Diseño de placas de refrigeración líquida personalizadas

Aspectos a tener en cuenta para crear placas de refrigeración específicamente para su aplicación

Un requerimiento de rendimiento extremo ocurre cuando el rendimiento especificado no se puede aplicar de manera uniforme en toda la placa fría o la pérdida de presión y/o el costo de una placa fría que cumpla los requisitos sería demasiado alto. El mapa térmico, o la distribución de cargas térmicas, puede tener una o varias áreas con cargas térmicas altas. Si hay requisitos de pérdida de presión, de uniformidad de temperatura de la placa fría, de formas o interfaces especiales o limitaciones en el costo que eliminen el diseño de una placa fría estándar, entonces, una placa fría a la medida es la solución. Understanding cold plate technologies, thermal specifications, and the steps involved in the design process will help to optimize the custom cold plate design so it provides a great blend of value and performance.

Tecnologías de las placas frías

Por lo general, los requisitos de rendimiento determinan la elección de la tecnología y el diseño de la placa fría, y la tecnología de la placa fría determinará el costo de la placa. Es frecuente que el costo de la placa fría aumente con la mejora del rendimiento. Entre las tecnologías de placa fría se incluyen Press-Lock™ de tubo, Hi-Contact ™, perforada con pistola con o sin tubos expandidos, acanalada y soldada con aleta interna. Estas tecnologías aparecen en el orden en que suelen aumentar la eficiencia y el costo de las placas frías:

Curvas de rendimiento normalizadas

Las placas de refrigeración líquida Hi-Contact™ utilizan una geometría patentada de tubos comprimidos dentro de una placa para proporcionar una transferencia de calor eficiente. Esta tecnología optimiza el contacto que los tubos del área tienen con la superficie de refrigeración para proporcionar la mejor transferencia de calor al líquido. La construcción Hi-Contact™ minimiza el grosor de la línea de pegamento epóxico térmico, lo que permite que se desplace más calor desde la placa de aluminio hacia el tubo. Los tubos vienen de cobre, aluminio y acero inoxidable, que se pueden hacer a la medida para distintos trayectos y diámetros para fluidos, según la aplicación.

Placas frías acanaladas

Las placas frías acanaladas son extrusiones con varios canales, canales maquinados u otros métodos de formado de canales. Las extrusiones solo pueden proporcionar canales rectos, pero el maquinado y otros métodos nuevos de corte de metal pueden brindar una forma mucho más eficiente. Las placas frías acanaladas se pueden fabricar en cualquier longitud y ensamblar en una configuración escalonada o integrada a la placa base para una refrigeración de área grande (Figura 4). También se puede utilizar revestimiento de conversión o anodizado para mayor protección. Se han desarrollado diversos patrones para distintos rangos de impedancia, pérdida de presión y flujo (Figura 5).

Consideraciones térmicas clave a tener en cuenta durante el diseño de placas de refrigeración líquida

Especificaciones térmicas de la placa fría

Además de los cuatro tipos de tecnologías de placas frías, también hay cuatro situaciones de requisitos térmicos, que se enumeran a continuación:

• Flujo de calor uniforme, caudal fijo, una pérdida de presión máxima, una temperatura máxima de superficie: en la primera situación térmica, hay un flujo de calor de entrada uniforme, un caudal fijo, una pérdida de presión máxima especificada que se limita a un caudal fijo y una temperatura máxima de superficie especificada, donde no es necesario que la temperatura de superficie sea uniforme.
• Igual que la situación 1, pero con un flujo de calor no uniforme: la segunda situación térmica tiene las mismas especificaciones que la situación uno, pero las cargas térmicas varían en lugar de ser uniformes. Las cargas de calor se concentran en varios lugares debajo de los componentes o debajo de áreas específicas
• Igual que la situación 1, pero varía el valor máximo de la temperatura de superficie: la tercera situación térmica tiene las mismas especificaciones que la situación uno, pero la situación térmica tres tiene temperaturas de superficie máximas especificadas que varían a lo largo de la placa fría, por lo general en los componentes individuales.
• Igual que 1, 2 o 3, pero se requiere la uniformidad de la temperatura de superficie: en la cuarta situación térmica, es probable que las especificaciones térmicas sean las mismas que con las situaciones térmicas uno, dos o tres, pero con el requerimiento adicional de que la temperatura de superficie máxima debe ser uniforme a lo largo de toda la placa fría o debajo de componentes específicos. Por ejemplo, si hay dos tipos de componentes montados en la placa fría, cada tipo de componente puede requerir la uniformidad de la temperatura de los componentes en común, pero quizás los dos tipos tengan distintas temperaturas máximas de superficie.

Las situaciones 2 y 3 de las placas frías son las que se suelen encontrar con más frecuencia en los diseños de placas frías a la medida. Las situaciones 1 a 4 se enumeran en orden ascendente de complejidad y costo.

Cuando se diseñan placas frías a la medida con cualquier especificación, los pasos lógicos que implementan los expertos térmicos son definir el mapa térmico, generar el concepto del circuito de líquidos, calcular el aumento de temperatura y la pérdida de presión y trazar el desvío del circuito de líquidos, de ser necesario.

Definir el mapa térmico

Con varias situaciones térmicas posibles, el primer paso en el diseño de placas frías a la medida es definir en detalle el mapa térmico. Para crear un mapa térmico, un ingeniero necesita conocer las dimensiones, las ubicaciones y las cargas térmicas de los componentes a refrigerar. También se necesitan la temperatura máxima permitida de la superficie de la placa fría; la composición del refrigerante, su caudal y la temperatura de entrada; y la pérdida de presión disponible. Además, se debe calcular el flujo de calor de cada componente, que incluye la diseminación de calor, si es necesario.

