I due maggiori fattori di costo nella produzione di piastre di raffreddamento a liquido sono i requisiti di conduttività termica e la domanda annuale, che di solito sono poco o nessun controllo da parte degli ingegneri termici e degli ingegneri di produzione. Tuttavia, è possibile ridurre i costi comprendendo in che modo rugosità, planarità, durezza, morfologia superficiale, caratteristiche di installazione e specifiche di connessione del liquido influiscono sul costo delle piastre fredde a liquido.
La maggior parte delle piastre fredde ad acqua sono realizzate in alluminio, ma alcune nuove tecnologie utilizzano il rame. Sebbene il rame abbia una migliore conduttività termica, l’alluminio viene utilizzato più frequentemente perché solitamente è più economico, leggero e facile da usare.La lavorazione del rame è molto difficile e costosa.
Le due tecnologie di piastre fredde dell'alluminio più popolari attualmente sono il tubu incorporato e la brasatura sotto vuoto.
La piastra fredda per tubi incassati è solitamente un tubo di rame o acciaio inossidabile pressato in una scanalatura del profilo di alluminio. Presentano eccellenti vantaggi in termini di costi e forniscono eccellenti soluzioni di raffreddamento per dispositivi a media e bassa densità di potenza.
La piastra fredda per brasatura sotto vuoto si riferisce a una piastra metallica realizzata lavorando due pezzi con canali interni e strutture ad alette, quindi sigillandoli accuratamente in una camera a vuoto per il riscaldamento. Il metallo d'apporto con un punto di fusione inferiore viene fuso attraverso l'azione capillare nelle condizioni di processo corrispondenti nel giunto della piastra fredda e le due piastre con canali interni e strutture ad alette sono collegate per formare un canale di flusso interno.
Dopo i fattori di cui sopra, i fattori che determinano maggiormente i costi per le piastre fredde in alluminio sono il tempo di lavorazione e le fasi di lavorazione aggiuntive. I produttori di piastre fredde in genere sostengono costi legati ai tempi di lavorazione, compresi i costi di ammortamento di macchine, alimentatori, materiali di consumo e manutenzione. Pertanto, quanto più a lungo la piastra fredda rimane nell'attrezzatura di produzione, tanto maggiore sarà il costo. Ogni fase di lavorazione aggiuntiva continuerà a far lievitare i costi.
(1) Parti estruse e pressofusioni
Per ridurre al minimo i tempi di lavorazione e ridurre i costi, è meglio utilizzare il più possibile l'estrusione e la fusione. L'estrusione viene generata spingendo il metallo attraverso uno stampo per creare un oggetto con una sezione trasversale fissa. Lo stampo utilizzato per la nuova estrusione è relativamente economico e la dimensione dell'estrusione è limitata a circa 9 pollici (22,86 centimetri) di larghezza. Lo spessore della parete di estrusione deve essere relativamente coerente e qualsiasi canale o elemento deve essere diritto. I produttori possono anche combinare estrusione e lavorazione per ridurre i costi.
Alcune funzionalità possono essere estruse e quindi è possibile elaborare funzionalità più complesse. Ciò contribuirà a ridurre i costi di estrusione, a condizione che si tengano in considerazione le caratteristiche di estrusione durante la progettazione della lastra.
Un'altra opzione è quella di combinare fusione e lavorazione meccanica per produrre piastre fredde. Ad esempio, se la fusione non è sufficientemente liscia, è necessaria una seconda operazione per ottenere la specifica di planarità richiesta per la piastra fredda.
Solitamente i quantitativi minimi di acquisto per l'estrusione o la colata sono molto elevati, quindi è necessario applicarli correttamente per giustificare l'utilizzo di questi processi. Sia l'estrusione che la fusione possono far risparmiare notevoli quantità di costi.
