Proces produkcji wytłaczanych płyt chłodzących w stanie ciekłym

Wytłaczane płyty chłodzące cieczą to zintegrowane elementy do zarządzania temperaturą, wytwarzane w procesie wytłaczania stopów aluminium. Te płyty chłodzące cieczą wykorzystują ciecz chłodzącą — taką jak woda, mieszaniny wody i glikolu lub płyny fluorowane — w celu zapewnienia wydajnej wymiany ciepła.

Główną cechą tej technologii chłodzenia cieczą metodą cold plate jest tworzenie zamkniętych lub wielokomorowych wewnętrznych kanałów przepływowych w jednym wytłaczanym profilu aluminiowym. Taka struktura zapewnia niski opór przepływu, wysoką tolerancję ciśnienia, kompaktową konstrukcję i kontrolowane koszty, dzięki czemu jest szeroko stosowana w elektronice o dużej gęstości mocy, zestawach akumulatorów, chłodzeniu cieczą serwerów i elektronice mocy.

Zrozumienie działania płyt chłodzących cieczą jest kluczowe: ciepło jest przewodzone od źródła ciepła do korpusu płyty chłodzącej, przekazywane do wewnętrznych kanałów przepływu cieczy, a następnie odprowadzane przez wymuszoną konwekcję. W porównaniu z płytami chłodzącymi rurowymi lub lutowanymi płytami chłodzącymi cieczą, wytłaczane konstrukcje oferują większą integralność strukturalną i mniejsze ryzyko wycieku.

podstawowe parametry techniczne

• one-piece extruded flow channels
  seamless internal channels formed during wyrzucenie eliminate weld seams and reduce leakage risk compared to brazed or tubed structures.

• high thermal conductivity materials
  typically manufactured from 6061 or 6063 aluminum alloys with thermal conductivity ≥ 180 w/m·k. while copper cold plates offer higher conductivity, aluminum provides a superior balance of weight, cost, and corrosion resistance.

• customizable projekt kanału przepływowegos
  supports parallel channels, serpentine channels, and multi-cavity configurations, enabling flexible liquid cold plate design.

• high pressure capability
  typical operating pressure: 0.5–1.5 mpa
  ciśnienie rozrywające: ≥ 3,0 mpa

• lightweight structure
  20–40% lighter than cnc-machined or plate liquid cooling solutions.

• excellent powierzchnia treatment compatibility
  suitable for anodizing, electroless nickel plating, and functional coatings.

typowe scenariusze zastosowań

• systemy płyt chłodzących wodą akumulatory pojazdów elektrycznych

• płytki chłodzące procesory/karty graficzne do elektroniki serwerowej

• systemy chłodzenia laserów dużej mocy

• chłodzenie płytowe modułu IGBT i modułu mocy

• zarządzanie ciepłem w systemie magazynowania energii

proces produkcji wytłaczanych płyt na zimno w stanie ciekłym

1. etap przygotowania surowca

wybór wlewków aluminiowych → analiza składu chemicznego (spektrometr) → badanie właściwości mechanicznych (twardość, wytrzymałość na rozciąganie) → wstępna obróbka (cięcie, obróbka powierzchni czołowych) → magazynowanie materiałów

• gatunki stopów: 6061-t5 / t6, 6063-t5

• średnica półfabrykatu: φ100–φ300 mm

• dokładność wstępnego przetwarzania:

• tolerancja długości: ±1 mm

• prostopadłość powierzchni czołowej: ≤ 0,1 mm

2. etap projektowania i produkcji matrycy

projektowanie kanałów przepływowych (optymalizacja symulacji cieplnej CFD) → projektowanie matrycy do wytłaczania (otwory, komora spawalnicza, powierzchnie styku łożysk) → dobór stali do matrycy (stal narzędziowa do pracy na gorąco H13) → obróbka zgrubna CNC → obróbka cieplna (hartowanie + potrójne odpuszczanie) → obróbka precyzyjna (EDM, cięcie drutem) → polerowanie (powierzchnia styku łożysk ra ≤ 0,4 μm) → walidacja próbnego wytłaczania

etap ten bezpośrednio determinuje geometrię wewnętrzną i wydajność wytłaczanych płyt chłodzonych cieczą, co odróżnia je od lutowanych struktur płyt chłodzonych cieczą, które opierają się na łączeniu po montażu.

