Os dois maiores geradores de custos na fabricação de placas de resfriamento líquido são os requisitos de condutividade térmica e a demanda anual, que geralmente são pouco ou nenhum controle por parte dos engenheiros térmicos e de fabricação. No entanto, você pode reduzir custos entendendo como a rugosidade, planicidade, dureza, morfologia da superfície, características de instalação e especificações de conexão de líquidos afetam o custo das placas frias líquidas.
A maioria das placas frias de água é feita de alumínio, mas algumas novas tecnologias usam cobre. Embora o cobre tenha melhor condutividade térmica, o alumínio é usado com mais frequência porque geralmente é mais barato, mais leve e mais fácil de usar.O processamento do cobre é muito difícil e caro.
As duas tecnologias de placa fria de alumínio mais populares atualmente são tubu embutido e brasagem a vácuo.
A placa fria de tubo embutido é geralmente um tubo de cobre ou aço inoxidável pressionado em uma ranhura de perfil de alumínio. Eles têm excelentes vantagens de custo e fornecem excelentes soluções de resfriamento para dispositivos de média e baixa densidade de potência.
A placa fria de brasagem a vácuo refere-se a uma placa de metal feita pelo processamento de duas peças com canais internos e estruturas de aletas e, em seguida, selando-as cuidadosamente em uma câmara de vácuo para aquecimento. O metal de adição com ponto de fusão mais baixo é derretido na junta da placa fria por meio de ação capilar sob condições de processo correspondentes, e as duas placas com canais internos e estruturas de aletas são conectadas para formar um canal de fluxo interno.
Após os fatores acima, os maiores fatores de custo para placas frias de alumínio são o tempo de processamento e as etapas adicionais de processamento. Os fabricantes de placas frias normalmente têm custos relacionados ao tempo de processamento, incluindo custos de depreciação de máquinas, fontes de alimentação, consumíveis e manutenção. Portanto, quanto mais tempo a placa fria ficar no equipamento de fabricação, maior será o custo. Cada etapa adicional de processamento continuará a aumentar os custos.
(1) Peças extrudadas e peças fundidas
Para minimizar o tempo de processamento e reduzir custos, é melhor usar extrusão e fundição tanto quanto possível. A extrusão é gerada empurrando o metal através de um molde para criar um objeto com seção transversal fixa. O molde usado para a nova extrusão é relativamente barato e o tamanho da extrusão é limitado a cerca de 9 polegadas (22,{3}} centímetros) de largura. A espessura da parede de extrusão precisa ser relativamente consistente e qualquer canal ou recurso precisa ser reto. Os fabricantes também podem combinar extrusão e usinagem para reduzir custos.
Certos recursos podem ser extrusados e, em seguida, recursos mais complexos podem ser processados. Isto ajudará a reduzir os custos de extrusão, desde que você considere as características de extrusão ao projetar a chapa.
Outra opção é combinar fundição e usinagem para fabricar chapas frias. Por exemplo, se a fundição não for suficientemente lisa, será necessária uma segunda operação para atingir a especificação de planicidade exigida para a placa fria.
Normalmente a quantidade mínima de compra para extrusão ou fundição é muito alta, por isso é preciso aplicá-las corretamente para justificar a utilização desses processos. Tanto a extrusão quanto a fundição podem economizar custos significativos.
(2) Rugosidade superficial
A rugosidade da superfície (suavidade) pode aumentar significativamente os custos, mas tem pouco impacto no desempenho. Ao contrário da opinião de algumas pessoas, a rugosidade tem um impacto relativamente pequeno no desempenho térmico das placas frias.
Na maioria das aplicações, o contato superficial entre a placa fria líquida e o componente é inferior a 10% ou o entreferro excede 90%. Uma superfície mais lisa reduzirá apenas ligeiramente a porcentagem de entreferro. O acabamento superficial de uma placa fria usinada típica é de 32-64 μ pol. (81-163 μ cm), o que é suficiente para a maioria das aplicações. Usar um centro de usinagem padrão pode reduzir a rugosidade para 16 μ pol. (41 μ cm), mas isso requer um acessório mais robusto para reduzir qualquer trepidação potencial e diminuir a velocidade e a taxa de avanço do cabeçote de usinagem. o tempo do centro é mais longo, aumentando assim os custos.
A maioria das aplicações utiliza materiais de interface térmica (TIM) entre componentes ou placas de circuito e placa de refrigeração líquida para ajudar a minimizar lacunas. O TIM deve ser o mais fino possível, pois a sua resistência térmica relativamente elevada mascara grandemente qualquer melhoria de condutividade com uma superfície mais lisa. Aumentar a força de fixação de componentes ou placas em placas frias também pode ajudar a compensar maior rugosidade, mas pode aumentar a tensão nas placas ou componentes. Quando a placa fria e os componentes ou a placa de circuito são aquecidos, a tensão de fixação também pode aumentar o efeito da incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica.
