Piastra di raffreddamento a liquido con saldatura FSW per migliorare le prestazioni e ridurre i costi

Le prestazioni di una brasatura in vuoto a un prezzo inferiore rispetto alla foratura profonda!

Grazie allo sviluppo della saldatura per attrito (FSW), le nuove tecnologie in materia di piastre di raffreddamento ottenute tramite FSW stanno rivoluzionando il processo di produzione. Affidabilità della conduttività, flessibilità e costi ridotti, sono questi i 3 vantaggi principali che offre la saldatura per attrito delle piastre di raffreddamento a liquido.

Che cos’è la dissipazione di calore delle piastre di raffreddamento a liquido?

Le piastre di raffreddamento a liquido sono dispositivi di dissipazione termica che permettono di raffreddare i componenti elettronici. Questo strumento consente infatti di dissipare il calore generato da apparecchiature elettroniche ad alta potenza sulla superficie della piastra di raffreddamento attraverso diversi canali di fluido refrigerante. La dissipazione avviene per conduzione tra il liquido che scorre all’interno dei canali e la piastra di raffreddamento.

Le piastre refrigeranti a liquido in alluminio contribuiscono alla progettazione efficiente di nuovi dispositivi dotati di elettronica ad alta potenza. L’uso di potenze sempre più elevate all’interno di spazi sempre più ridotti impone una nuova concezione dei dispositivi di raffreddamento ad alte prestazioni.

Piastra di raffreddamento a liquido con saldatura per attrito

Le piastre di raffreddamento a liquido hanno un impatto positivo sulle performance tecniche di questi componenti. Nelle applicazioni ad alto flusso di calore infatti, offrono prestazioni termiche non raggiungibili con sistemi di refrigerazione tradizionali come il raffreddamento a convenzione ad aria.

Quali sono i campi di applicazione delle piastre di raffreddamento a liquido?

Esistono numerosi settori in cui è richiesta una gestione dei flussi termici ottimale e che vedono l’impiego di piastre refrigeranti. Tra questi troviamo:

le energie rinnovabili;
i dispositivi medici;
i sistemi IGBT e i dispositivi a semiconduttore di potenza;
i laser;
i data center;
il settore ferroviario;
l’aeronautica;
l’industria aerospaziale;
i sistemi di difesa;
e numerosi altri settori.

Quali sono i diversi tipi di piastre di raffreddamento a liquido?

Esistono diverse tipologie di piastre refrigeranti a liquido, in particolare:

piastre di raffreddamento a liquido a tubo (Tube liquid cold plate);
piastre di raffreddamento a liquido con fori passanti (Gun drilling liquid cold plate);
piastre di raffreddamento a liquido con saldatura FSW (FSW liquid cold plate);
piastre di raffreddamento pressofuse (Die casting liquid cold plate);
piastre di raffreddamento brasate (Brazing liquid cold plate).

Piastra di raffreddamento a liquido: presentazione e confronto dei metodi di produzione

Piastre di raffreddamento a liquido a tubo

Questa è probabilmente la tipologia di piastra refrigerante più semplice presente oggi sul mercato. Si tratta di una piastra di raffreddamento nella quale viene incorporato un tubo senza giunti.

Nonostante i tubi siano comunemente in rame, è possibile impiegare diversi materiali in base al flusso termico desiderato e al liquido refrigerante utilizzato. I tubi vengono inseriti nella piastra in due modi: meccanicamente (a secco) o attraverso una sigillatura termica con resina epossidica per eliminare le microporosità e massimizzare le performance termiche.

Gli svantaggi delle piastre di raffreddamento a liquido a tubo:

I limiti di questa tipologia riguardano le performance di dissipazione del calore (è infatti impossibile avere un’elevata densità di canali con questo metodo) e l’affidabilità della conducibilità del tubo a causa di alcune fasi critiche della produzione, come:

curvatura necessaria per ottenere la forma desiderata da inserire nella piastra;
operazioni necessarie a garantire un’adeguata conducibilità termica:

– l’uso di una pasta termica che comporta un costo notevole,
-oppure l’idroformatura che consente di dare forma al tubo all’interno della piastra ma non permette di controllare se è presente uno spazio tra il tubo e la piastra.

Inoltre, dal 2020 ad oggi, il costo del rame è quintuplicato, il che scoraggia ulteriormente la scelta di questa soluzione.

Piastre di raffreddamento a liquido con foratura profonda

Le piastre refrigeranti a liquido con fori passanti si caratterizzano per la presenza di canali profondi che attraversano la lunghezza della piastra in alluminio.

I fori si ottengono tramite una foratura perpendicolare al tragitto principale del liquido refrigerante, vengono poi parzialmente tappati per creare un canale continuo che attraversa tutta la piastra. Vengono infine inseriti dei raccordi per riportare la circolazione del liquido all’interno della piastra.

Produzione di piastre refrigeranti con foratura profonda

Il vantaggio di questa soluzione è l’assenza di una barriera termica tra il fluido refrigerante e il componente in alluminio. Inoltre, la piastra di raffreddamento viene lavorata senza subire stress termico, il che permette di ottenere un risultato planare.

