Die beiden größten Kostentreiber bei der Herstellung von Flüssigkeitskühlplatten sind die Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit und der jährliche Bedarf, die von Wärmetechnikern und Fertigungsingenieuren normalerweise kaum oder gar nicht kontrolliert werden. Sie können die Kosten jedoch senken, indem Sie verstehen, wie sich Rauheit, Ebenheit, Härte, Oberflächenmorphologie, Installationseigenschaften und Flüssigkeitsanschlussspezifikationen auf die Kosten von Flüssigkeitskühlplatten auswirken.
Die meisten Wasserkühlplatten bestehen aus Aluminium, aber einige neue Technologien verwenden Kupfer. Obwohl Kupfer eine bessere Wärmeleitfähigkeit hat, wird Aluminium häufiger verwendet, da es normalerweise billiger, leichter und einfacher zu verwenden ist.Die Verarbeitung von Kupfer ist sehr schwierig und teuer.
Die beiden derzeit gängigsten Technologien für Aluminium-Kühlplatten sind eingebettetes Tubu und Vakuumlöten.
Die eingebettete Rohrkühlplatte ist normalerweise ein Kupfer- oder Edelstahlrohr, das in eine Aluminiumprofilnut gepresst wird. Sie bieten hervorragende Kostenvorteile und hervorragende Kühllösungen für Geräte mit mittlerer und niedriger Leistungsdichte.
Bei der Vakuumlöt-Kaltplatte handelt es sich um eine Metallplatte, die durch die Verarbeitung von zwei Teilen mit inneren Kanälen und Rippenstrukturen hergestellt und dann zum Erhitzen sorgfältig in einer Vakuumkammer versiegelt wird. Das Füllmetall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt wird durch Kapillarwirkung unter entsprechenden Prozessbedingungen in die Verbindung der Kaltplatte geschmolzen, und die beiden Platten mit inneren Kanälen und Rippenstrukturen werden verbunden, um einen inneren Strömungskanal zu bilden.
Nach den oben genannten Faktoren sind die größten Kostenfaktoren für Aluminium-Kühlplatten die Verarbeitungszeit und zusätzliche Verarbeitungsschritte. Hersteller von Kühlplatten haben in der Regel Kosten im Zusammenhang mit der Verarbeitungszeit, einschließlich Abschreibungskosten für Maschinen, Stromversorgung, Verbrauchsmaterialien und Wartung. Je länger die Kühlplatte in der Fertigungsanlage verbleibt, desto höher sind daher die Kosten. Jeder zusätzliche Verarbeitungsschritt treibt die Kosten weiter in die Höhe.
(1) Fließpressteile und Druckgussteile
Um die Verarbeitungszeit zu minimieren und die Kosten zu senken, ist es am besten, so oft wie möglich Extrusion und Gießen zu verwenden. Beim Extrudieren wird Metall durch eine Form gepresst, um ein Objekt mit einem festen Querschnitt zu erzeugen. Die für das Extrudieren verwendete Form ist relativ kostengünstig und die Extrusionsgröße ist auf eine Breite von etwa 22,5 cm (9 Zoll) begrenzt. Die Wandstärke der Extrusion muss relativ gleichmäßig sein und alle Kanäle und Merkmale müssen gerade sein. Hersteller können Extrusion und Bearbeitung auch kombinieren, um Kosten zu senken.
Bestimmte Merkmale können extrudiert werden, und dann können komplexere Merkmale verarbeitet werden. Dies trägt dazu bei, die Extrusionskosten zu senken, vorausgesetzt, Sie berücksichtigen die Extrusionseigenschaften beim Entwurf des Blattes.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Gießen und maschinelle Bearbeitung zur Herstellung von Kühlplatten zu kombinieren. Wenn beispielsweise der Guss nicht glatt genug ist, ist ein zweiter Arbeitsgang erforderlich, um die erforderliche Ebenheitsspezifikation für die Kühlplatte zu erreichen.
Normalerweise ist die Mindestabnahmemenge beim Extrudieren oder Gießen sehr hoch, daher müssen Sie sie richtig anwenden, um den Einsatz dieser Verfahren zu rechtfertigen. Sowohl beim Extrudieren als auch beim Gießen können erhebliche Kosten eingespart werden.
(2) Oberflächenrauheit
Oberflächenrauheit (Glätte) kann die Kosten erheblich erhöhen, hat aber kaum Auswirkungen auf die Leistung. Entgegen der Ansicht mancher Leute hat Rauheit einen relativ geringen Einfluss auf die thermische Leistung von Kühlplatten.