3. etap formowania ekstruzyjnego

podgrzewanie wstępne wlewków aluminiowych (480–520°C) → podgrzewanie wstępne matrycy (450–480°C) → konfiguracja parametrów wytłaczania → wytłaczanie profili (prędkość 1–5 m/min) → hartowanie online (chłodzenie powietrzem lub mgłą) → rozciąganie i prostowanie → cięcie na stałą długość → obróbka starzeniowa (warunek t5 / t6)

Proces wytłaczania umożliwia uzyskanie spójnych kanałów przepływu wewnętrznego, które wspomagają stabilną wydajność chłodzenia cieczą płyty.

4. Etap obróbki precyzyjnej CNC

obróbka powierzchni bazowej (ustalenie układu współrzędnych) → obróbka powierzchni czołowej (otwieranie kanału przepływowego) → obróbka powierzchni styku (otwory wlotowe/wylotowe, otwory montażowe) → obróbka powierzchni uszczelniającej (płaskość ≤ 0,05 mm) → gratowanie → kontrola czystości

wymagania dotyczące obróbki

• rowki uszczelniające na powierzchni czołowej:

• tolerancja szerokości ±0,02 mm

• tolerancja głębokości ±0,01 mm

• otwory gwintowane:

• dokładność 7h

• prostopadłość ≤ 0,05 mm

• płaskość powierzchni montażowej: ≤ 0,1 mm / 100 mm

• czystość:

• cząstki ≤ 100 szt./m²

• pozostałość oleju ≤ 10 mg/m²

5. obróbka i przygotowanie zaślepek do spawania

wybór materiału na zaślepkę (ten sam lub kompatybilny stop) → obróbka CNC → obróbka powierzchni uszczelniającej (ra ≤ 1,6 μm) → obróbka rowka spawalniczego → czyszczenie (czyszczenie ultradźwiękowe) → pozycjonowanie zespołu (dedykowane przyrządy)

parametry konstrukcyjne zaślepki

• grubość: 3–10 mm (w zależności od wymagań ciśnieniowych)

• metody uszczelniania:

• uszczelnienie rowka pierścienia uszczelniającego

• uszczelnienie płaskie

• pełne uszczelnienie spawalnicze

• opcje spawania:

• spawanie tarciowe z mieszaniem (fsw)

• spawanie laserowe

• spawanie metodą TIG

6. etap spawania i uszczelniania

wybór procesu spawania → montaż osprzętu → konfiguracja parametrów spawania → automatyczne wykonywanie spawania → obróbka cieplna po spawaniu (odprężanie) → kontrola wyglądu spoiny

porównanie procesów spawania

• spawanie tarciowe z mieszaniem (fsw):
  no filler material, high joint strength, ideal for long straight seams

• spawanie laserowe:
  small heat-affected zone, high precision, suitable for complex seams

• spawanie metodą TIG:
  cost-effective, flexible, suitable for small-batch custom liquid cold plate production

7. próby ciśnieniowe i szczelności

• badanie szczelności helem

• badanie ciśnienia hydrostatycznego (1,5× ciśnienia roboczego)

• badanie ciśnienia rozrywającego (≥ 3× ciśnienia roboczego)

• badanie cykli ciśnieniowych (100 000 cykli)

normy testowe

• szybkość wycieku: ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s (hel)

• utrzymywanie ciśnienia: 1,5 mpa × 5 min, spadek ciśnienia ≤ 0,01 mpa

• ciśnienie rozrywające: ≥ 3,0 mpa

• cykle ciśnieniowe: 0,2–1,0 mpa, 100 000 cykli bez wycieku

8. etap obróbki powierzchni (opcjonalnie)

obróbka wstępna (odtłuszczanie, trawienie) → anodowanie (naturalne / czarne) → uszczelnianie → powłoki funkcjonalne → wypalanie i utwardzanie

opcje obróbki powierzchni

• anodowanie:

• grubość 10–15 μm

• wytrzymałość dielektryczna ≥ 500 V

• niklowanie bezprądowe:

• grubość 10–20 μm

• zwiększona odporność na korozję

• ptfe coating:
  improved chemical resistance

• insulating coatings:
  for electrical isolation requirements

9. proces czyszczenia i suszenia

płukanie wodą pod wysokim ciśnieniem → czyszczenie ultradźwiękowe (neutralny detergent) → płukanie przeciwprądowe w trzech etapach → suszenie gorącym powietrzem (80–100°C) → suszenie próżniowe (zastosowania o wysokiej niezawodności) → napełnianie azotem w celu zapobiegania utlenianiu

standardy czystości

• wielkość cząstek: ≤ 50 μm

• pozostałość nielotna: ≤ 10 mg/m²

• zawartość jonów chlorkowych: ≤ 1 ppm

• przewodnictwo: ≤ 5 μs/cm

10. montaż akcesoriów

montaż uszczelnień (silikon / fkm / epdm) → montaż szybkozłączek → montaż czujnika temperatury (opcjonalnie) → montaż czujnika ciśnienia (opcjonalnie) → etykietowanie (informacje o produkcie i kierunek przepływu)

wymagania dotyczące akcesoriów

• materiały uszczelniające: EPDM, FKM, silikon (−40°C do 150°C)

