A folyadékhűtő lemezek tervezése során a lemezszerkezetet, az anyagot és a belső áramlási utat három rögzített célhoz kell illeszteni: a csomag hőterheléséhez, a hőmérséklet-egyenletesség követelményéhez, valamint a szivattyú és a rendszer által megengedhető nyomásesés-kerethez. Először rögzítse ezt a hármat, és az azt követő szerkezeti és anyagválasztások olyan kompromisszumokká válnak, amelyeket meg tud védeni, nem pedig véletlenül örökölt alapértelmezett értékekké. A vizsgálat tárgya itt az akkumulátorcsomag és a teljesítményelektronikai hűtőlemezek: hogyan épülnek fel a közös szerkezetek, hogyan befolyásolják az anyag- és áramlási útvonalválasztások a termikus és hidraulikai számokat, és hogyan illeszkedik a lemez a cellákhoz. Nem terjed ki a szivattyú és a hűtőfolyadék-elosztó egység méretezésére vagy a teljes csomag szintű hőarchitektúrára, amelyek egy szinttel feljebb helyezkednek el a lemeztől.
Mit csinál egy folyadékhűtő lemez a hőútban?
Egy indirekt folyadékhűtésű lemezben, amilyet ez a cikk is tárgyal, a hő soha nem jut át közvetlenül a cellából a hűtőfolyadékba. A lemezfal a hővezető híd közöttük, és feladatát az egyik oldalon lévő határfelület és a belüli áramlási út határozza meg. A hő elhagyja a cellát, áthalad egy hővezető anyagon, átvezet a lemezfalon, és a belső csatornákon áthaladó hűtőfolyadék elszállítja a be- és kimenet között. A lemez ebben az indirekt elrendezésben nem érintkezik az élő cella kémiai anyagával. Ezen a közbenső falon keresztül működik, amely elválasztja a hűtőfolyadékot a celláktól, és szabadságot ad a csomagolásnak, amely köré az akkumulátorintegrátorok terveznek. Az ellenőrizhető lánc, amelyhez ragaszkodni kell, a következő: cellaburkolat → hővezető anyag → lemezfal → hűtőfolyadék.
A hűtőbordától való különbség fontos a tervezési szakaszban, mivel a kettő különböző problémákat old meg. A hűtőborda a hőt a kiterjedt bordák felületén mozgó levegőnek adja le. Egy hideg lemez a hőt egy folyadékkörbe juttatja, amely egységnyi térfogatra vetítve sokkal több energiát szállít, és a különbség a hűtőborda és a hűtőlemez között Ez teszi lehetővé, hogy a folyadékhűtéses kialakítások kompaktak maradjanak a modern elektromos járművek és energiatakarékos járművek csomagjainak hősűrűsége mellett. A folyadékhűtés megválasztása általában a hősűrűség és a hőmérséklet-egyenletesség kérdése, nem csupán a teljes teljesítmény kérdése.