In den meisten Anwendungen beträgt der Oberflächenkontakt zwischen der Flüssigkeitskühlplatte und dem Bauteil weniger als 10 % oder der Luftspalt übersteigt 90 %. Eine glattere Oberfläche verringert den Luftspaltprozentsatz nur geringfügig. Die Oberflächengüte einer typischen bearbeiteten Kühlplatte beträgt 32-64 μ Zoll (81-163 μ cm), was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. Die Verwendung eines Standardbearbeitungszentrums kann die Rauheit auf 16 μ Zoll (41 μ cm) reduzieren, erfordert jedoch eine robustere Vorrichtung, um mögliches Rattern zu reduzieren, und eine langsame Geschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfs. Eine Reduzierung der Geschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit bedeutet eine längere Bearbeitungszeit im Bearbeitungszentrum, was wiederum die Kosten erhöht.
Die meisten Anwendungen verwenden thermische Schnittstellenmaterialien (TIM) zwischen Komponenten oder Leiterplatten und Flüssigkeitskühlplatten, um Lücken zu minimieren. TIM sollte so dünn wie möglich sein, da sein relativ hoher Wärmewiderstand jede Verbesserung der Leitfähigkeit durch eine glattere Oberfläche weitgehend verdeckt. Eine Erhöhung der Klemmkraft von Komponenten oder Platten auf Kühlplatten kann ebenfalls dazu beitragen, eine höhere Rauheit auszugleichen, kann jedoch die Belastung der Platten oder Komponenten erhöhen. Wenn die Kühlplatte und die Komponenten oder Leiterplatten erhitzt werden, kann die Klemmspannung auch den Effekt einer Nichtübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten verstärken.
(3) Oberflächenglätte
Im Vergleich zur Oberflächenrauheit hat die Oberflächenglätte einen größeren Einfluss auf die Wärmeleistung von Kühlplatten, denn wenn die Kühlplatte nicht glatt ist, wird die Kontaktfläche stark reduziert. Die Standardspezifikation für die Ebenheit beträgt {{0}}.001 Zoll pro Zoll (0.003 Zentimeter pro Zentimeter). Daher wird der niedrigste Punkt der Kühlplatte innerhalb eines Bereichs von einem Zoll vom Messpunkt nicht 0,001 Zoll (0,003 Zentimeter) niedriger sein als der höchste Punkt. Wenn eine Ebenheit besser als 0,001 Zoll pro Zoll (0,003 Zentimeter pro Zentimeter) sein muss, besteht eine kostengünstige Methode darin, die lokale Ebenheit anstelle der engen Ebenheit der gesamten Platte anzugeben.
(4) Härte
Gegossene, extrudierte oder vakuumgelötete Kaltplatten sind nach der Verarbeitung sehr weich und haben normalerweise nur eine Härte von T{{0}}. Kaltplatten müssen gehärtet werden, da weiches Aluminium schwierig zu verarbeiten und zu handhaben ist. Um die Härte von T0 auf T4 zu erhöhen, muss die Kaltplatte einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Bei der Wärmebehandlung wird die Kaltplatte auf 1000 Grad F (538 Grad C) erhitzt, etwa 1 Stunde pro Zoll Kaltplattendicke auf dieser Temperatur gehalten und dann durch schnelles Abkühlen einem Thermoschock ausgesetzt. Eine Methode zum Abkühlen der Kaltplatte besteht darin, sie direkt aus dem Ofen zu nehmen und in ein Wasserbad zu legen. Um die Kaltplatte von T4 auf T6 zu bringen, muss die Kaltplatte künstlich gealtert werden. Dies wird erreicht, indem die Kaltplatte 8-16 Stunden lang auf 300 Grad F-400 Grad F (149 Grad C-204 Grad C) gelegt wird. T6 ergibt sehr harte Kaltplatten mit hoher Zugfestigkeit, was eine typische Anforderung für Militär- und Luftfahrtanwendungen ist. Für die meisten Anwendungen ist T4 jedoch schon schwierig genug und die Angabe von T6 würde nur unnötige Kosten verursachen.
