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Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2025-10-21 Herkunft:Powered
Bei Winshare Thermal verstehen wir den unerbittlichen Kampf gegen die Hitze in der heutigen Hochleistungselektronik. Von den komplizierten KI-Chips in Servern der nächsten Generation bis hin zu den robusten IGBT-Leistungsmodulen in Elektrofahrzeugen (EVs) und großen Energiespeichersystemen (ESS) ist die Wärmekonzentration beispiellos. Dieser hohe Wärmefluss stellt immense thermische Herausforderungen dar, die die herkömmliche Luftkühlung, da sie an ihre Funktionsgrenzen stößt, einfach nicht bewältigen kann.
Flüssige Kühlplatten sind der Grundstein für ein effektives Wärmemanagement in diesen anspruchsvollen Anwendungen. Sie dienen als kritische Wärmebrücke und übertragen effizient Wärme von Komponenten mit hoher Leistungsdichte in die zirkulierende Flüssigkeit. Eine Kühlplatte, die nicht optimal konzipiert und sorgfältig hergestellt ist, kann zu einem ernsthaften Engpass werden und zu erhöhten Betriebstemperaturen, beeinträchtigter Systemleistung und erheblich verkürzter Gerätelebensdauer führen.
Als spezialisierter Hersteller von Hochleistungs-Kühllösungen besteht die Mission von Winshare Thermal darin, Ingenieure mit überlegener thermischer Effizienz und außergewöhnlicher struktureller Zuverlässigkeit zu unterstützen. Unsere Designphilosophie basiert auf zwei grundlegenden, aber oft widersprüchlichen Zielen:
Minimierung des Wärmewiderstands (Rth): Um sicherzustellen, dass Komponenten bei möglichst niedrigen Temperaturen betrieben werden.
Minimierung des Druckabfalls (ΔP): Zur Reduzierung des Energieverbrauchs des Pumpsystems.
Um die ideale Balance zwischen diesen beiden Zielen zu erreichen, bedarf es nicht nur theoretischen Verständnisses, sondern auch fundierter Fertigungskenntnisse. Dieser Leitfaden befasst sich mit den 10 wichtigsten Designparametern und zeigt, wie die fortschrittlichen CFD-Simulationsfunktionen und vielfältigen Herstellungsprozesse von Winshare Thermal genutzt werden, um optimierte, hochzuverlässige Kühlplattenlösungen für unsere globale Kundschaft bereitzustellen.
II. Leitungs- und Konvektionsgeometrie)
Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die physikalischen Elemente. Es behandelt die Materialauswahl und den inneren Aufbau der Kühlplatte. Diese physikalischen Faktoren steuern die Wärmeübertragung. Sie beeinflussen die anfängliche Wärmeleitung und die gesamte benetzte Fläche für die Konvektion.
Die Basisdicke ist die Vollmaterialschicht. Es befindet sich zwischen der Wärmequelle und den Kühlkanälen. Wärme bewegt sich durch diese Schicht nur durch Leitung. Die Basisdicke ist ein entscheidender Teil des gesamten Wärmewiderstands der Kühlplatte ().
Die Wärme muss über diese Dicke wandern. Eine dünnere Basis bedeutet eine kürzere Verfahrstrecke. Dadurch wird der Leitungswiderstand () minimiert. Designer müssen versuchen, so klein wie möglich zu machen. Dies ist besonders wichtig, wenn die Fläche der Wärmequelle groß ist.
Ingenieure müssen strukturelle Einschränkungen berücksichtigen. Die Kühlplatte benötigt mechanische Festigkeit. Es muss einer Biegung oder Verformung standhalten. Die interne Flüssigkeit arbeitet unter hohem Druck (z. B. 5–10 bar). Eine zu dünne Unterlage verformt sich unter diesem Druck. Diese Verformung ist sehr gefährlich. Dies führt zu einem schlechten Kontakt zwischen dem Chip und der Kühlplatte. Dieser schlechte Kontakt erhöht den TIM-Widerstand dramatisch. Es kann auch zu Leckagen oder einem katastrophalen Ausfall kommen.