Hideglemez-szerkezetek és azok elkészítésük módja
Mielőtt bármilyen csatorna optimalizálásra kerülne, a gyártási folyamat már rögzíti a teljesítmény, a súly és a költségkeret nagy részét, így a szerkezeti család az első igazi tervezési villa. Minden közös család más gyártási módszerből származik, és a keret egy másik részébe kerül:
| Szerkezet | Hogyan készül | Termikus / hidraulikai tendencia | Költség és súly | Tipikus legjobb illeszkedés |
|---|---|---|---|---|
| Bélyeges | Két formázott lemez egy áramlási üregbe zárva | Mérsékelt hőátadás, alacsony áramlási ellenállás | Alacsony költség, kis súly | Nagy kapacitású akkumulátorcsomagok |
| Extrudált | Egyetlen alumínium extrudálással kialakított állandó keresztmetszetű egyenes csatornák, általában kevés hozzáadott csatornamegmunkálással | Fix keresztmetszet, alacsony áramlási ellenállás | Alacsony költség, kis súly | Egyszerű, ismételhető elrendezések |
| Csöves | Réz vagy rozsdamentes cső, csatornás alapba préselve vagy forrasztva | Mérsékelt hőátadás | Költséghatékony | Alacsony vagy közepes hőterhelés |
| Megmunkált csatorna | Mart vagy mélyfuratú átjárók | Testreszabott, nem egyenletes áramlási útvonalak | Magasabb költségek | Egyéni útvonalak, amelyeket más útvonalak nem tudnak kialakítani |
| Vákuumforrasztott belső borda | Két lemez ragasztva a belső bordákra | Nagy nedvesített terület, nagy hőáram, nagyobb nyomásesés | Magasabb költségek | Az egyszerűbb lemezek hőcéljai nem felelnek meg az elvárásoknak |
| Húzottúszójú | Sűrű, egy darabban vágott és felállított bordák az alapfémből, borda-alap illesztés nélkül | Nagy hőátadás, nagyobb nyomásesés | Magasabb költségek | Nagy hőáram, ahol a hézag hátrányt jelent |
Olvassátok le a táblázatot, és a családok válogassatok néhány döntési maximum mentén, ne egyetlen “legjobb” tányér mentén. a hűtőlemezek típusai A bordasűrűség és a nyomásesés közötti különbség: a lekerekített és a belső bordás kialakítás növeli a hőátadást, miközben nyomásesés-büntetést okoz, míg az egyszerűbb csöves és extrudált lemezek alacsonyan tartják az áramlási ellenállást és a költségeket ott, ahol a csúcsteljesítmény nem korlátozó tényező. cső alakú hidegtányér gyakran a pragmatikus kiindulópont, ha a hőterhelés mérsékelt és a költségvetés szűkös. A forrasztott vagy élhajlított kialakítás csak akkor okoz többletköltséget, ha a hőteljesítményre vonatkozó cél más módon nem érhető el.
Anyagválasztás: Vezetőképesség, súly és korrózió
Akkumulátorcsomagok esetében az alumínium az alapértelmezett hideglemez-fém, mivel egyensúlyt teremt a vezetőképesség, a súly és a költség között, a rezet pedig a legnagyobb hőáramú pontokhoz köti vissza. A tömeges hővezető képesség az alumínium esetében körülbelül 200 W/m·K, a réz esetében pedig nagyjából kétszerese ennek. Az akkumulátorminőségű alumíniumötvözetek alacsonyabbak, általában 150–250 W/m·K tartományban vannak, az adott ötvözettől függően. Ezeket tartományokként kezeljük, ne egyetlen tervezési állandóként: az ötvözet és a hőmérséklet határozza meg a valódi számot. A réz meredek súly- és költséghátrányban adja meg a vezetőképességet, ezért általában helyi betétként vagy célzott zónaként jelenik meg, nem pedig egy egész lemezként.
A korrózió és a hűtőfolyadék-kompatibilitás ugyanúgy meghatározza a hosszú távú megbízhatóságot, mint a vezetőképesség. Különböző fémek keverése ugyanabban a nedvesített körben galvánkorrózióhoz vezet, és a hűtőfolyadék kémiai összetételének meg kell egyeznie a lemezfémmel. A ... fegyelmezettsége a korrózió elkerülése folyadékhűtő rendszerekben Ezért szabványosítják a terveket a kompatibilis fémkészlet és a szabályozott hűtőfolyadék tekintetében. A víz-glikol keverék a közös munkaközeg. A víz-glikol arány az alkalmazás által igényelt fagyvédelemből és hőkapacitásból következik, nem egy rögzített receptből, és az alumíniumhoz gyakran felületkezelést, például eloxálást adnak a korrózióállóság érdekében.
Áramlási útvonal tervezése: Nyomásesés vs. hőmérséklet-egyenletesség
Miután a szerkezet és az anyag rögzített, az áramlási útvonal válik a fő karrá, és ez szabályozza a nyomásesést a hőmérséklet-egyenletesség ellen, ami a hideglemezes kialakítás központi eleme. A kígyózó csatornák a teljes felületen elvezetik a hűtőfolyadékot, hogy kiegyenlítsék a felületi hőmérsékletet, de a hosszú, nedvesített útvonal növeli a nyomásesést. A párhuzamos csatornák felosztják az áramlást, hogy csökkentsék az ellenállást, ami egyenetlen eloszlást és melegebb ágakat eredményez. Csapszegélyű és mikrocsatornás hideglapok A felület növelése és a határréteg megzavarása növeli a hőátadást, és ezzel egyidejűleg növeli a nyomásesést is, így a cél a hőmérséklet-növekedés elérése a legalacsonyabb energiaköltséggel.