Consideraciones térmicas clave a tener en cuenta durante el diseño de placas de refrigeración líquida

Generar el concepto del circuito de líquidos

El siguiente paso es generar la primera iteración en un concepto de circuito de líquidos. El circuito de líquidos debe proporcionar el rendimiento necesario para refrigerar el componente con el mayor flujo de calor y cada componente posterior en el circuito de líquidos. Además, se lo debe hacer con el caudal especificado y con una pérdida de presión aceptable. En algunas ocasiones, para satisfacer los requisitos de rendimiento y pérdida de presión, se pueden usar técnicas como pasadas de las series de líquidos en anchos desiguales, distintas densidades de las aletas en los componentes individuales y alturas y tipos de aletas diversos. La geometría y la altura de la aleta determinan la "eficiencia de la aleta" o cuán bien transfiere el calor al líquido.

Algunas veces, la forma de los componentes de alto flujo de calor (p. ej., una superficie redonda grande) requiere de un cambio en la distribución natural y uniforme del flujo sobre el ancho de la pasada para forzar la no uniformidad, que se puede lograr al usar distintas longitudes de aletas o diferentes densidades de aletas sobre el ancho de la pasada. Antes del siguiente componente, se deben diseñar algunos tanques de homogeneización (es decir, mezcladores). Otro desafío en la distribución de fluidos es la necesidad de espacios en la trayectoria del fluido para organizar el montaje de componentes. Cualquiera de las complicaciones mencionadas anteriormente puede aumentar el costo de la placa fría debido a la cantidad adicional de aletas, múltiples profundidades en una cavidad, varias configuraciones de plegado de aletas en los equipos y cortes de EDM que se necesitan.

Cómo calcular la temperatura y la pérdida de presión (etapa de diseño detallada)

Después de que se bosqueja el concepto del circuito de líquidos, se debe verificar el mapa térmico al calcular la temperatura máxima de superficie debajo de cada componente y calcular la pérdida total de presión. Se deben modelar todas las áreas térmicas importantes. Si no se satisface alguno de los requisitos, se deben volver a elaborar los circuitos de líquidos y volver a realizar los cálculos.

Trazar el desvío del circuito de líquidos

Si la placa fría requiere de una temperatura máxima de superficie variable (como en el caso de la situación térmica tres) y el circuito de líquidos normal no satisface las especificaciones, se debe trazar el desvío del circuito de líquidos para suministrar el líquido más frío primero a los componentes críticos o desviar parte del líquido directamente a esos componentes.

Uniformidad de la temperatura

Si los requisitos de la placa fría especifican las temperaturas máximas de superficie y la uniformidad de la temperatura, como en el caso de la situación térmica cuatro, el proceso de diseño es aún más complejo. La solución más simple para proporcionar uniformidad de las temperaturas máximas de superficie de componentes idénticos es ubicar los componentes en puntos similares de conductos de líquidos paralelos similares. El resultado debería ser un circuito que suministra líquido a una temperatura común con caudal suficiente para estos componentes. Otra técnica que se usa para proporcionar una temperatura de superficie más uniforme a lo largo de toda la placa fría es usar una disposición de contraflujo (Figura 2). En varios canales paralelos, en una superficie o en ambos lados de la placa, cada segundo canal tiene flujo en la dirección contraria. En el caso de una placa fría con carga de un lado o muy delgada, tal distribución puede reducir significativamente el gradiente de temperatura de superficie. Se puede obtener un efecto similar al distribuir dos capas separadas de líquido.

Cómo reducir la complejidad y los costos

Algunos requisitos térmicos o mecánicos pueden forzar una distribución ilógica del circuito de líquidos, lo que resulta en una placa fría de mayor complejidad y un costo más elevado. Por ejemplo, las aplicaciones suelen tener los orificios de montaje en ubicaciones predeterminadas que el líquido debe sortear o componentes y entradas y salidas de fluidos en ubicaciones fijas, lo que limita de manera significativa las opciones para trazar el circuito de líquidos. Por lo general, mientras más flexible sea el diseño, más fácil será diseñar la placa fría y más ahorros podrá aprovechar. Al trabajar estrechamente con un diseñador de placas de circuito impreso o un ingeniero eléctrico, el ingeniero térmico puede brindar su perspectiva sobre la separación y colocación de los componentes, para garantizar que se diseñen teniendo en cuenta los requisitos eléctricos y térmicos a la vez. Esto puede simplificar en gran medida el diseño de la placa fría y reducir el costo. Para obtener más información sobre los costos de las placas frías, consulte nuestra nota de aplicación "Factores que generan costos de fabricación de las placas de refrigeración".

Es importante comprender las distintas técnicas de diseño que permiten que una solución de placa fría a la medida satisfaga los requisitos térmicos y mecánicos más exigentes. Con las miles de modificaciones que hay para aplicar en el diseño de una placa fría a la medida, es fundamental contar con ingenieros especializados. Flexibility with the location of inlets and outlets, proper fluid circuit routing, and the use of fin or channels can help to create a thermal solution that provides great value for the application. A medida que las cargas térmicas se concentran más y más y el espacio designado para la refrigeración se hace más y más pequeño, será cada vez más frecuente el uso de placas frías a la medida para satisfacer las necesidades de refrigeración líquida únicas de las aplicaciones. Aavid, Thermal Division of Boyd Corporation tiene una vasta experiencia en el diseño y la fabricación de placas frías a la medida para tarjetas de circuito impreso y otros dispositivos electrónicos y garantiza que se satisfagan o superen los requisitos de rendimiento térmico alto y los límites de costos.

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