Placas frías líquidas: ensamblaje FSW para mayor rendimiento y ahorro
¡El rendimiento de la soldadura al vacío a un precio inferior al de la perforación profunda!
Con el desarrollo de la soldadura por fricción-agitación (FSW), las nuevas tecnologías de placas frías soldadas mediante esta tecnología están cambiando el proceso de fabricación. La fiabilidad de la conductividad, la flexibilidad y el coste son tres de las principales ventajas del ensamblaje de placas frías mediante la tecnología FSW frente a otras técnicas alternativas.
¿Qué es la disipación de calor por placa fría líquida?
Las placas frías líquidas son un dispositivo de disipación de calor para la refrigeración de equipos electrónicos. Este equipo permite disipar el calor generado por los equipos electrónicos de alta potencia hacia la superficie de la placa fría a través de varios canales de fluido. La disipación se produce por conducción entre el refrigerante de los canales y la placa fría.
Las placas frías líquidas de aluminio contribuyen al diseño eficiente de nuevos dispositivos con electrónica de alta potencia. Una de las razones es el uso de componentes electrónicos cada vez más potentes en carcasas cada vez más compactas. Estos paquetes compactos obligan a los diseñadores a pensar en nuevos y eficientes dispositivos de refrigeración.
El rendimiento técnico de estos componentes se ve afectado positivamente por las placas frías líquidas, que proporcionan un mejor rendimiento de refrigeración en aplicaciones de alto flujo de calor en comparación con los sistemas de refrigeración más tradicionales, como la refrigeración por aire convectivo.
¿Qué aplicaciones tienen las placas frías líquidas?
Hay muchas áreas en las que se requiere una gestión perfecta del flujo de calor. Estos son los ámbitos en los que se utilizan las placas frías:
¿Cuáles son los diferentes tipos de placas frías líquidas?
Existen diferentes tipos de placas frías líquidas, a saber:
Placa fría líquida: presentación y comparación de los métodos de fabricación
Placas frías líquidas con tubos
Esta es probablemente la forma más simple de placa fría disponible hoy en día. Consiste en una placa fría con un tubo sin soldadura incrustado en ella.
Dependiendo del flujo de calor deseado y del refrigerante que vaya a pasar por la aplicación, los tubos pueden ser de diferentes materiales, pero lo más habitual es que los tubos sean de cobre. Se insertan de dos maneras: mecánicamente (en seco) o con un sello epoxi térmico para eliminar la microporosidad y maximizar el rendimiento térmico.
Desventajas de la placa fría líquida con tubos
Las limitaciones de esta configuración son el rendimiento de la refrigeración (no es posible tener una alta densidad de canales con este método) y la fiabilidad de la conductividad del tubo debido a los pasos críticos de fabricación, a saber:
- Doblado necesario para tomar la forma deseada en la placa
- Operación para garantizar una buena conductividad térmica:
– La aplicación de una pasta térmica que representa un coste importante
– El hidroconformado para deformar el tubo en su alojamiento, sin ser posible controlar si sigue habiendo un hueco entre el tubo y la placa.
Desde 2020, el coste del cobre se ha multiplicado por 5, lo que también es un obstáculo para el uso de esta solución de placa fría líquida.
Placas frías líquidas por perforación profunda
Las placas de refrigeración por líquidos están diseñadas con una serie de agujeros profundos a lo largo de la placa de aluminio para crear diferentes canales de flujo.
Cada orificio se perfora perpendicularmente a la trayectoria principal del refrigerante y luego se tapona parcialmente para crear una trayectoria continua del líquido a través de la placa. A continuación, se utilizan grifos para devolver el fluido a la placa.
La ventaja de este proceso de placa fría es que no hay barrera térmica entre el medio de refrigeración y la placa de aluminio. Además, la placa de aluminio se fabrica sin tensiones térmicas, lo que facilita la obtención de su planitud final.
Desventajas de la placa fria líquida por perforación profunda
- Las placas frías líquidas por perforación profunda no permiten mucha libertad de diseño desde el punto de vista de la superficie de refrigeración, ya que los recorridos del líquido son sólo líneas rectas.