A csatorna geometriája dönti el, hogy a csere hogyan történik, ezért azt a céláramlási sebességnél és a szivattyúgörbéhez képest kell ellenőrizni, nem pedig rögzített szabályként kezelni. A hidraulikus átmérő, a nedvesített kerület vagy a csatorna oldalarányának megváltoztatásával egyszerre három dolgot mozgatunk meg: a hőátadási együtthatót, az áramlás eloszlását a lenyomat mentén és a nyomásesést. Az, hogy a csúcshőmérséklet melyik irányba halad, attól függ, hogy mit tartunk állandónak, legyen az az áramlási sebesség, a szivattyú teljesítménye, a csatornaszám vagy a keresztmetszeti terület. Erősítsük meg az irányt CFD-vel és prototípus teszteléssel a céláramlási és szivattyúgörbe alatt; ne olvassuk le egyetlen geometriai arányról. A hideg lemezekkel kapcsolatos publikált topológiaoptimalizálási kutatások nagyságrendileg 16,9 K-nel alacsonyabb csúcshőmérsékletről számolnak be a hagyományos kialakításokhoz képest, amit nagyobb nyomásesés árán értek el. A szám arra emlékeztet, hogy a két cél hatnak egymásra, és a szivattyúgörbéhez képest kell egyensúlyba hozni őket. Az akkumulátorcsomagok esetében különösen a cellák közötti hőmérséklet-egyenletesség gyakran jobban meghatározza a kialakítást, mint az egyetlen legforróbb pont, mivel a cellák közötti szórás öregedést és egyensúlyhiányt okoz, és ennek a célnak az elérése központi szerepet játszik a... folyadékhűtő rendszer kialakítása elektromos járművekhez és energiatakarékos akkumulátorokhoz. Egy akkumulátormodulban ez az áramlási útvonal az alumíniumban játszódik le vízhűtő lemezek amelyek a víz-glikol hűtőfolyadékot szállítják a cellák és a hurok között. A csatornaelrendezés és a hűtőfolyadék eloszlása határozza meg az elérhető hőmérséklet-különbséget.
A lemez illesztése a cellaformátumhoz, a résmérethez és az összeszerelési feszültséghez
A lemeznek illeszkednie kell a cellaformátumhoz és a csatlakozófelülethez, így a cella geometriája határozza meg az érintkezési stratégiát az áramlási útvonal finomhangolása előtt. A hengeres cellák görbe, különálló érintkezési zónákat mutatnak, és gyakran cellák közötti vagy alsó hűtést alkalmaznak; a prizmás és tasakos cellák sík felületeket mutatnak, amelyek nagyobb területen illeszkednek a sík lemezhez. A reálisan elérhető érintkezési terület, nem pedig a lemez ideális vezetőképessége határozza meg, hogy mennyi hő távozik valójában a cellákból.
A felület síklapúsága és a határfelületi rés dönti el, hogy az érintkezés megfelelő-e. A valódi lemezek és cellák soha nem tökéletesen síkak, ezért a hővezető anyag kitölti a rést és kiszorítja a levegőt. A szükséges vastagsága, rugalmassága és vezetőképessége a mért résből, a réteg által elviselhető összeszerelési feszültségből, valamint az adagoláshoz vagy elhelyezéshez használt automatizálási módszerből következik. A túl merev réstöltő az összeszerelési feszültséget a cellákba viszi át; a túl vékony nem tudja elnyelni a tűréshatárokat. Ezen a ponton a hideglemezes kialakítás már nem lemezprobléma, hanem integrációs problémává válik: a rés, az összeszerelési feszültség és a határfelületi vezetőképesség összefügg, így a legjobb, ha együtt határozzák meg őket, ahelyett, hogy egymás után rendeznék el őket. Az Trumonytechs folyékony hideglemezeket szállít a megfelelő hővezető anyagok mellett, ami lehetővé teszi, hogy a határfelület mindkét oldalát egyetlen hőmegoldásként szerezzék be.