Gli svantaggi delle piastre di raffreddamento a liquido con foratura profonda:

le piastre refrigeranti con fori passanti non offrono una grande libertà in termini di design della superficie di raffreddamento in quanto i canali per i fluidi sono solo linee rette;
la foratura profonda diventa particolarmente difficile nel caso di piastre di raffreddamento in alluminio di lunghezza superiore a 500 mm;
inoltre, i raccordi sono punti molto sensibili alle perdite.

Piastre di raffreddamento a liquido pressofuse

Le piastre refrigeranti pressofuse sono composte da due parti: l’alloggiamento e il coperchio. Questo tipo di dissipatore di calore è utilizzato in particolare per applicazioni complesse e/o grandi volumi di produzione.

Dopo la pressofusione, le due parti possono essere sigillate mediante o-ring o saldatura FSW.

Design di una piastra refrigerante pressofusa

Gli svantaggi delle piastre di raffreddamento a liquido pressofuse:

Questo tipo di piastra pressofusa utilizza una particolare tecnologia che prevede lo stampaggio della parte in alluminio sopra i canali per il liquido refrigerante. Sebbene il risultato atteso sia una piastra perfettamente sigillata, versare alluminio liquido attorno a un tubo è un processo delicato. È infatti necessario mantenere i tubi immobili al fine di evitare qualsiasi movimento che possa compromettere la tenuta. Questa tecnologia aumenta notevolmente il costo finale della piastra di raffreddamento a causa della complessità del tubo e del suo mantenimento.

Piastre di raffreddamento brasate

La tecnologia di brasatura applicata alle piastre refrigeranti è generalmente utilizzata per applicazioni ad alte prestazioni che richiedono una minore resistenza tecnica ma una sigillatura perfetta. Applicare la brasatura alle piastre di raffreddamento offre ai progettisti numerose possibilità e una maggiore flessibilità nel controllo di:

resistenza termica;
flusso di calore;
perdita di pressione;
percorso del fluido;
dimensioni;
forma;
durezza del materiale;
geometria della superficie e possibilità di installare i componenti alle due estremità della piastra.

Tecnologia di brasatura per ottenere piastre di refrigerazione

Il canale di raffreddamento viene creato lavorando deflettori e alette nella piastra oppure inserendo direttamente delle alette ondulate in alluminio ad alte prestazioni. Nonostante le piastre refrigeranti di questo tipo offrano una grande flessibilità, richiedono un processo di lavorazione molto costoso.

Gli svantaggi delle piastre di raffreddamento a liquido brasate:

l’attrezzatura per la brasatura è molto costosa (le apparecchiature in vuoto superano il milione di euro);
costi annuali di manutenzione del materiale;
dopo la brasatura, è necessario un trattamento termico delle piastre per ripristinare delle proprietà meccaniche accettabili;
processi di brasatura molto lunghi (circa 8 ore);
impossibilità di lavorare piastre di grandi dimensioni a causa della grandezza limitata dei forni per la brasatura.

Piastre di raffreddamento a liquido con saldatura per attrito (FSW)

La giunzione di due piastre refrigeranti a liquido tramite FSW (saldatura per attrito) è un processo in due fasi.

1. Il canale destinato al flusso del liquido è lavorato nell’alloggiamento della piastra refrigerante. Questo canale di raffreddamento può essere complesso e può persino integrare delle alette per migliorare la superficie di trasferimento del calore.

2. Successivamente, viene posizionata la parte superiore sul canale sopra la parte destinata al flusso e infine viene saldata mediante FSW.

Quali sono i vantaggi delle piastre di raffreddamento saldate per attrito?

Il vantaggio principale della tecnologia FSW applicata alle piastre refrigeranti dei componenti ad alta potenza è il costo:

strumento tutto in uno: attrezzatura ibrida per la saldatura e la lavorazione meccanica;
ciclo di produzione rapido sia per piastre di grandi dimensioni (10 minuti a piastra) sia per le più piccole (circa 1 minuto);
consumo di energia ridotto (simile a una lavorazione meccanica);
formazione rapida: 1 giorno per formare da operatore CNC a operatore FSW.

Rispetto ai metodi alternativi appena visti, la tecnologia di saldatura FSW presenta numerosi vantaggi tecnici indiscutibili:

Saldatura di piastre refrigeranti mediante FSW

resistenza a pressioni di 300 bar (a differenza dei 10 bar della piastra di raffreddamento a liquido per avvitamento);
possibilità di saldare tutte le leghe di alluminio, nonché l’alluminio ad alta resistenza e l’alluminio da fonderia;
possibilità di saldare tutte le leghe di rame;
possibilità di saldare alluminio e rame;
personalizzazione della geometria di raffreddamento per raffreddare zone precise di un’applicazione (a differenza della foratura profonda in cui i canali sono solo linee rette).

Per saperne di più sulla saldatura per attrito FSW: