyage.

Les meilleures géométries de canaux de refroidissement maintiennent une vitesse plus régulière, réduisent les virages serrés et augmentent le périmètre mouillé sans créer de poches difficiles à nettoyer. Les formes arrondies et lisses en forme de piste de course constituent souvent la base la plus sûre, tandis que les formes multiloques ou en forme d'épingle soigneusement conçues peuvent améliorer le transfert de chaleur lorsque le risque d'encrassement est faible.

Commencez par ce que la pompe " ressent "."

Flow ne se soucie pas des arguments marketing. Il se soucie des frictions et des virages.

• Canaux ronds sont prévisibles. Ils présentent une faible perte de charge pour une surface donnée et sont faciles à rincer.
• Piste de course (rectangle arrondi) s'adapte souvent mieux aux murs fins tout en conservant des angles lisses.
• Rectangles nets peuvent créer des angles à faible vitesse. Ces angles deviennent des poches de boue dans les circuits de refroidissement réels.
• Sentiers sinueux peut augmenter la vitesse et le transfert de chaleur, mais chaque coude ajoute une perte et peut piéger des bulles.

Le transfert thermique ne dépend pas uniquement de la surface

De nombreuses équipes recherchent la surface au détriment de la facilité de nettoyage.

• Un périmètre plus large peut faciliter le transfert de chaleur.
• Mais les micro-fonctionnalités peuvent rapidement devenir gênantes.
• Une forme légèrement plus simple qui reste propre peut être plus performante qu'une forme sophistiquée après six mois.

Règles géométriques qui fonctionnent généralement

Les règles empiriques suivantes facilitent les décisions précoces :

• Utilisation coins arrondis partout où vous pouvez.
• Éviter expansions soudaines et contractions soudaines.
• Gardez les courbes doux (rayon de courbure plus grand).
• Maintenez les dimensions des canaux suffisamment grandes pour rougissement et pour la charge particulaire prévue.

Comparaison pratique des géométries

Le tableau ci-dessous est un guide rapide pour le dépistage précoce.

Comment l'extrusion permet-elle la création de passages de refroidissement internes ?

Beaucoup de gens considèrent l'extrusion comme une simple forme extérieure. En pratique, l'extrusion peut créer des vides et des passages internes en une seule étape, à condition que la filière puisse le supporter et que l'écoulement du métal reste équilibré.

L'extrusion permet de créer des passages de refroidissement internes à l'aide de matrices creuses avec des mandrins et des ponts qui façonnent les vides internes pendant la course de la presse. Avec un support de matrice adéquat, un contrôle du flux métallique et une finition post-extrusion, les canaux internes peuvent être réalisés de manière répétée sans avoir à percer de longs chemins.

L'idée centrale : un moule creux forme le vide

Pour créer un passage interne, la matrice doit maintenir un mandrin en place. Le mandrin est soutenu par des ponts (également appelés nervures). L'aluminium s'écoule autour de ces supports, puis fusionne dans une chambre de soudage avant de sortir.

Cela crée deux réalités importantes pour les canaux de refroidissement :

• La forme interne du canal est possible, mais elle doit être réalisable.
• Le profil a cordons de soudure là où les flux métalliques se rejoignent, et ces joints doivent être placés intelligemment.

Qu'est-ce qui détermine la faisabilité d'un canal ?

Plusieurs facteurs déterminent si le canal peut être extrudé avec un bon rendement.

Bilan des flux de métaux

Si un côté du profil s'écoule plus rapidement, les parois s'amincissent et les canaux peuvent se déformer. Une épaisseur de paroi équilibrée et des caractéristiques symétriques sont utiles.

Conception des roulements et frottement

Les roulements contrôlent la vitesse de sortie. Un roulement bien réglé permet aux nervures internes et aux parois externes de sortir ensemble, ce qui réduit la torsion et le rétrécissement.

Épaisseur minimale de la paroi et résistance de l'âme

Les parois internes très fines peuvent s'effondrer pendant l'extrusion ou ultérieurement lors de la manipulation. Pour les canaux de refroidissement, les parois fines risquent également de subir une corrosion et une érosion si le liquide de refroidissement est agressif.

Options de post-traitement

Les profilés extrudés nécessitent souvent des étapes de finition pour devenir un composant de refroidissement fiable :

• Redressement par étirement pour réduire la torsion.
• Usinage CNC pour les ports, les collecteurs et les faces d'étanchéité.
• Ébavurage aux intersections des ports.
• Traitement de surface comme l'anodisation ou le revêtement lorsque le risque de corrosion est élevé.

Concevoir des habitudes qui réduisent les risques liés à la production

Lors de la conception de passages internes, ces habitudes sont généralement utiles :

• Conserver les fonctionnalités internes simple et fluide.
• Évitez les différences extrêmes d'épaisseur de paroi dans une même section transversale.
• Planifiez l'emplacement des raccords de manière à ce que les soudures ne se trouvent pas sur les faces d'étanchéité soumises aux contraintes les plus élevées.

Les canaux à passages multiples peuvent-ils améliorer l'efficacité thermique ?

Un seul passage droit peut suffire pour les faibles charges thermiques. Mais lorsque le flux thermique est élevé ou que l'encombrement est réduit, les conceptions à passages multiples deviennent intéressantes. La question est de savoir si la complexité supplémentaire est rentable dans les systèmes réels.

Les canaux à passages multiples peuvent améliorer l'efficacité thermique en augmentant le temps de séjour du liquide de refroidissement, en augmentant la vitesse moyenne dans les zones chaudes et en réduisant les écarts de température dans la pièce. Ils fonctionnent mieux lorsque la chute de pression, la purge d'air et le nettoyage sont pris en compte dès la conception.

