Výrobní proces extrudovaných kapalných chladicích desek

Extrudované kapalinové chladicí desky jsou integrované komponenty pro tepelnou regulaci vyrobené procesy extruze hliníkových slitin. Tyto kapalinové chladicí desky využívají kapalná chladicí média – jako je voda, směsi vody a glykolu nebo fluorované kapaliny – k dosažení efektivní výměny tepla.

Hlavním rysem této technologie kapalinového chlazení za studena je vytvoření uzavřených nebo vícedutinových vnitřních průtokových kanálů v rámci jednoho extrudovaného hliníkového profilu. Tato struktura poskytuje nízký odpor proudění, vysokou toleranci tlaku, kompaktní design a kontrolované náklady, díky čemuž je široce používána v elektronice s vysokou hustotou výkonu, bateriových článkech, kapalinovém chlazení serverů a výkonové elektronice.

Pochopení fungování kapalinových chladicích desek je zásadní: teplo je vedeno ze zdroje tepla do tělesa chladicí desky, přenášeno do vnitřních kanálů pro proudění kapaliny a poté odváděno nucenou konvekcí. Ve srovnání s trubkovými nebo pájenými kapalinovými chladicími deskami nabízejí extrudované konstrukce vyšší strukturální integritu a snížené riziko úniku.

základní technické vlastnosti

• one-piece extruded flow channels
  seamless internal channels formed during extruze eliminate weld seams and reduce leakage risk compared to brazed or tubed structures.

• high thermal conductivity materials
  typically manufactured from 6061 or 6063 aluminum alloys with thermal conductivity ≥ 180 w/m·k. while copper cold plates offer higher conductivity, aluminum provides a superior balance of weight, cost, and corrosion resistance.

• customizable návrh průtokového kanálus
  supports parallel channels, serpentine channels, and multi-cavity configurations, enabling flexible liquid cold plate design.

• high pressure capability
  typical operating pressure: 0.5–1.5 mpa
  tlak při roztržení: ≥ 3,0 mpa

• lightweight structure
  20–40% lighter than cnc-machined or plate liquid cooling solutions.

• excellent povrch treatment compatibility
  suitable for anodizing, electroless nickel plating, and functional coatings.

typické scénáře aplikací

• systémy vodního chlazení baterií pro elektromobily

• chladicí desky pro serverové CPU / GPU pro elektroniku

• vysoce výkonné laserové chladicí systémy

• chlazení IGBT a výkonového modulu studenou deskou

• systém pro ukládání energie, tepelné řízení

Výrobní proces extrudovaných tekutých studených desek

1. fáze přípravy surovin

výběr hliníkových polotovarů → analýza chemického složení (spektrometr) → testování mechanických vlastností (tvrdost, pevnost v tahu) → předběžné zpracování (řezání, obrábění čel) → skladování materiálu

• slitiny jakosti: 6061-t5 / t6, 6063-t5

• průměr sochoru: φ100–φ300 mm

• přesnost předběžného zpracování:

• tolerance délky: ±1 mm

• kolmost čelní plochy: ≤ 0,1 mm

2. fáze návrhu a výroby matrice

návrh průtokového kanálu (optimalizace tepelné simulace CFD) → návrh extruzní formy (otvory, svařovací komora, ložisková plocha) → výběr oceli formy (ocel pro práci za tepla H13) → hrubé obrábění CNC → tepelné zpracování (kalení + trojité popouštění) → přesné obrábění (erozivní erozivní obrábění, řezání drátem) → leštění (ložisková plocha RA ≤ 0,4 μm) → validace zkušební extruze

Tato fáze přímo určuje vnitřní geometrii a výkon extrudovaných kapalinových chladicích desek, čímž je odlišuje od pájených struktur kapalinových chladicích desek, které se spoléhají na lepení po montáži.