Ingenieure müssen die sichere Mindestdicke berechnen. Diese Berechnung basiert auf Materialeigenschaften und dem maximalen Betriebsdruck des Systems. Diese minimale sichere Dicke ist die optimale Dicke. Es gewährleistet thermische Effizienz und strukturelle Integrität.
Die Wahl des Kühlplattenmaterials ist von grundlegender Bedeutung. Die Wärmeleitfähigkeit (k) bestimmt, wie gut sich Wärme ausbreitet. Für eine schnelle und gleichmäßige Wärmeableitung ist ein hoher k-Wert erforderlich. High-K-Materialien leiten die Wärme schnell von heißen Stellen ab.
Die Wahl liegt meist zwischen Kupfer und Aluminium. Kupfer bietet eine hervorragende thermische Leistung. Sein $ ext{k}$-Wert beträgt etwa 400 W/m K. Der k-Wert von Aluminium beträgt etwa 205 W/m K. Kupfer eignet sich besser für den Wärmeausbreitungswiderstand . Dieser Widerstand entsteht, wenn ein kleiner Chip Wärme erzeugt. Die Wärme muss sich über den gesamten Kühlplattenboden verteilen.
Material | Wärmeleitfähigkeit ()k | Dichte | Kosten | Bester Anwendungsfokus |
Kupfer ()Cu | Sehr hoch ~400 W/m K | Hoch | Hoch | Hoher Wärmefluss, kleine Hotspots (CPU/GPU) |
Aluminium ()Al | Gut ()~250 W/m K | Niedrig | Niedrig | Große Systeme, gewichtsempfindlich (EV-Batterie, ESS) |
Kupfer bietet die beste thermische Lösung. Allerdings ist es schwerer und teurer. Aluminium ist der Industriestandard für große, gewichtsempfindliche Anwendungen. Sein niedrigeres $ ext{k}$ ist akzeptabel, wenn die Wärmelast über eine große Fläche verteilt ist. Die Materialauswahl muss mit den Gewichts- und Budgetbeschränkungen der Anwendung übereinstimmen.
Innenlamellen werden in Hochleistungskühlplatten eingesetzt. Sie sind häufig in gelöteter oder Mikrokanalausführung erhältlich. Die Rippen sind Metallstrukturen im Strömungskanal. Sie vergrößern die benetzte Oberfläche. Rippen erhöhen den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten erheblich (). Dadurch sinkt der konvektive Wärmewiderstand ().
Das Design muss die Dichte, Höhe und Form der Flossen optimieren. Eine höhere Flossendichte bedeutet mehr Oberfläche. Dadurch wird die Wärmeübertragung verbessert. Eine hohe Dichte schränkt jedoch auch den Flüssigkeitsfluss ein. Diese Einschränkung erhöht den Druckabfall (∆P) schnell.
Die Form der Flosse beeinflusst die Vermischung und Turbulenz der Flüssigkeit. Für unterschiedliche thermische Anforderungen werden unterschiedliche Formen verwendet.
Finnentyp | Primärer Nutzen (Reduktion)Rconv | Hauptnachteil ()ΔP | Typische Herstellungsmethode |
Gerader Kanal | Geringe Reibung, leicht zu reinigen | Begrenzte Oberfläche | CNC -Bearbeitung |
Gewellte (gewellte) Flosse | Induziert Turbulenzen, hohe h | Hochdruckstrafe | Vakuumlöckchen |
Pin-Fin-Array | Hervorragende seitliche Ausbreitung, maximale Durchmischung | Sehr hoher Druckabfall | Gießen oder 3D-Druck |
Ingenieure müssen auch die Effizienz der Flossen berücksichtigen . Sehr dünne oder sehr hohe Lamellen können einen geringen Wirkungsgrad haben. Die Wärme kann nicht schnell genug bis zur Flossenspitze geleitet werden. Die Flossenspitze bleibt viel heißer als die Basis. In diesem Fall hilft es nicht, mehr Flossenmaterial hinzuzufügen. Zur Optimierung der Rippengeometrie und -abstände ist eine CFD-Modellierung erforderlich.
Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis der Kanalhöhe (H) zur Kanalbreite (W). Dieses Verhältnis ist ein wichtiger Faktor bei der internen Gestaltung. Sie bestimmt die Dichte der Kühlfläche.
Ein höheres H/W-Verhältnis vergrößert die Kühlfläche. Dies geschieht, ohne den gesamten Kanal-Footprint zu verändern. Dieses Design verbessert die Kühlleistung. Dies ist eine clevere Möglichkeit, den benetzten Umfang zu maximieren.
Das Seitenverhältnis wird häufig durch die Herstellungstechnologie begrenzt.
● CNC-Bearbeitung: Tiefe, schmale Kanäle erfordern lange, dünne Werkzeuge. Dieser Vorgang ist zeitaufwändig. Dies kann zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß und einer verringerten Kanalgenauigkeit führen.
● Vakuumlöten: Dieses Verfahren ermöglicht wesentlich höhere Aspektverhältnisse. Es verwendet dünne, vorgeformte Flossen. Dies ist im Allgemeinen der beste Weg für extrem leistungsstarke Kühlplatten.
Ingenieure müssen das höchstmögliche H/W-Verhältnis wählen. Dieses Verhältnis muss herstellbar sein. Außerdem müssen Strömungsprobleme vermieden werden. Ein sehr tiefer Kanal kann den Ein- und Austritt des Flusses behindern. Dadurch erhöht sich ∆P. Das Design sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis von Leistungssteigerungen und Produktionsdurchführbarkeit.
Die Innenwandrauheit () ist die Textur der Kanalwände. Es ist ein Parameter, der oft übersehen wird. Es beeinflusst stark den Reibungsdruckabfall ().Ra∆Pfric
Rauheit erzeugt Reibung. Diese Reibung wirkt dem Flüssigkeitsstrom entgegen. Eine höhere Rauheit führt zu einem höheren Reibungsdruckverlust. Das Pumpsystem muss härter arbeiten, um die Flüssigkeit durchzudrücken.
Der Herstellungsprozess bestimmt die Rauheit.
● CNC-Bearbeitung: Die Qualität des endgültigen Schnitts bestimmt die Rauheit. Nach der Bearbeitung kann ein Polieren oder chemisches Ätzen erforderlich sein.
● FSW (Friction Stir Welding): Dieser Schweißprozess ist für Batterieplatten von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung. FSW erzeugt eine saubere Innenschweißnaht. Es hat eine glatte Oberfläche. Diese Oberfläche minimiert Reibungsdruckverluste im Vergleich zum herkömmlichen Schmelzschweißen.
● Löten: Der Lötprozess muss sehr sauber sein. In den Kanälen verbleibende Flussmittel oder Rückstände erhöhen die Rauheit. Es kann später auch zu Korrosionsproblemen kommen.
Rauheit kann Turbulenzen leicht fördern. Dies unterstützt die Wärmeübertragung. Allerdings ist der Anstieg von ∆P meist zu hoch. Es ist eine inakzeptable Strafe. Hochleistungskühlplatten erfordern extrem glatte Innenkanäle.
Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die Flüssigkeit selbst. Es betrachtet die Systemintegrationsfaktoren. Diese Elemente bestimmen die Wärmeverteilung, den Energieverbrauch des Systems und die langfristige Zuverlässigkeit.
Das Strömungsmuster ist der Weg, den das Kühlmittel nimmt. Dies ist der wichtigste Faktor für die Erzielung einer Temperaturgleichmäßigkeit () über die gesamte Kühlplattenoberfläche. Das Layout muss perfekt zur Heatmap passen. Es muss sichergestellt sein, dass alle Wärmequellen gleichermaßen kühle Flüssigkeit erhalten.
Strömungsmuster- und Wärmekartenanpassung
Ingenieure müssen das richtige Strömungsmuster auswählen. Diese Auswahl hängt von der Wärmeverteilung des Bauteils ab.