• standardy złączy: DIN, SAE, JIS, BSPP

• dokładność czujnika:

• temperatura ±0,5°C

• ciśnienie ±1% fs

11. testowanie wydajności gotowego produktu

badanie oporu cieplnego (standardowa metoda źródła ciepła) → badanie oporu przepływu (krzywa przepływu w funkcji spadku ciśnienia) → badanie jednorodności przepływu (projekty wielokanałowe) → badanie trwałości (cykle termiczne i ciśnieniowe) → ostateczna ponowna kontrola szczelności helem (kontrola 100%)

wskaźniki wydajności

• opór cieplny: 0,01–0,05 °C/W (zależny od projektu i przepływu)

• opór przepływu: ≤ 50 kPa @ 10 l/min (typowo)

• odchylenie jednorodności przepływu: ≤ 10%

• zakres temperatur pracy: −40°C do 120°C

12. kontrola końcowa i pakowanie

kontrola wizualna → pobieranie próbek wymiarowych (cmm) → przygotowywanie dokumentacji → pakowanie antykorozyjne (vci) → pakowanie odporne na wstrząsy → etykietowanie zewnętrznych kartonów

specyfikacje opakowań

• ochrona jednoczęściowa: worek PE + papier VCI

• orientacja pakowania: ułożenie pionowe

• zawartość etykiety: identyfikator produktu, data produkcji, kierunek przepływu, oznakowanie kruche

• warunki przechowywania: od −10°C do 40°C, ≤ 70% wilgotności względnej

13. dokumentacja i identyfikowalność

certyfikat zgodności → certyfikaty materiałowe → raporty z badań wydajności → zapisy procesów → etykiety identyfikacyjne (kod QR/kod kreskowy) → instrukcja instalacji i obsługi

punkty kontrolne krytyczne dla jakości (CTQ)

zdolność procesowa i zdolność produkcyjna

• szerokość wytłaczania: 30–300 mm

• wysokość: 10–100 mm

• długość: 500–6000 mm

• minimalna grubość ścianki:

• ścianka kanału: 1,0 mm

• ścianka zewnętrzna: 1,5 mm

• chropowatość powierzchni:

• powierzchnia wytłaczana: ra ≤ 3,2 μm

• powierzchnia obrobiona: ra ≤ 1,6 μm

wytyczne projektowe i najlepsze praktyki

projekt kanału przepływowego

• średnica hydrauliczna: 4–8 mm

• współczynnik proporcji: ≤ 10:1

• promień gięcia: ≥ 1,5× szerokości kanału

• konstrukcja wlotu/wylotu dzwonowatego

• opcjonalne wewnętrzne żebra zapewniające lepszy transfer ciepła

projekt konstrukcyjny

• jednolita grubość ścianki

• żebra wzmacniające w newralgicznych miejscach

• układ montażowy bez naprężeń

• dodatek na rozszerzalność cieplną

strategia wyboru materiałów

• zastosowania ogólne: 6063-t5

• aplikacje o wysokiej wydajności: 6061-t6

• trudne warunki: dodatkowe powłoki

optymalizacja kosztów

• znormalizowane przekroje poprzeczne

• lepsze wykorzystanie materiałów

• zmniejszona obróbka wtórna

• korzyści skali w produkcji masowej

Dzięki jednoczęściowej wytłaczanej strukturze, niskiemu ryzyku wycieków, wysokiej niezawodności i doskonałej opłacalności wytłaczane płyty chłodzące cieczą odgrywają niezastąpioną rolę w zastosowaniach chłodzenia cieczą o dużej gęstości mocy. W miarę rozwoju branż takich jak pojazdy elektryczne, centra danych, komunikacja 5G i energia odnawialna, niestandardowe płyty chłodzące i niestandardowe rozwiązania płyt chłodzących cieczą będą ewoluować w kierunku wyższej wydajności, mniejszej wagi i inteligentniejszego zarządzania temperaturą — zapewniając solidne i skalowalne rozwiązania dla systemów chłodzenia cieczą nowej generacji.