3. fáze tváření extruzí

předehřev hliníkových ingotů (480–520 °C) → předehřev matrice (450–480 °C) → nastavení parametrů extruze → profilová extruze (rychlost 1–5 m/min) → kalení online (chlazení vzduchem nebo mlhou) → tažení a rovnání → řezání na pevnou délku → stárnutí (podmínka t5 / t6)

Proces extruze umožňuje konzistentní vnitřní průtokové kanály, které podporují stabilní výkon kapalinového chlazení desek.

4. fáze přesného obrábění na cnc

obrábění referenční plochy (stanovení souřadnicového systému) → obrábění čelní plochy (otevření průtokového kanálu) → obrábění rozhraní (vstupní/výstupní otvory, montážní otvory) → obrábění těsnicí plochy (rovnost ≤ 0,05 mm) → odjehlení → kontrola čistoty

požadavky na obrábění

• těsnicí drážky na čelní ploše:

• tolerance šířky ±0,02 mm

• tolerance hloubky ±0,01 mm

• závitové otvory:

• přesnost 7h

• kolmost ≤ 0,05 mm

• rovinnost montážní plochy: ≤ 0,1 mm / 100 mm

• čistota:

• částice ≤ 100 ks/m²

• zbytky oleje ≤ 10 mg/m²

5. obrábění koncovek a příprava pro svařování

výběr materiálu koncovky (stejná nebo kompatibilní slitina) → CNC obrábění → úprava těsnicí plochy (ra ≤ 1,6 μm) → obrábění svařovacích drážek → čištění (ultrazvukové čištění) → polohování při montáži (speciální přípravky)

parametry návrhu koncového uzávěru

• tloušťka: 3–10 mm (v závislosti na požadavcích na tlak)

• metody těsnění:

• těsnění drážky O-kroužku

• ploché těsnění

• úplné utěsnění svařováním

• možnosti svařování:

• svařování třením s mícháním (FSW)

• laserové svařování

• svařování TIG

6. fáze svařování a utěsňování

výběr svařovacího procesu → montáž přípravku → nastavení parametrů svařování → automatizované provedení svařování → tepelné zpracování po svařování (odlehčení pnutí) → kontrola vzhledu svaru

porovnání svařovacích procesů

• svařování třením s mícháním (FSW):
  no filler material, high joint strength, ideal for long straight seams

• laserové svařování:
  small heat-affected zone, high precision, suitable for complex seams

• svařování TIG:
  cost-effective, flexible, suitable for small-batch custom liquid cold plate production

7. tlakové a těsnicí zkoušky

• zkouška těsnosti hélia

• zkouška hydrostatickým tlakem (1,5× pracovní tlak)

• zkouška roztržením (≥ 3× pracovní tlak)

• zkoušky tlakovými cykly (100 000 cyklů)

zkušební normy

• rychlost úniku: ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s (helium)

• udržení tlaku: 1,5 mpa × 5 min, pokles tlaku ≤ 0,01 mpa

• tlak při roztržení: ≥ 3,0 mpa

• cyklické změny tlaku: 0,2–1,0 mpa, 100 000 cyklů bez úniku

8. fáze povrchové úpravy (volitelné)

předúprava (odmašťování, moření) → eloxování (přírodní / černá) → utěsnění → funkční povlaky → vypalování a vytvrzování

možnosti povrchové úpravy

• eloxování:

• tloušťka 10–15 μm

• dielektrická pevnost ≥ 500 V

• bezproudové niklování:

• tloušťka 10–20 μm

• zvýšená odolnost proti korozi

• ptfe coating:
  improved chemical resistance

• insulating coatings:
  for electrical isolation requirements

9. proces čištění a sušení

vysokotlaké proplachování vodou → ultrazvukové čištění (neutrální čisticí prostředek) → třístupňové protiproudé oplachování → sušení horkým vzduchem (80–100 °C) → vakuové sušení (vysoce spolehlivé aplikace) → plnění dusíkem pro prevenci oxidace

standardy čistoty

• velikost částic: ≤ 50 μm

• netěkavý zbytek: ≤ 10 mg/m²

• obsah chloridových iontů: ≤ 1 ppm

• vodivost: ≤ 5 μs/cm

10. montáž příslušenství

instalace těsnění (silikon / Fkm / EPDM) → montáž rychlospojek → instalace teplotního čidla (volitelné) → instalace tlakového čidla (volitelné) → označení (informace o produktu a směr průtoku)

požadavky na příslušenství

• materiály těsnění: EPDM, FKM, silikon (−40 °C až 150 °C)