Layouttyp | Beschreibung | Thermische Gleichmäßigkeit ()ΔTmax | Hauptnachteil |
Serpentine (S-Flow) | Ein langer, kurvenreicher Weg. | Schlecht (Flüssigkeit erwärmt sich entlang des Pfades und erzeugt ein großes ∆T) | Hoher Druckabfall ()∆P |
Parallelfluss | Flüssigkeit teilt sich in viele identische kurze Wege auf. | Ausgezeichnet (Alle Kanäle erhalten Flüssigkeit bei )∆Zinn | Gefahr eines Strömungsungleichgewichts (Bypassing) |
Z-Flow | Verwendet einen Verteiler, um die Durchflussverteilung auszugleichen. | Gut (Ein notwendiger Kompromiss für viele Komponenten) | Mäßiger ∆P, anfällig für Durchflussblockaden |
Für diesen Schritt ist die CFD-Simulation unerlässlich. Es modelliert das Strömungsungleichgewicht in Parallelkreisläufen. Es sagt die Hotspots voraus, die durch den Temperaturgradienten in Serpentinenkreisläufen entstehen. Ziel ist es, Hotspots zu beseitigen. Diese Eliminierung muss erfolgen, ohne ∆P zu sehr zu erhöhen.
Die Durchflussrate ist das Kühlmittelvolumen, das durch die Kühlplatte fließt. Es ist die wirksamste Methode zur Verbesserung der thermischen Leistung. Eine höhere Durchflussrate bietet zwei Vorteile. Es reduziert den Temperaturanstieg der Flüssigkeit (). Es erhöht auch den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten (). Beide Aktionen senken den .∆TfluidhRth der Kühlplatte
Die Kubikleistungsstrafe
Ingenieure müssen die Pumpenleistung berücksichtigen. Die Pumpleistung steigt mit der Durchflussrate stark an.
Dies ist der Kubikleistungsnachteil . Eine Verdoppelung der Fördermenge erfordert eine achtfache Pumpleistung. Das ist sehr ineffizient. Das Design muss die Durchflussrate optimieren. Der Durchfluss muss die erforderliche thermische Leistung erreichen. Es muss außerdem innerhalb der akzeptablen ∆P-Grenze des Systems bleiben (z. B. 1,5 bar). Jede zusätzliche Durchflussmenge bedeutet Energie- und Kostenverschwendung.
Die Einlasstemperatur () ist die Temperatur der Flüssigkeit, die in die Kühlplatte eintritt. Dieser Parameter ist eine Systembeschränkung. Die Einstellung erfolgt durch das externe Kühlgerät (oder Chiller). Allerdings ist der dominierende Faktor. Es bestimmt die absolute Betriebstemperatur der Komponente
Die Temperatur des Bauteils hängt von ab. Es hängt auch von der Effizienz der Kühlplatte ab.Zinn
Ein niedrigerer Wert garantiert immer eine kühlere Komponente
Eine hocheffiziente Kühlplatte (niedrig) unterstützt das System. Dadurch bleibt die Komponente auch bei einem höheren RthTin- Wert kühl. Ein Betrieb bei höherer Temperatur ist effizienter. Dies verbessert das gesamte Rechenzentrum (Power Usage Effectiveness). Das Kühlplattendesign trägt dazu bei, den Energieverbrauch in der gesamten Anlage zu senken. Das Design muss optimiert werden, um die höchstmögliche .CDUPUE Zinn zu ermöglichen
Die Wahl der Kühlflüssigkeit hat großen Einfluss auf die Leistung. Drei Haupteigenschaften sind wichtig. Dies sind die spezifische Wärmekapazität (), die Dichte () und die Viskosität ().
Spezifische Wärme ():Cp High ermöglicht der Flüssigkeit, mehr Wärme zu absorbieren. Dadurch wird der Temperaturanstieg der Hauptflüssigkeit gering gehalten. Cp- Viskosität ():mu Niedrige Viskosität bedeutet, dass die Flüssigkeit leicht fließt. Dadurch wird der Reibungsdruckabfall verringert. Dichte ():ρ Beeinflusst den Gesamtmassendurchfluss bei einem gegebenen Volumendurchfluss.