(3) Suavidade superficial
Em comparação com a rugosidade da superfície, a suavidade da superfície tem um impacto maior no desempenho térmico das placas frias, pois se a placa fria não for lisa, a área de contato será bastante reduzida. A especificação de planicidade padrão é {{0}}.001 polegada por polegada (0.003 centímetros por centímetro). Portanto, dentro do intervalo de uma polegada do ponto de medição, o ponto mais baixo da placa fria não estará 0,001 polegada (0,003 centímetros) abaixo do ponto mais alto. Se for necessário que o nivelamento seja melhor que 0,001 polegadas por polegada (0,003 centímetros por centímetro), um método econômico é especificar o nivelamento local em vez do nivelamento rígido de toda a placa.
(4) Dureza
Placas frias fundidas, extrudadas ou soldadas a vácuo são muito macias após o processamento, geralmente com apenas dureza T{{0}}. As placas frias devem ser endurecidas porque o alumínio macio é difícil de processar e manusear. Para aumentar a dureza de T0 para T4 é necessário realizar tratamento térmico na placa fria. O processo de tratamento térmico envolve aquecer a placa fria a 1000 graus F (538 graus C), permitindo que ela permaneça nessa temperatura por aproximadamente 1 hora por polegada de espessura da placa fria e, em seguida, submetê-la a choque térmico, resfriando-a rapidamente. Um método de resfriar a placa fria é retirá-la diretamente do forno e colocá-la em banho-maria. Para levar a placa fria de T4 para T6, o envelhecimento artificial deve ser realizado na placa fria. Isso é conseguido colocando a placa fria a 300 graus F-400 graus F (149 graus C-204 graus C) por 8-16 horas. O T6 fornece placas frias muito duras com alta resistência à tração, o que é um requisito típico para aplicações militares e aeroespaciais. No entanto, para a maioria das aplicações, T4 já é bastante difícil e especificar T6 apenas aumentará custos desnecessários.
(5) Recursos/orifícios de instalação
Outro fator de aumento de custo na fabricação de chapas frias é o aumento de furos. Um furo pode aumentar o custo da placa fria em até US$ 3. Uma das principais razões para o aumento do custo da perfuração é a incapacidade de fazer furos no caminho do fluido. Portanto, para placas frias tubulares, é necessário dobrar os tubos para acomodar os furos, e cada dobra aumentará o custo. Para brasagem a vácuo de placas frias, deve-se criar uma ilha no caminho do fluido, o que também significa realizar usinagem por descarga elétrica (EDM) nas aletas internas. Isto aumentará significativamente o tempo de processamento, aumentando assim os custos.
Tolerâncias rigorosas na posição e espaçamento dos furos também podem aumentar os custos. A especificação de tolerância razoável é ± {{0}}.005 polegadas (± 0,013 centímetros). Assim como o nivelamento, especificar as tolerâncias locais tanto quanto possível reduzirá os custos. Para grandes placas frias com furos relativamente distantes uns dos outros, as tolerâncias tornam-se mais difíceis de manter. Uma das razões é que a tolerância da máquina-ferramenta aumenta com o aumento da distância de movimento do cabeçote. Outra razão é que pode haver um gradiente térmico de até 18 graus F (10 graus C) na oficina de usinagem, o que pode fazer com que a placa fria se expanda ou contraia até 0,005 polegadas (± 0,013 centímetros). Os furos passantes são os mais fáceis de especificar tolerâncias mais rígidas porque sua criação é feita por meio de uma única operação de ferramenta, enquanto os furos roscados têm menos probabilidade de ter tolerâncias porque sua fabricação envolve duas ferramentas. O óleo espiral é o mais difícil de tolerar porque o processo requer um furo roscado, e o próprio óleo espiral tem tolerâncias. Todas as tolerâncias se somam para tornar a fabricação mais difícil e cara. Evitar pequenos furos também pode ajudar a reduzir custos. Tamanhos de furo de 4-40 ou menores tornam-se difíceis de rosquear, pois o macho pode quebrar durante a perfuração. Para minimizar este problema tanto quanto possível, a velocidade de funcionamento da máquina deve ser muito mais lenta. Um método para atender aos requisitos rígidos de tolerância para placas frias é aumentar o tamanho dos orifícios de montagem em componentes ou placas de circuito.
(6) Conexão líquida
Para conexões líquidas, as portas fêmeas do O-ring com rosca reta geralmente têm o melhor efeito. Além do sistema de soldagem, também proporciona a melhor vedação com o menor custo. As conexões de tubulação (como juntas NPT) não podem fornecer a precisão necessária para componentes como placas frias. Na brasagem a vácuo de placas frias, o uso de conexões roscadas externas, como farpas ou conexões de cordão, deve ser evitado, pois requer outras operações (como soldagem) para conectar as conexões. Além disso, os acessórios além da placa fria precisam ser protegidos durante o transporte, o que pode aumentar os custos de embalagem. As desconexões rápidas só devem ser utilizadas quando necessário, pois seu custo por par pode chegar até US$ 750. Placas frias ou dispositivos eletrônicos que necessitam de substituição frequente precisam ser desconectados rapidamente. Para placas frias já preenchidas com refrigerante, elas também são necessárias. Para conexões líquidas, outro fator a considerar é a tolerância da porta. Normalmente, o pipeline de entrada tem um certo grau de flexibilidade. Uma tolerância razoável está entre ± 0.030 polegadas (0,076 centímetros) e ± 0,060 polegadas (0,152 centímetros).
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