Piastra di raffreddamento a liquido: assemblaggio FSW per prestazioni migliori e risparmi sui costi
Le prestazioni della brasatura sotto vuoto a un prezzo inferiore rispetto alla foratura profonda!
Con lo sviluppo della saldatura Friction Stir Welding (FSW), le nuove piastre di raffreddamento a liquido saldate con questa tecnologia stanno rivoluzionando il processo di produzione. L’affidabilità in termini di conduttività, la flessibilità e il costo sono tre dei principali vantaggi delle piastre di raffreddamento a liquido saldate con la tecnologia FSW rispetto alle tecniche alternative.
Dissipazione del calore tramite piastra di raffreddamento a liquido: cosa significa?
Le piastre di raffreddamento a liquido sono dispositivi di dissipazione del calore utilizzati per il raffreddamento delle apparecchiature elettroniche. Queste apparecchiature consentono di dissipare il calore generato dalle apparecchiature elettroniche ad alta potenza verso la superficie della piastra di raffreddamento attraverso una serie di canali per il fluido. La dissipazione avviene per conduzione tra il fluido di raffreddamento presente nei canali e la piastra di raffreddamento.
Le piastre di raffreddamento in alluminio contribuiscono alla progettazione efficiente di nuovi dispositivi dotati di elettronica ad alta potenza. Uno dei motivi è proprio l’utilizzo di componenti elettronici sempre più potenti in alloggiamenti sempre più compatti. Questi alloggiamenti compatti costringono i progettisti a ideare sistemi di raffreddamento nuovi ed efficienti.
Le prestazioni tecniche di questi componenti traggono vantaggio dall’impiego di piastre di raffreddamento a liquido, che garantiscono prestazioni di raffreddamento superiori nelle applicazioni con elevati flussi termici rispetto ai sistemi di raffreddamento più tradizionali, come il raffreddamento convettivo ad aria.
Quali sono le applicazioni delle piastre di raffreddamento a liquido?
Sono molti i settori in cui è necessaria una gestione ottimale del flusso termico. Ecco i settori in cui vengono utilizzate le piastre di raffreddamento a liquido:
Quali sono i diversi tipi di piastre di raffreddamento a liquido?
Esistono diversi tipi di piastre di raffreddamento a liquido, ovvero:
Piastra di raffreddamento a liquido: presentazione e confronto tra i metodi di produzione
Piastra di raffreddamento a liquido con tubi
Questa è forse la forma più semplice di piastra di raffreddamento a liquido attualmente esistente. È costituita da una piastra di raffreddamento a liquido in cui è incorporato un tubo senza giunture.
A seconda della portata termica desiderata e del fluido di raffreddamento che deve passare attraverso l’applicazione, i tubi possono essere realizzati in diversi materiali, ma nella maggior parte dei casi sono in rame. Questi vengono inseriti in due modi: meccanicamente (a secco) oppure con una guarnizione epossidica termica per eliminare le microporosità e massimizzare le prestazioni termiche.
Gli svantaggi della piastra di raffreddamento a liquido con tubo
I limiti di questa configurazione sono le prestazioni di raffreddamento (con questo metodo non è possibile ottenere un’elevata densità dei canali) e l’affidabilità della conduttività dei tubi a causa delle fasi critiche del processo di produzione, ovvero:
- Piegatura necessaria per conferire alla lamiera la forma richiesta
- Operazione volta a garantire una buona conducibilità termica:
– L’applicazione di una pasta termica, che comporta un costo significativo,
– Oppure l’idroformatura, per deformare il tubo all’interno del suo alloggiamento, ma non è possibile verificare se tra il tubo e la piastra sia ancora presente uno spazio.
Dal 2020, il costo del rame è aumentato di cinque volte, il che rappresenta un ulteriore ostacolo all’utilizzo di questa soluzione con piastra di raffreddamento a liquido.
Piastra di raffreddamento a liquido per foratura con punta a canna
Le piastre di raffreddamento a liquido realizzate con foratura a pistola sono progettate con una serie di fori profondi lungo la lunghezza della piastra di alluminio per creare diversi canali di flusso. Ogni foro viene praticato perpendicolarmente al percorso principale del refrigerante e poi parzialmente tappato per creare un percorso continuo del liquido attraverso la piastra. Successivamente, vengono utilizzati dei rubinetti per riportare il fluido alla piastra.
Il vantaggio di questo processo con piastra di raffreddamento a liquido consiste nell’assenza di barriere termiche tra il fluido di raffreddamento e la piastra di alluminio. Inoltre, la piastra di alluminio viene prodotta senza sollecitazioni termiche, il che facilita il raggiungimento della sua planarità finale.
Gli svantaggi della piastra di raffreddamento a liquido realizzata mediante foratura profonda
- Le piastre di raffreddamento a liquido con fori profondi non offrono molta libertà progettuale in termini di superficie di raffreddamento, poiché i percorsi del liquido sono costituiti esclusivamente da linee rette.