Pourquoi le multi-pass peut aider

Un canal à passages multiples achemine le liquide de refroidissement à plusieurs reprises à travers la zone chaude. Cela peut aider de trois façons :

1. Température plus uniforme: Le liquide de refroidissement est forcé de balayer les zones qu'un seul passage pourrait manquer.
2. Vitesse locale plus élevée: La division du flux en passages plus étroits peut augmenter la vitesse et le coefficient de transfert thermique.
3. Meilleure utilisation d'une longueur limitée: Si la pièce est courte, un chemin sinueux augmente efficacement la longueur du flux.

Le coût réel : perte de charge et puissance de la pompe

Chaque tour et chaque longueur supplémentaire ajoutent une perte par frottement. Si la puissance de la pompe augmente trop, le système peut chauffer davantage car le débit diminue. C'est un compromis.

Une façon utile d'y réfléchir :

• Si le système peut supporter une perte de charge plus importante, le multi-passage peut être avantageux.
• Si la pompe est déjà proche de sa limite, le multi-pass peut avoir un effet inverse.

Purge d'air et pièges à bulles

Les configurations à passages multiples créent souvent des points élevés qui emprisonnent l'air. L'air emprisonné réduit le refroidissement et peut générer du bruit. Une bonne conception comprend :

• Une claire remplir et purger stratégie.
• Pentes ou acheminement qui guide l'air vers les évents.
• Éviter les points hauts soudains près des virages serrés.

Facilité de nettoyage et durée de vie

Dans les circuits de refroidissement industriels, les particules fines et les additifs forment des dépôts. Les canaux à passages multiples sont plus difficiles à nettoyer s'ils comportent des coudes serrés ou des sections étroites. Les filtres sont utiles, mais la conception reste importante.

Modèles multi-passes à prendre en considération

Les dispositions courantes comprennent :

• Serpentine: Un chemin continu avec des demi-tours. Plomberie simple, chute de pression plus importante.
• Multi-passage parallèle: Plusieurs canaux alimentés en parallèle par des collecteurs. Perte de charge réduite, mais nécessite une distribution équilibrée.
• Hybride: Jambes courtes parallèles avec des courbes légères, visant à la fois l'uniformité et une perte maîtrisable.

Quand le multi-pass en vaut la peine

Le multi-passage vaut généralement la peine lorsque :

• Les points chauds sont graves et localisés.
• L'empreinte thermique est limitée.
• Une puissance de pompe légèrement supérieure est acceptable.
• Le liquide de refroidissement est filtré et l'entretien est planifié.

Quelles méthodes d'étanchéification conviennent aux canaux de refroidissement extrudés ?

L'efficacité d'un circuit de refroidissement dépend de la qualité de ses joints. Une petite fuite peut endommager les composants électroniques, provoquer de la corrosion ou créer des risques pour la sécurité. Le choix des joints doit être adapté à la pression, aux cycles de température, à la composition chimique du liquide de refroidissement et au type d'assemblage.

Les méthodes d'étanchéification des canaux de refroidissement extrudés comprennent généralement des joints toriques dans des rainures usinées, des joints d'étanchéité, des fermetures brasées ou soudées et des embouts mécaniques. Le choix optimal dépend des besoins en matière d'entretien, du contrôle de la tolérance et de la nécessité ou non d'ouvrir le canal pour le nettoyer.

Joints toriques : l'option la plus courante et la plus facile à entretenir

Les joints toriques fonctionnent bien lorsque :

• Les surfaces d'accouplement sont planes et contrôlées.
• Les dimensions des rainures sont uniformes.
• La compression est correcte et reproductible.

Les joints toriques sont résistants pour l'entretien, car le canal peut être ouvert, nettoyé et refermé.

Joints : adaptés aux grandes surfaces et aux pressions faibles

Les joints peuvent tolérer de légères variations de surface et couvrir de plus grandes surfaces. Ils fonctionnent mieux lorsque :

• La pression est modérée.
• La charge du boulon est uniforme.
• Le liquide de refroidissement est compatible avec le matériau du joint.

Joints permanents : brasage ou soudage

Si le canal ne doit jamais être ouvert, sa fermeture définitive peut réduire le risque de fuite.

• Brasage peut sceller les couvercles et les plaques d'extrémité avec un joint continu.
• Soudage peut être puissant, mais peut déformer les parois minces et nécessite un bon contrôle du processus.

Les joints permanents sont courants lorsque la pièce est scellée à vie et qu'aucun accès pour l'entretien n'est nécessaire.

Embouts et bouchons mécaniques

Les embouts sont utiles pour les canaux droits dont les extrémités sont accessibles. Ils peuvent être :

• Bouchons à emboîter
• Bouchons filetés
• Embouts serrés avec joint d'étanchéité ou joint torique

Liste de contrôle pour le choix des joints d'étanchéité

Le tableau ci-dessous aide à adapter la méthode d'étanchéité aux conditions d'utilisation typiques.

La tolérance et la finition de surface sont plus importantes que la marque du joint.

De nombreuses fuites attribuées à des " joints défectueux " sont en réalité causées par :

• Visages hors du commun
• Marques d'outils traversant le chemin du joint
• Modèles de boulons mal alignés
• Compression inégale due à des couvertures déformées

Pour les canaux de refroidissement extrudés, il est utile d'usiner la surface d'étanchéité en une seule opération, puis de vérifier la planéité et la rugosité. Une simple routine d'inspection permet d'éviter des retouches ultérieures.

Conclusion

De bons canaux de refroidissement résultent de choix équilibrés : une géométrie fluide, des passages internes adaptés à l'extrusion, un système à passages multiples uniquement lorsque la pompe et le plan de maintenance le permettent, et une étanchéité adaptée aux conditions réelles d'utilisation.