(2) Rugosità superficiale
La ruvidità superficiale (levigatezza) può aumentare i costi in modo significativo, ma ha un impatto minimo sulle prestazioni. Contrariamente a quanto pensano alcuni, la rugosità ha un impatto relativamente piccolo sulle prestazioni termiche delle piastre fredde.
Nella maggior parte delle applicazioni, il contatto superficiale tra la piastra fredda liquida e il componente è inferiore al 10% o il traferro supera il 90%. Una superficie più liscia ridurrà solo leggermente la percentuale di traferro. La finitura superficiale di una tipica piastra fredda lavorata è di 32-64 μ pollici (81-163 μ cm), sufficiente per la maggior parte delle applicazioni. L'utilizzo di un centro di lavoro standard può ridurre la rugosità a 16 μ pollici (41 μ cm), ma ciò richiede un dispositivo più robusto per ridurre eventuali vibrazioni e rallentare la velocità della testa di lavorazione e la velocità di avanzamento. Ridurre la velocità e la velocità di avanzamento significa che la lavorazione il tempo del centro è più lungo, aumentando così i costi.
La maggior parte delle applicazioni utilizza materiali di interfaccia termica (TIM) tra i componenti o i circuiti stampati e la piastra di raffreddamento a liquido per ridurre al minimo gli spazi vuoti. TIM dovrebbe essere il più sottile possibile, poiché la sua resistenza termica relativamente elevata maschera notevolmente qualsiasi miglioramento della conduttività con una superficie più liscia. Anche l'aumento della forza di serraggio di componenti o piastre su piastre fredde può aiutare a compensare una maggiore rugosità, ma può aumentare lo stress sulle piastre o sui componenti. Quando la piastra fredda, i componenti o il circuito stampato vengono riscaldati, lo stress di serraggio può anche aumentare l'effetto della mancata corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica.
(3) Levigatezza della superficie
Rispetto alla rugosità superficiale, la levigatezza della superficie ha un impatto maggiore sulle prestazioni termiche delle piastre fredde, poiché se la piastra fredda non è liscia, l'area di contatto sarà notevolmente ridotta. La specifica di planarità standard è {{0}}.001 pollice per pollice (0.003 centimetri per centimetro). Pertanto, entro un intervallo di un pollice dal punto di misurazione, il punto più basso della piastra fredda non sarà 0,001 pollici (0,003 centimetri) più basso del punto più alto. Se è necessario che la planarità sia migliore di 0,001 pollici per pollice (0,003 centimetri per centimetro), un metodo economicamente vantaggioso consiste nel specificare la planarità locale anziché la planarità stretta dell'intero pannello.
(4) Durezza
Le piastre fredde colate, estruse o brasate sotto vuoto sono molto morbide dopo la lavorazione, solitamente con solo una durezza T{{0}}. Le piastre fredde devono essere indurite perché l'alluminio morbido è difficile da lavorare e maneggiare. Per aumentare la durezza da T0 a T4 è necessario effettuare un trattamento termico sulla piastra fredda. Il processo di trattamento termico prevede il riscaldamento della piastra fredda a 538 gradi C (1000 gradi F), consentendole di rimanere a quella temperatura per circa 1 ora per pollice di spessore della piastra fredda, quindi sottoponendola a shock termico raffreddandola rapidamente. Un metodo per raffreddare la piastra fredda consiste nel farla uscire direttamente dal forno e metterla a bagnomaria. Per portare il piatto freddo da T4 a T6 è necessario eseguire l'invecchiamento artificiale sul piatto freddo. Ciò si ottiene posizionando la piastra fredda a 300 gradi F-400 gradi F (149 gradi C-204 gradi C) per 8-16 ore. T6 fornisce piastre fredde molto dure con elevata resistenza alla trazione, che è un requisito tipico per le applicazioni militari e aerospaziali. Tuttavia, per la maggior parte delle applicazioni, T4 è già abbastanza difficile e specificare T6 non farà altro che aumentare i costi inutili.
(5) Caratteristiche/fori di installazione
Un altro fattore di aumento dei costi nella produzione di piastre fredde è l'aumento dei fori. Un buco può aumentare il costo della piastra fredda fino a 3 dollari. Uno dei motivi principali dell'aumento dei costi di perforazione è l'impossibilità di praticare fori nel percorso del fluido. Pertanto, per le piastre fredde tubolari, è necessario piegare i tubi per accogliere i fori e ogni curvatura aumenterà il costo. Per la brasatura sotto vuoto delle piastre fredde, è necessario creare un'isola nel percorso del fluido, il che significa anche eseguire l'elettroerosione (EDM) sulle alette interne. Ciò aumenterà significativamente i tempi di elaborazione, aumentando così i costi.
Anche tolleranze rigorose sulla posizione e sulla spaziatura dei fori possono aumentare i costi. La specifica di tolleranza ragionevole è ± {{0}}.005 pollici (± 0,013 centimetri). Come per la planarità, specificare il più possibile le tolleranze locali ridurrà i costi. Per piastre fredde di grandi dimensioni con fori relativamente distanti tra loro, le tolleranze diventano più difficili da mantenere. Uno dei motivi è che la tolleranza della macchina utensile aumenta con l'estensione della distanza di movimento della testa. Un altro motivo è che nell'officina di lavorazione potrebbe esserci un gradiente termico fino a 18 gradi F (10 gradi C), che può causare l'espansione o la contrazione della piastra fredda fino a 0,005 pollici (± 0,013 centimetri). I fori passanti sono i più facili per specificare tolleranze più strette perché la loro creazione viene eseguita tramite un'unica operazione utensile, mentre i fori filettati hanno meno probabilità di avere tolleranze perché la loro realizzazione coinvolge due utensili. L'olio a spirale è il più difficile da tollerare perché il processo richiede un foro di maschiatura e l'olio a spirale stesso ha delle tolleranze. Tutte le tolleranze si sommano per rendere la produzione più difficile e costosa. Anche evitare piccoli fori di maschiatura può aiutare a ridurre i costi. Le dimensioni dei fori pari a 4-40 o inferiori diventano difficili da maschiare poiché il maschio potrebbe rompersi durante la perforazione. Per ridurre al minimo questo problema, la velocità di funzionamento della macchina deve essere molto più lenta. Un metodo per soddisfare i severi requisiti di tolleranza per le schede fredde consiste nell'aumentare la dimensione dei fori di montaggio sui componenti o sui circuiti stampati.
(6) Collegamento del liquido
Per le connessioni di liquidi, le porte femmina con O-ring filettato diritto solitamente hanno l'effetto migliore. Oltre al sistema di saldatura, fornisce anche la migliore tenuta al minor costo. Le connessioni delle tubazioni (come i giunti NPT) non possono fornire la precisione richiesta per componenti come le piastre fredde. Sulle piastre fredde per brasatura sotto vuoto, l'uso di raccordi filettati esterni, come barbe o raccordi a perlina, dovrebbe essere evitato poiché richiede altre operazioni (come la saldatura) per collegare i raccordi. Inoltre, gli accessori oltre alla piastra fredda devono essere protetti durante il trasporto, il che può aumentare i costi di imballaggio. Le disconnessioni rapide dovrebbero essere utilizzate solo quando necessario, poiché il loro costo per coppia può raggiungere fino a $ 750. Schede fredde o dispositivi elettronici che richiedono frequenti sostituzioni devono essere scollegati rapidamente. Sono necessari anche per le piastre fredde già riempite di liquido refrigerante. Per le connessioni liquide, un altro fattore da considerare è la tolleranza della porta. Di solito, la pipeline in entrata ha un certo grado di flessibilità. Una tolleranza ragionevole è compresa tra ± 0.030 pollici (0,076 centimetri) e ± 0,060 pollici (0,152 centimetri).
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