- Nel caso di lamiere fredde di lunghezza superiore a 500 mm, la foratura profonda delle lamiere di alluminio risulta molto difficile.
- Le giunture sono punti particolarmente soggetti a perdite.
Piastre di raffreddamento a liquido nella pressofusione
La piastra di raffreddamento a liquido pressofusa è composta da due parti: l’alloggiamento e il coperchio. Questo tipo di dissipatore di calore viene utilizzato per applicazioni complesse e/o grandi volumi di produzione.
Dopo lo stampaggio, le due parti possono essere sigillate con un O-ring o tramite FSW.
Svantaggi della piastra di raffreddamento a liquido nella pressofusione
Le piastre di raffreddamento a liquido utilizzate nella pressofusione si avvalgono di una tecnologia specifica che consiste nello stampare il pezzo in alluminio attorno al tubo di raffreddamento. Sebbene il risultato atteso sia un pezzo perfettamente sigillato, il versamento dell’alluminio liquido attorno al tubo è un processo delicato che richiede il fissaggio del tubo stesso per evitare qualsiasi movimento che possa compromettere la tenuta della piastra. Questa tecnologia aumenta notevolmente il costo della piastra di raffreddamento a causa della complessità del tubo e del suo sistema di fissaggio.
Piastre di raffreddamento a liquido assemblate mediante brasatura
La tecnologia di brasatura nell’assemblaggio delle piastre di raffreddamento a liquido viene tipicamente utilizzata per progetti ad alte prestazioni che richiedono una resistenza termica ridotta ma una tenuta perfetta. Per i progettisti, l’utilizzo della brasatura per l’assemblaggio delle piastre di raffreddamento offre numerose possibilità e flessibilità nel controllo del progetto:
- Resistenza termica,
- Flusso termico,
- Caduta di pressione,
- Percorso del fluido,
- Dimensioni,
- Forma,
- Durezza del materiale,
- La geometria della superficie e la possibilità di montare componenti su entrambi i lati della piastra.
Il canale di raffreddamento viene realizzato mediante la lavorazione di deflettori e alette nella piastra oppure inserendo direttamente alette in alluminio ondulato ad alte prestazioni. Sebbene l’uso di questo tipo di piastra di raffreddamento offra una grande flessibilità, si tratta anche di un processo molto costoso.
Gli svantaggi delle piastre di raffreddamento a liquido realizzate mediante brasatura
- Le attrezzature per la brasatura sono molto costose (quelle per il vuoto superano il milione di euro)
- Elevati costi annuali di manutenzione dei materiali.
- Dopo la brasatura è necessario sottoporre i pezzi a un trattamento termico per ripristinarne le proprietà meccaniche accettabili.
- Cicli di brasatura molto lunghi (circa 8 ore)
- Impossibilità di agitare piastre di raffreddamento di grandi dimensioni a causa delle dimensioni dei forni di brasatura.
Piastre di raffreddamento a liquido assemblate mediante saldatura Friction Stir Welding (FSW)
Il gruppo della piastra di raffreddamento a liquido per la saldatura FSW (Friction Stir Welding) è costituito da due parti.
Il percorso di flusso del liquido è ricavato nell’alloggiamento della piastra di raffreddamento. Questo canale di raffreddamento può presentare una struttura complessa e persino incorporare alette per aumentare la superficie di trasferimento del calore.
Il coperchio viene quindi posizionato sul canale sopra l’area di flusso e saldato con il metodo FSW.
Quali sono i vantaggi delle piastre di raffreddamento a liquido saldate con la tecnica FSW?
Il principale vantaggio dell’utilizzo della tecnologia FSW per l’assemblaggio di piastre di raffreddamento destinate all’elettronica di potenza è il suo costo:
- Strumento tutto in uno: attrezzatura ibrida per saldatura e lavorazione meccanica
- Processo di produzione rapido per lastre di grandi dimensioni (circa 10 minuti per lastra) o di piccole dimensioni (circa 1 minuto)
- Basso consumo energetico (simile a quello di un’operazione di lavorazione meccanica)
- Formazione rapida: basta un giorno per trasformare un operatore CNC in un operatore FSW
Rispetto ai metodi alternativi sopra citati, la FSW presenta una serie di vantaggi tecnici:
- Resistenza alla pressione di 300 bar (a 10 bar per la piastra di raffreddamento a liquido tramite avvitamento).
- È possibile saldare tutte le leghe di alluminio, nonché l’alluminio ad alta resistenza e quello fuso.
- Tutte le leghe di rame possono essere saldate.
- L’alluminio può essere saldato con il rame.
- Libera scelta della geometria di raffreddamento per raffreddare aree specifiche di un’applicazione (a differenza della foratura, in cui i canali sono linee rette).
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