A terv validálása a véglegesítés előtt
A szerszámok forgácsolása előtt állítson be explicit elfogadási kritériumokat, mert a soha le nem írt célérték az, amit a kész lemez nem ér el. A tervezési szakaszban végzett termikus és CFD szimuláció lehetővé teszi a maximális hőmérséklet, a cellák közötti hőmérséklet-különbség és a céláramlási sebesség melletti nyomásesés ellenőrzését, mielőtt a lemez létrejönne. A topológia vagy a parametrikus optimalizálás ezután a bordák és csatorna geometriáját a szivattyú költségvetésével összevetve módosíthatja, miközben a terv továbbra is olcsón módosítható. Először írja le az elfogadási kritériumokat: a cella csúcshőmérséklete, a megengedett hőmérséklet-egyenetlenség, a névleges áramlás melletti nyomásesés, a felület síksága, valamint a szivárgási vagy repedési nyomás.
A mechanikai és tömítési ellenőrzések ugyanabba a kategóriába tartoznak, mint a hővizsgálatok. Az akkumulátorcsomag hideg lemezének szivárgás nélkül kell ellenállnia a rezgésnek, a nyomásciklusnak és a hőtágulásnak, ezért mielőtt egyetlen specifikációra hagyatkozna, ellenőrizze a célpiacára és csomagjára vonatkozó mechanikai, rezgési és tömítési követelményeket. A kész lemez szivárgás- és nyomáspróbája zárja le a szimuláció által megnyitott kört.
Következtetés
A folyadékhűtő lemez kialakítása akkor oldódik meg tisztán, ha sorrendben történik: rögzítjük a hőterhelést és a hőmérséklet-egyenletesség célértékét, kiválasztunk egy olyan szerkezetet és anyagot, amely megfelel ezeknek, alakítjuk az áramlási utat a nyomásesés-keret eléréséhez, és csak ezután validáljuk az írásos elfogadási kritériumok alapján. Az ismétlődő csapda az, hogy a nyomásesést és a hőmérséklet-egyenletesség különálló előnyökként kezeljük, amikor ugyanazon kar két végét jelentik, és a lemezt befejezettnek tekintjük, mielőtt a cellákkal való interfészét meghatároznánk. Egy akkumulátorcsomag esetében a lemez és a hővezető anyag egyetlen hőútvonalként működik a cellától a hűtőközegig. A hűtőlemez és a megfelelő interfészanyag párosítása – mindkettőt az Trumonytechs szállítja – egyetlen döntésként biztosítja az érintkezést, a hűtőközeg útvonalát és a rést.
GYIK
Kígyózó vagy párhuzamos csatornák akkumulátor hideglaphoz, ami nyomásesést cserél a hőmérséklet egyenletességére?
A kígyózó csatornák a hőmérséklet egyenletességét, a párhuzamos csatornák az alacsony nyomásesést segítik elő. Egyetlen kígyózó útvonal vezeti a hűtőfolyadékot a teljes felületen, kiegyenlítve a felületi hőmérsékletet, de a hosszú nedvesített szakasz növeli a nyomásesést; a párhuzamos csatornák rövidebb ágakra osztják az áramlást az ellenállás csökkentése érdekében, ami az egyenetlen eloszlás és a melegebb ágak kockázatával jár. A legtöbb akkumulátor-kialakítás a kettőt ötvözi, vagy áramláskiegyenlítést alkalmaz, a keveréket a szivattyú költségvetése vagy a cellák közötti szórás alapján választva.
Alumínium vagy réz hideglemez egy elektromos autó akkumulátorcsomaghoz, és mikor éri meg a súlykülönbség?
Az alumínium az alapértelmezett; a réz csak ott éri meg a súlyát, ahol a lokális hőáram másképp nem biztosítható. Az alumínium egyensúlyt teremt a vezetőképesség, a súly és a költség között, ami akkor számít, ha a lemez egy egész modult átfog. A réz nagyjából megduplázza a térfogati vezetőképességet, de jelentősen növeli a súlyt és a költségeket, így általában egy forró zónában célzott betétként jelenik meg, nem pedig egy teljes lemezként. Döntsd el az alapján, hogy a hőcélpont az egész lemezt érintő probléma vagy egy lokalizált probléma.
Melyik hideglemez-gyártási módszer illik az áramlási és nyomásesési célomhoz?
A módszert ahhoz igazítsa, hogy a hőterhelés milyen erősen nehezedik a nyomásesés keretére. A csöves és extrudált lemezek mérsékelt hőterhelés esetén alacsonyan tartják az áramlási ellenállást és a költségeket; a megmunkált csatornalemezek testreszabott, nem egyenletes utakat tesznek lehetővé; a vákuumforrasztott belső bordás és a lekerekített bordás lemezek növelik a hőátadást a nagy hőáram érdekében, de nagyobb nyomáseséssel járnak. Kezdje a legegyszerűbb szerkezettel, amely megfelel a célnak, és csak akkor lépjen tovább, ha az nem lehetséges.
Hogyan tarthatom fenn a cella-lemez érintkezést jó állapotban, figyelembe véve a felület síkságát és az összeszerelési feszültséget?
A hővezető határfelület anyagát a mért rés és a megengedett összeszerelési feszültség alapján kell meghatározni, nem csak a lemez alapján. A valódi lemezek és cellák nem tökéletesen laposak, így a rést kitöltő határfelület anyag kiszorítja a levegőt és áthidalja a tűréshatárokat; vastagsága, rugalmassága és vezetőképessége a résből, a cellák által elviselhető feszültségből, valamint az adagolási vagy elhelyezési módszerből következik. A túl merev töltőanyag feszültséget juttat a cellákba, míg a túl vékony töltőanyag nem tudja elnyelni a feszültséget, ezért a rést és az anyagot együtt adják meg.
További olvasmányok
- Fraktál geometriával továbbfejlesztett topológia optimalizálási terv nagy teljesítményű folyadékhűtő lemezekhez (arXiv) — Kutatási előzetes (nem lektorált). Alátámasztja azt az állítást, hogy az áramlási útvonal optimalizálása alacsonyabb csúcshőmérsékletet eredményez nagyobb nyomáseséssel szemben, és számszerűsíti az akkumulátorral kapcsolatos hideglemezek közötti cserét.
- Folyadékhűtő lemez és akkumulátormodul (US Patent 12,261,277) — Amerikai Egyesült Államokbeli szabadalmi engedélyezés, elsődleges kormányzati forrás. Dokumentál egy működő folyadékhűtéses lemezes és akkumulátoros modul tervet és annak csatornaelrendezését, hasznos háttérinformációkat a hideglemez-kiválasztás mögött álló valós struktúrákról.
Kapcsolódó cikkek
- Adatközponti hűtők: Léghűtéses és vízhűtéses berendezések közötti választás — Lefedi a hűtőberendezés hűtési láncban elfoglalt helyét, a hideg lemeztől egy szinttel feljebb.
- Mi az a Rack Manifold? — Elmagyarázza, hogyan osztják el a rack elosztók a hűtőfolyadékot a szerverekhez gyorscsatlakozókon keresztül egy folyadékhűtési körben.
- Hogyan működik a hőcsöves hűtés, és mikor érdemes használni? — Lefedi a passzív hőcsöves szállítást és azokat a tényezőket, amelyek meghatározzák, hogy mikor illik, alternatívát kínálva a folyékony hideglemezes hűtéshez.
- Mi az a hűtőfolyadék-elosztó egység? – Elmagyarázza a hűtőközeg áramlását és a hővisszanyerést kezelő CDU-kat, a hideglemez feletti szivattyú-hurok réteget.
- Hideglemez és hegesztés: Hőkezelés — A folyékony hideg lemezeket és a hegesztést vizsgálja elektromos járművek akkumulátorcsomagjainál, beleértve a hőtágulást és az alumíniumötvözetből készült lemezek illesztését.