(5) Montagemöglichkeiten/Löcher
Ein weiterer kostensteigernder Faktor bei der Herstellung von Kühlplatten ist die Zunahme der Löcher. Ein Loch kann die Kosten der Kühlplatte um bis zu 3 $ erhöhen. Einer der Hauptgründe für die erhöhten Bohrkosten ist die Unfähigkeit, Löcher in den Flüssigkeitspfad zu bohren. Daher ist es bei röhrenförmigen Kühlplatten notwendig, die Rohre zu biegen, um die Löcher unterzubringen, und jede Biegung erhöht die Kosten. Bei Vakuumlötkühlplatten muss eine Insel im Flüssigkeitspfad geschaffen werden, was auch bedeutet, dass an den inneren Rippen eine Funkenerosion (EDM) durchgeführt werden muss. Dies erhöht die Bearbeitungszeit erheblich und damit auch die Kosten.
Strenge Toleranzen bei Position und Abstand von Löchern können ebenfalls die Kosten in die Höhe treiben. Die angemessene Toleranzangabe beträgt ± {{0}},005 Zoll (± 0,013 Zentimeter). Wie bei der Ebenheit senkt die Angabe möglichst lokaler Toleranzen die Kosten. Bei großen Kühlplatten mit relativ weit voneinander entfernten Löchern wird es schwieriger, Toleranzen einzuhalten. Einer der Gründe ist, dass die Toleranz der Werkzeugmaschine mit der Verlängerung der Kopfbewegungsdistanz zunimmt. Ein weiterer Grund ist, dass in der Bearbeitungswerkstatt ein Temperaturgradient von bis zu 18 Grad F (10 Grad C) herrschen kann, der dazu führen kann, dass sich die Kühlplatte um bis zu 0,005 Zoll (± 0,013 Zentimeter) ausdehnt oder zusammenzieht. Durchgangslöcher lassen sich am einfachsten mit strengeren Toleranzen angeben, da ihre Erstellung durch einen einzigen Werkzeugvorgang erfolgt, während Gewindelöcher weniger wahrscheinlich Toleranzen aufweisen, da für ihre Herstellung zwei Werkzeuge erforderlich sind. Spiralöl ist am schwierigsten zu tolerieren, da der Prozess ein Gewindebohren erfordert und Spiralöl selbst Toleranzen aufweist. Alle Toleranzen summieren sich und machen die Herstellung schwieriger und teurer. Das Vermeiden kleiner Gewindebohrungen kann ebenfalls zur Kostensenkung beitragen. Löcher mit einer Größe von 4-40 oder kleiner werden schwierig zu schneiden, da der Gewindebohrer beim Bohren brechen kann. Um dieses Problem so weit wie möglich zu minimieren, muss die Laufgeschwindigkeit der Maschine viel langsamer sein. Eine Methode, um strenge Toleranzanforderungen für kalte Platinen zu erfüllen, besteht darin, die Größe der Montagelöcher an Komponenten oder Leiterplatten zu vergrößern.
(6) Flüssigkeitsanschluss
Bei Flüssigkeitsanschlüssen erzielen gerade O-Ring-Innengewindeanschlüsse normalerweise die beste Wirkung. Neben dem Schweißsystem bieten sie auch die beste Abdichtung bei geringsten Kosten. Rohrleitungsanschlüsse (wie NPT-Verbindungen) können für Komponenten wie Kühlplatten nicht die erforderliche Genauigkeit bieten. Bei Vakuumlötkühlplatten sollte die Verwendung von Außengewindeanschlüssen wie Widerhaken oder Perlenanschlüssen vermieden werden, da zum Verbinden der Anschlüsse andere Vorgänge (wie Schweißen) erforderlich sind. Darüber hinaus müssen Zubehörteile außerhalb der Kühlplatte während des Transports geschützt werden, was die Verpackungskosten erhöhen kann. Schnellkupplungen sollten nur bei Bedarf verwendet werden, da ihre Kosten pro Paar bis zu 75 USD betragen können. Kühlplatten oder elektronische Geräte, die häufig ausgetauscht werden müssen, müssen schnell getrennt werden. Für Kühlplatten, die bereits mit Kühlmittel gefüllt sind, werden sie ebenfalls benötigt. Bei Flüssigkeitsanschlüssen ist die Anschlusstoleranz ein weiterer zu berücksichtigender Faktor. Normalerweise weist die eingehende Rohrleitung ein gewisses Maß an Flexibilität auf. Eine angemessene Toleranz liegt zwischen ± 0,030 Zoll (0,076 Zentimeter) und ± 0,060 Zoll (0,152 Zentimeter).
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