{"id":37972,"date":"2026-09-07T02:46:59","date_gmt":"2026-09-07T02:46:59","guid":{"rendered":"https:\/\/trumonytechs.com\/?p=37972"},"modified":"2026-09-07T02:46:59","modified_gmt":"2026-09-07T02:46:59","slug":"liquid-cooling-plate-design","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.trumonytechs.com\/it\/liquid-cooling-plate-design\/","title":{"rendered":"Progettazione di piastre di raffreddamento a liquido: strutture e compromessi"},"content":{"rendered":"

La progettazione di una piastra di raffreddamento a liquido consiste nell'abbinare la struttura della piastra, il materiale e il percorso del flusso interno a tre obiettivi fissi: il carico termico del pacco batteria, il requisito di uniformit\u00e0 della temperatura e la caduta di pressione consentita dalla pompa e dal sistema. Una volta definiti questi tre parametri, le scelte relative alla struttura e ai materiali che ne conseguono diventano compromessi giustificabili, non scelte predefinite ereditate per caso. L'ambito di questa trattazione riguarda le piastre di raffreddamento per pacchi batteria e componenti elettronici di potenza: come vengono realizzate le strutture comuni, come le scelte di materiali e percorsi del flusso influenzano i parametri termici e idraulici e come la piastra si accoppia alle celle. Non vengono trattati il dimensionamento della pompa e dell'unit\u00e0 di distribuzione del liquido di raffreddamento, n\u00e9 l'architettura termica completa del pacco batteria, che si collocano a un livello superiore rispetto alla piastra stessa.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Come funziona una piastra di raffreddamento a liquido nel percorso termico<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

In una piastra di raffreddamento a liquido indiretto, del tipo trattato in questo articolo, il calore non passa mai direttamente dalla cella al liquido refrigerante. La parete della piastra funge da ponte di conduzione tra i due, e la sua funzione \u00e8 determinata dall'interfaccia su una faccia e dal percorso del flusso all'interno. Il calore esce dalla cella, attraversa un materiale di interfaccia termica, si propaga attraverso la parete della piastra e viene trasportato via dal liquido refrigerante che scorre attraverso canali interni tra un ingresso e un'uscita. In questa configurazione indiretta, la piastra non entra in contatto con i componenti chimici attivi della cella. Il calore viene dissipato attraverso questa parete intermedia, che mantiene il liquido refrigerante separato dalle celle e offre la flessibilit\u00e0 di progettazione necessaria agli integratori di batterie. La catena di flusso verificabile \u00e8: involucro della cella \u2192 materiale di interfaccia termica \u2192 parete della piastra \u2192 liquido refrigerante.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

\"Schema<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n

La distinzione da un dissipatore di calore \u00e8 importante nella fase di progettazione, perch\u00e9 i due risolvono problemi diversi. Un dissipatore di calore respinge il calore nell'aria in movimento attraverso una superficie alettata estesa. Una piastra fredda trasferisce il calore in un circuito liquido che trasporta molta pi\u00f9 energia per unit\u00e0 di volume e il differenza tra dissipatore di calore e piastra fredda<\/a> \u00c8 ci\u00f2 che permette ai sistemi di raffreddamento a liquido di rimanere compatti anche in presenza delle elevate densit\u00e0 termiche dei moderni pacchi batteria per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia. La scelta del raffreddamento a liquido si basa solitamente sulla densit\u00e0 termica e sull'uniformit\u00e0 della temperatura, non semplicemente sulla potenza totale.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Strutture a piastra fredda e come vengono realizzate<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

Prima ancora di ottimizzare qualsiasi canale, il processo produttivo definisce gi\u00e0 la maggior parte dei parametri relativi a prestazioni, peso e costi, quindi la famiglia di strutture rappresenta il primo vero punto di svolta nella progettazione. Ogni famiglia comune deriva da un metodo di fabbricazione differente e si colloca in una parte diversa di tali parametri:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n
Struttura<\/th>\r\nCome viene realizzato<\/th>\r\ntendenza termica\/idraulica<\/th>\r\nCosto e peso<\/th>\r\nTipico miglior adattamento<\/th>\r\n<\/tr>\r\n
Stampato<\/td>\r\nDue fogli sagomati sigillati in una cavit\u00e0 di flusso<\/td>\r\nTrasferimento di calore moderato, bassa resistenza al flusso<\/td>\r\nBasso costo, basso peso<\/td>\r\nPacchi batteria ad alto volume<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
Estruso<\/td>\r\nCanali rettilinei a sezione costante formati da un unico estruso di alluminio, solitamente con poche lavorazioni aggiuntive del canale.<\/td>\r\nSezione trasversale fissa, bassa resistenza al flusso<\/td>\r\nBasso costo, basso peso<\/td>\r\nLayout semplici e ripetibili<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
Tubolare<\/td>\r\nTubo di rame o acciaio inossidabile pressato o brasato in una base scanalata<\/td>\r\nTrasferimento di calore moderato<\/td>\r\nConveniente<\/td>\r\nCarichi termici da bassi a moderati<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
Canale lavorato<\/td>\r\nPassaggi fresati o forati in profondit\u00e0<\/td>\r\nPercorsi di flusso personalizzati e non uniformi<\/td>\r\nCosto pi\u00f9 elevato<\/td>\r\nPercorsi personalizzati, altri percorsi non possono formarsi<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
pinna interna brasata sottovuoto<\/td>\r\nDue piastre incollate sopra le alette interne<\/td>\r\nElevata superficie bagnata, elevato flusso di calore, maggiore caduta di pressione<\/td>\r\nCosto pi\u00f9 elevato<\/td>\r\nObiettivi termici piastre pi\u00f9 semplici mancano<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
Pinna scheggiata<\/td>\r\nAlette dense tagliate e sollevate dal metallo di base in un unico pezzo, senza giunzione tra aletta e base.<\/td>\r\nElevato trasferimento di calore, maggiore caduta di pressione<\/td>\r\nCosto pi\u00f9 elevato<\/td>\r\nFlusso termico elevato dove una giunzione rappresenta un problema<\/td>\r\n<\/tr>\r\n<\/tbody>\r\n<\/table>\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n

Leggendo la tabella, si nota che le famiglie si classificano in base ad alcuni massimi decisionali, non a un singolo piatto "migliore". tipi di piastre di raffreddamento<\/a> Compromesso tra densit\u00e0 delle alette e caduta di pressione: i design con alette smussate e interne aumentano il trasferimento di calore a scapito della caduta di pressione, mentre le piastre tubolari ed estruse pi\u00f9 semplici mantengono bassa la resistenza al flusso e i costi laddove le prestazioni di picco non rappresentano un vincolo. piastra fredda tubolare<\/a> Spesso rappresenta il punto di partenza pragmatico quando il carico termico \u00e8 moderato e il budget \u00e8 limitato. Una soluzione con brasatura o sgrossatura giustifica il costo aggiuntivo solo quando l'obiettivo termico non pu\u00f2 essere raggiunto in altro modo.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

\"Confronto<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n

Selezione dei materiali: conduttivit\u00e0, peso e corrosione<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

Per i pacchi batteria, l'alluminio \u00e8 il metallo standard per le piastre di raffreddamento perch\u00e9 offre un buon equilibrio tra conduttivit\u00e0, peso e costo, mentre il rame viene utilizzato solo nei punti con il flusso termico pi\u00f9 elevato. La conduttivit\u00e0 termica dell'alluminio si aggira intorno ai 200 W\/m\u00b7K, mentre quella del rame \u00e8 circa il doppio. Le leghe di alluminio per batterie hanno valori inferiori, generalmente compresi tra 150 e 250 W\/m\u00b7K a seconda della lega specifica. Questi valori vanno considerati come intervalli, non come costanti di progetto: la lega e il trattamento termico determinano il valore reale. Il rame offre una maggiore conduttivit\u00e0 a scapito di peso e costi, motivo per cui viene solitamente utilizzato come inserto locale o in una zona specifica, non come piastra intera.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

La corrosione e la compatibilit\u00e0 del liquido di raffreddamento determinano l'affidabilit\u00e0 a lungo termine tanto quanto la conduttivit\u00e0. Mescolare metalli diversi nello stesso circuito bagnato favorisce la corrosione galvanica e la composizione chimica del liquido di raffreddamento deve corrispondere al metallo della piastra. La disciplina di evitare la corrosione nei sistemi di raffreddamento a liquido<\/a> Ecco perch\u00e9 i progetti si standardizzano su un set di metalli compatibili e un refrigerante controllato. Una miscela di acqua e glicole \u00e8 il fluido di lavoro pi\u00f9 comune. Il rapporto acqua-glicole dipende dalla protezione dal gelo e dalla capacit\u00e0 termica richieste dall'applicazione, non da una ricetta fissa, e spesso all'alluminio viene aggiunto un trattamento superficiale come l'anodizzazione per la resistenza alla corrosione.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Progettazione del percorso di flusso: caduta di pressione rispetto all'uniformit\u00e0 della temperatura<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

Una volta fissati struttura e materiale, il percorso del flusso diventa la leva principale e determina la caduta di pressione rispetto all'uniformit\u00e0 della temperatura, il compromesso centrale nella progettazione delle piastre fredde. I canali serpentini convogliano il refrigerante su tutta l'area di appoggio per uniformare la temperatura superficiale, ma il lungo percorso bagnato aumenta la caduta di pressione. I canali paralleli dividono il flusso per ridurre la resistenza, a rischio di una distribuzione non uniforme e di rami pi\u00f9 caldi. Pin-fin e piastre fredde a microcanali<\/a> Aumentando la superficie e disturbando lo strato limite, si spinge il trasferimento di calore verso l'alto, aumentando al contempo la caduta di pressione; l'obiettivo \u00e8 quindi quello di ottenere un aumento di temperatura al minor costo energetico.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

\"Schema<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n

La geometria del canale determina come si concretizza questo compromesso, quindi deve essere verificata alla portata target e rispetto alla curva della pompa, non trattata come una regola fissa. Modificando il diametro idraulico, il perimetro bagnato o il rapporto d'aspetto del canale, si modificano tre elementi contemporaneamente: il coefficiente di scambio termico, la distribuzione del flusso sull'impronta e la caduta di pressione. La direzione in cui si sposta la temperatura di picco dipende da ci\u00f2 che si mantiene costante, che si tratti di portata, potenza della pompa, numero di canali o area della sezione trasversale. Confermare la direzione con CFD e test del prototipo in base alla portata target e alla curva della pompa; non basarsi su un singolo rapporto geometrico. La ricerca pubblicata sull'ottimizzazione topologica delle piastre fredde riporta riduzioni dell'ordine di 16,9 K della temperatura di picco inferiore rispetto ai progetti convenzionali, ottenute a costo di una maggiore caduta di pressione. Questo numero ci ricorda che i due obiettivi si contrastano a vicenda e devono essere bilanciati rispetto alla curva della pompa. Per i pacchi batteria in particolare, l'uniformit\u00e0 della temperatura tra le celle spesso governa la progettazione pi\u00f9 del singolo punto pi\u00f9 caldo, perch\u00e9 la dispersione da cella a cella determina l'invecchiamento e lo squilibrio, e raggiungere tale obiettivo \u00e8 fondamentale per progettazione di sistemi di raffreddamento a liquido<\/a> per pacchi EV e ESS. In un modulo batteria, il lavoro del percorso di flusso si svolge nell'alluminio piastre di raffreddamento ad acqua<\/a> che trasportano il refrigerante a base di acqua e glicole tra le celle e il circuito. La configurazione dei canali e la distribuzione del refrigerante al loro interno determinano l'intervallo di temperatura raggiungibile.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Adattamento della piastra al formato della cella, allo spazio e alla sollecitazione di assemblaggio<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

La piastra deve adattarsi al formato della cella e all'interfaccia a cui si fissa, quindi la geometria della cella determina la strategia di contatto prima della messa a punto del percorso del flusso. Le celle cilindriche presentano zone di contatto curve e discrete e spesso utilizzano il raffreddamento intercellulare o inferiore; le celle prismatiche e a sacchetto presentano superfici piane che si accoppiano a una piastra piana su un'area pi\u00f9 ampia. L'area di contatto che si pu\u00f2 realisticamente ottenere, non la conduttanza ideale della piastra, determina la quantit\u00e0 di calore effettivamente dissipata dalle celle.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

\"Primo<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n

La planarit\u00e0 della superficie e lo spazio di interfaccia determinano la qualit\u00e0 del contatto. Le piastre e le celle reali non sono mai perfettamente piane, quindi un materiale di interfaccia termica riempie lo spazio e sostituisce l'aria. Il suo spessore, la sua cedevolezza e la sua conduttivit\u00e0 richiesti dipendono dallo spazio misurato, dalle sollecitazioni di assemblaggio che il pacco pu\u00f2 sopportare e dal metodo di automazione utilizzato per l'erogazione o il posizionamento. Un materiale di riempimento troppo rigido trasferisce le sollecitazioni di assemblaggio alle celle; uno troppo sottile non \u00e8 in grado di assorbire l'accumulo di tolleranze. A questo punto, la progettazione della piastra di raffreddamento smette di essere un problema della piastra e diventa un problema di integrazione: lo spazio, le sollecitazioni di assemblaggio e la conduttivit\u00e0 dell'interfaccia sono interconnessi, quindi \u00e8 preferibile specificarli insieme piuttosto che definirli uno dopo l'altro. Trumonytechs fornisce piastre di raffreddamento a liquido insieme a materiali di interfaccia termica abbinati, consentendo di utilizzare entrambi i lati dell'interfaccia come un'unica soluzione termica.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Convalidare il progetto prima di impegnarsi<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

Definisci criteri di accettazione espliciti prima di iniziare la produzione degli stampi, perch\u00e9 un obiettivo mai formalizzato potrebbe non essere raggiunto dalla piastra finita. Le simulazioni termiche e CFD fin dalla fase di progettazione consentono di verificare la temperatura massima, la dispersione termica tra le celle e la caduta di pressione alla portata target prima ancora che la piastra venga realizzata. L'ottimizzazione topologica o parametrica permette quindi di bilanciare la geometria delle alette e dei canali con il budget della pompa, mentre il progetto \u00e8 ancora economicamente vantaggioso da modificare. Definisci prima i criteri di accettazione: temperatura di picco della cella, non uniformit\u00e0 di temperatura ammissibile, caduta di pressione alla portata nominale, planarit\u00e0 della superficie e pressione di rottura o di perdita.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Le verifiche meccaniche e di tenuta vanno eseguite nello stesso processo di quelle termiche. Una piastra di raffreddamento in un pacco batterie deve resistere a vibrazioni, cicli di pressione ed espansione termica senza perdite, quindi \u00e8 fondamentale verificare i requisiti meccanici, di vibrazione e di tenuta applicabili al mercato di riferimento e al pacco batterie prima di affidarsi a una singola specifica. I test di tenuta e di pressione sulla piastra finita chiudono il ciclo avviato dalla simulazione.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Conclusione<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

La progettazione di una piastra di raffreddamento a liquido risulta pi\u00f9 efficace se eseguita in modo sequenziale: definire il carico termico e l'obiettivo di uniformit\u00e0 della temperatura, scegliere una struttura e un materiale adatti a soddisfarli, modellare il percorso del flusso per rispettare il budget di caduta di pressione e solo successivamente validare il tutto rispetto ai criteri di accettazione stabiliti. L'errore ricorrente consiste nel considerare la caduta di pressione e l'uniformit\u00e0 della temperatura come due obiettivi separati, quando in realt\u00e0 rappresentano i due estremi della stessa leva, e nel considerare la piastra finita prima di averne specificato l'interfaccia con le celle. In un pacco batterie, la piastra e il materiale di interfaccia termica costituiscono un unico percorso di calore dalla cella al liquido di raffreddamento. Abbinando la piastra di raffreddamento a un materiale di interfaccia compatibile, entrambi forniti da Trumonytechs, si mantengono costanti il contatto, il percorso del liquido di raffreddamento e lo spazio tra le piastre, il tutto con una singola decisione.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

FAQ<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n

Canali serpentini o paralleli per una piastra di raffreddamento di una batteria: quale soluzione privilegia l'uniformit\u00e0 della temperatura rispetto alla caduta di pressione?<\/h3>\r\n\r\n\r\n\r\n

I canali a serpentina favoriscono l'uniformit\u00e0 della temperatura, mentre i canali paralleli favoriscono una bassa caduta di pressione. Un singolo percorso a serpentina distribuisce il liquido di raffreddamento su tutta la superficie e uniforma la temperatura superficiale, ma la lunga lunghezza bagnata aumenta la caduta di pressione; i canali paralleli dividono il flusso in rami pi\u00f9 corti per ridurre la resistenza, con il rischio di una distribuzione non uniforme e di rami pi\u00f9 caldi. La maggior parte dei progetti di batterie combina i due sistemi o aggiunge il bilanciamento del flusso, scegliendo la combinazione in base al fatto che il vincolo principale sia rappresentato dal budget della pompa o dalla differenza di temperatura tra le celle.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Piastra di raffreddamento in alluminio o in rame per un pacco batterie per veicoli elettrici: quando il sovrappeso \u00e8 giustificato?<\/h3>\r\n\r\n\r\n\r\n

L'alluminio \u00e8 il materiale predefinito; il rame \u00e8 giustificato solo laddove non sia possibile soddisfare un flusso termico locale in altro modo. L'alluminio offre un buon equilibrio tra conduttivit\u00e0, peso e costo, un fattore importante quando la piastra si estende su un intero modulo. Il rame raddoppia approssimativamente la conduttivit\u00e0 di massa, ma aumenta notevolmente peso e costo, quindi di solito viene utilizzato come inserto mirato in una zona calda, non come piastra completa. La decisione finale dipende dal fatto che il problema termico riguardi l'intera piastra o sia localizzato.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Quale metodo di produzione di piastre di raffreddamento si adatta ai miei obiettivi di portata e caduta di pressione?<\/h3>\r\n\r\n\r\n\r\n

Scegli il metodo pi\u00f9 adatto in base alla pressione che l'obiettivo termico impone sul budget di caduta di pressione. Le piastre tubolari ed estruse mantengono basse la resistenza al flusso e i costi per carichi termici moderati; le piastre con canali lavorati consentono percorsi personalizzati e non uniformi; le piastre con alette interne brasate sottovuoto e con alette smussate aumentano il trasferimento di calore per flussi termici elevati, ma comportano una maggiore penalizzazione in termini di caduta di pressione. Inizia con la struttura pi\u00f9 semplice che soddisfi l'obiettivo e passa a strutture pi\u00f9 complesse solo quando ci\u00f2 non \u00e8 possibile.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Come posso mantenere un buon contatto tra le cellule e la piastra, tenendo conto della planarit\u00e0 della superficie e delle sollecitazioni di assemblaggio?<\/h3>\r\n\r\n\r\n\r\n

Specificare il materiale di interfaccia termica in base allo spazio misurato e alla sollecitazione di assemblaggio ammissibile, non solo in base alla piastra. Le piastre e le celle reali non sono perfettamente piane, quindi un materiale di interfaccia che riempie lo spazio sposta l'aria e compensa l'accumulo di tolleranze; il suo spessore, la sua cedevolezza e la sua conduttivit\u00e0 dipendono dallo spazio, dalla sollecitazione che le celle possono sopportare e dal metodo di erogazione o posizionamento. Un materiale di riempimento troppo rigido trasferisce la sollecitazione alle celle, mentre uno troppo sottile non \u00e8 in grado di assorbire l'accumulo, quindi lo spazio e il materiale vengono specificati congiuntamente.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n

Per approfondire<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n