Eigentum | Reines Wasser | Glykol-Wasser-Gemisch (50 % EG) | Technische Auswirkungen |
Wärmeleistung ()Vgl | Best ()4,18 kJ/kg K | Untere () 3,2 kJ/kg K} | Leistung wird dem Schutz geopfert. |
Viskosität ()mu | Niedrig | Höher (1,5-3x) | Höhere $mu$ erhöhen den Pumpleistungsbedarf. |
Systemanforderung | Erfordert Korrosionsinhibitoren | Bietet Frost-/Kochschutz | Erforderlich für Außen- (ESS) oder EV-Anwendungen. |
Reines Wasser ist die beste Thermoflüssigkeit. Es erfordert jedoch eine sorgfältige Überwachung auf Korrosion. Glykol-Wasser-Gemische werden in Elektrofahrzeugen und Industriesystemen verwendet. Sie bieten kritischen Frost- und Korrosionsschutz. Dieser Schutz geht zu Lasten der Leistung. Es erhöht auch ∆P.
Das ist das Material zwischen der Wärmequelle und der Kühlplatte. Es ist das kritischste Element. Das füllt Luftspalte. Luft ist ein schrecklicher Wärmeleiter. Die Schicht leistet oft den größten Einzelbeitrag zum gesamten Wärmewiderstand.TIMTIMTIMRth, insgesamt
Der Widerstand () ist proportional zu seiner Dicke.
Ziel ist es, die minimale Bond Line Thickness (BLT) zu erreichen. Dies erfordert einen hohen Druck bei der Montage. Noch wichtiger ist, dass von der Kühlplatte höchste Präzision verlangt wird.
Die Montagefläche der Kühlplatte muss extrem eben sein. Schlechte Ebenheit hinterlässt große Lücken. Diese Lücken erfordern eine dickere TIM-Schicht, um sie zu füllen. Die thermische Leistung lässt schnell nach. Winshare Thermal nutzt hochpräzise CNC-Bearbeitung und Spezialwerkzeuge. Wir erreichen Ebenheitstoleranzen von 0,05 mm oder besser. Dadurch können Kunden die dünnsten und effektivsten TIM-Materialien verwenden. Die richtige Ebenheit ist für Hochleistungssysteme nicht verhandelbar.
IV. Die CFD-gesteuerte Lösung für das Gleichgewicht
Das Design von Flüssigkeitskühlplatten ist eine schwierige Aufgabe. Es handelt sich um ein Optimierungsproblem mit mehreren Zielen. Ingenieure müssen gleichzeitig zehn kritische, voneinander abhängige Parameter ausbalancieren. Sie müssen die Wärmeübertragung maximieren und gleichzeitig Druckabfall, Gewicht und Kosten minimieren.
Vermutungen oder einfache Berechnungen reichen nicht aus. Der Entwurf erfordert eine sehr detaillierte Analyse. Winshare Thermal ist die professionelle Lösung. Unser Ingenieurteam verwendet fortschrittliche CFD-Tools (Computational Fluid Dynamics). Wir modellieren und iterieren schnell alle 10 Parameter. Dieser Prozess umfasst komplexe Funktionen wie die Analyse der Flussverteilung und die Optimierung der Topologie. Wir sorgen für ein optimales Kühlplattendesign.
Dieses optimale Design kombinieren wir mit bewährter Fertigung. Zu unseren Fähigkeiten gehören hochpräzise CNC-Endbearbeitung und zuverlässiges FSW (Friction Stir Welding). Wir verwenden auch fachmännische Vakuumlöttechniken. Dies garantiert, dass das Design in ein hochzuverlässiges, herstellbares Produkt umgesetzt wird. Arbeiten Sie mit Winshare Thermal zusammen, um theoretische Effizienz in maximale Systemleistung umzuwandeln. Wir können Ihre anspruchsvollsten thermischen Herausforderungen meistern.