• normy konektorů: din, sae, jis, bspp

• přesnost senzoru:

• teplota ±0,5 °C

• tlak ±1 % rozsahu

11. testování výkonu hotového výrobku

zkoušky tepelné odolnosti (standardní metoda zdroje tepla) → zkoušky odporu proudění (křivka proudění vs. poklesu tlaku) → zkoušky rovnoměrnosti proudění (vícekanálové konstrukce) → zkoušky trvanlivosti (tepelné a tlakové cykly) → závěrečná kontrola úniku hélia (100% kontrola)

ukazatele výkonnosti

• tepelný odpor: 0,01–0,05 °C/W (v závislosti na konstrukci a průtoku)

• odpor proudění: ≤ 50 kpa při 10 l/min (typický)

• odchylka rovnoměrnosti proudění: ≤ 10%

• provozní teplotní rozsah: −40 °C až 120 °C

12. závěrečná kontrola a balení

vizuální kontrola → odběr rozměrů (cm) → příprava dokumentace → antikorozní obal (VCI) → nárazuvzdorný obal → označování vnějšího kartonu

specifikace balení

• ochrana jedné jednotky: PE sáček + VCI papír

• orientace balení: vertikální umístění

• obsah štítku: ID produktu, datum výroby, směr toku, označení křehkosti

• Skladovací podmínky: −10 °C až 40 °C, ≤ 70 % relativní vlhkosti

13. dokumentace a sledovatelnost

certifikát shody → certifikáty materiálů → protokoly o výkonnostních zkouškách → procesní záznamy → štítky sledovatelnosti (QR kód / čárový kód) → instalační a provozní návod

kontrolní body kritické pro kvalitu (ctq)

procesní kapacita a výrobní kapacita

• šířka extruze: 30–300 mm

• výška: 10–100 mm

• délka: 500–6000 mm

• minimální tloušťka stěny:

• stěna kanálu: 1,0 mm

• vnější stěna: 1,5 mm

• drsnost povrchu:

• extrudovaný povrch: ra ≤ 3,2 μm

• obrobený povrch: ra ≤ 1,6 μm

návrhové pokyny a osvědčené postupy

návrh průtokového kanálu

• hydraulický průměr: 4–8 mm

• poměr stran: ≤ 10:1

• poloměr ohybu: ≥ 1,5× šířka kanálu

• provedení vstupu/výstupu ve tvaru zvonu

• volitelné vnitřní žebra pro lepší přenos tepla

konstrukční návrh

• rovnoměrná tloušťka stěny

• výztužná žebra na kritických místech

• bezpólové montážní uspořádání

• přídavek na tepelnou roztažnost

strategie výběru materiálu

• všeobecné použití: 6063-t5

• vysoce výkonné aplikace: 6061-t6

• náročné prostředí: dodatečné nátěry

optimalizace nákladů

• normalizovaných průřezů

• vylepšené využití materiálu

• snížené sekundární obrábění

• úspory z rozsahu v hromadné výrobě

Díky své jednodílné extrudované struktuře, nízkému riziku úniku, vysoké spolehlivosti a vynikající nákladové efektivitě hrají extrudované kapalinové chladicí desky nezastupitelnou roli v aplikacích chlazení s vysokou hustotou výkonu. S růstem odvětví, jako jsou elektromobily, datová centra, 5G komunikace a obnovitelné zdroje energie, se zakázkové chladicí desky a jejich řešení budou vyvíjet směrem k vyššímu výkonu, nižší hmotnosti a inteligentnějšímu řízení teploty – a poskytovat tak robustní a škálovatelná řešení pro kapalinové chladicí systémy nové generace.