- Para las placas en frío de más de 500 mm, el taladrado profundo se vuelve muy difícil en las placas de aluminio.
- Además, los grifos son zonas muy sensibles a las fugas.
Placas frías líquidas de fundición a presión
La placa fría líquida fundida a presión consta de dos partes: la carcasa y la tapa. Este tipo de disipador de calor se utiliza sobre todo para aplicaciones complejas y/o grandes volúmenes de producción.
Tras el moldeado, las dos partes pueden sellarse con una junta tórica o mediante FSW.
Desventajas de la placa fría líquida de fundición a presión
Las placas frías de presión utilizan una tecnología particular que consiste en moldear la pieza de aluminio sobre el tubo de refrigerante. Aunque el resultado esperado es una pieza perfectamente sellada, el vertido del aluminio líquido alrededor del tubo es un proceso delicado que requiere que el tubo se mantenga quieto para evitar cualquier movimiento que pueda repercutir en el sellado de la placa. Esta tecnología aumenta considerablemente el coste de la placa de frío debido a la complejidad del tubo y su sujeción.
Las placas frías líquidas ensambladas mediante fundición
La tecnología de fundición en el ensamblaje de placas frías se utiliza normalmente para diseños de alto rendimiento que requieren una menor resistencia térmica pero una perfecta estanqueidad. Para los diseñadores, el uso de la fundición para el montaje de placas en frío ofrece muchas posibilidades y flexibilidad para controlar el diseño:
- Resistencia térmica,
- Flujo de calor,
- Caída de presión,
- Camino de los fluidos,
- Tamaño,
- Forma,
- Dureza del material,
- La geometría de la superficie y la posibilidad de montar componentes en ambos lados de la placa.
El canal de refrigeración se crea mediante el mecanizado de deflectores y aletas en la placa o mediante la inserción directa de aletas de aluminio corrugado de alto rendimiento. Aunque el uso de este tipo de placas frías ofrece una gran flexibilidad, también es un proceso muy caro.
Desventajas de las placas frías líquidas por fundición
- El equipo de fundición es muy caro (el equipo de vacío cuesta más de 1 millón de euros)
- Elevados costes anuales de mantenimiento de los equipos.
- El tratamiento térmico de las piezas es necesario después de la fundición para restaurar las propiedades mecánicas aceptables de las piezas.
- Ciclos de soldadura muy largos (unas 8 horas)
- La imposibilidad de fundir placas frías muy grandes debido al tamaño de los hornos de fundición.
Placas frías líquidas mediante soldadura por fricción-agitación (FSW)
El conjunto de placas de refrigeración por líquido de FSW (soldadura por fricción-agitación) es una construcción de dos partes.
El paso del líquido se mecaniza en la carcasa de la placa fría. Este canal de refrigeración puede ser complejo e incluso incorporar aletas para mejorar la superficie de transferencia de calor.
A continuación, la cubierta se coloca en el canal por encima de la zona de flujo y se suelda mediante FSW.
¿Cuáles son las ventajas de las placas frías líquidas soldadas por FSW?
La mayor ventaja de utilizar el FSW para el montaje de placas frías para la electrónica de potencia es su coste:
- Herramienta todo en uno: equipo híbrido de soldadura y mecanizado
- Proceso de producción rápido para placas grandes (aprox. 10 minutos por placa) o pequeñas (aprox. 1 minuto)
- Bajo consumo de energía (similar a una operación de mecanizado)
- Formación rápida: 1 día para formar a un operador de CNC en un operador de FSW
En comparación con los métodos alternativos mencionados anteriormente, el FSW tiene una serie de ventajas técnicas innegables:
- Resistencia a la presión de 300 bar (a 10 bar para la placa de frío líquido por atornillado).
- Se pueden soldar todas las aleaciones de aluminio, así como el aluminio de alta resistencia y el fundido.
- Se pueden utilizar todas las aleaciones de cobre.
- El aluminio puede soldarse con el cobre.
- Libre elección de la geometría de refrigeración para enfriar zonas específicas de una aplicación (a diferencia de la perforación, donde los canales son líneas rectas).
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