맞춤형 액체 냉각판 설계

귀사의 용도에 맞는 전용 액체 냉각판을 제작할 때의 고려 사항

액체 냉각식 냉각판은 고출력 전자 기기를 위한 탁월한 냉각 기능을 제공하며 표준 제품으로 구매하거나 맞춤 주문이 가능합니다. 특수한 형태 또는 인터페이스 요구 사항이 있거나 극한의 성능 요구 사항이 있는 경우 맞춤형 냉각판이 필요합니다. 극한 성능 요구 사항은 지정된 성능이 전체 냉각판에 고르게 적용될 수 없거나 압력 강하 및/또는 규정에 맞는 냉각판의 비용이 너무 비싼 경우에 발생합니다. 열 지도 또는 열 부하 분포에는 높은 열 부하가 발생하는 영역이 하나 또는 여러 개 존재할 수 있습니다. 표준 냉각판 설계를 제외할 수 밖에 없는 압력 강하 요구 사항, 냉각판 표면 온도 균일성 요구 사항, 특수한 형태 또는 인터페이스 요구 사항 또는 비용 한도가 있는 경우에는 맞춤형 냉각판이 솔루션이 될 수 있습니다. 냉각판 기술, 열 사양 및 설계 프로세스에 수반되는 단계를 이해하면 가능한 최상의 가치를 제공하도록 맞춤형 냉각판 설계를 최적화하는 데 도움이 됩니다.

냉각판 기술

일반적으로성능요구사항에따라냉각판기술및설계옵션이결정되며,냉각판기술에따라 냉각판 비용이 결정됩니다. 일반적으로 냉각판 비용은 성능 향상과 더불어 증가됩니다. 냉각판 기술에는 Press-Lock™ 튜브, Hi-Contact ™, 확장 튜브를 사용하거나 사용하지 않는 건 드릴(Gun-drilled) 방식, 채널 방식 및 내부 핀 포함 브레이징이 있습니다.

다음은 이러한 기술을 냉각판 효율 및 비용 증가 순으로 설명한 것입니다.

• Press-Lock™ 튜브 냉각판- Press-Lock™ 튜브 냉각판은 채널형 알루미늄 사출에 구리 또는 스테인리스강 튜브를 압착한 것입니다(그림 2 참조). 맞춤형 튜브 냉각판은 거의 모든 형태 또는 크기로 설계할 수 있으며, 유체 경로는 최적의 열 성능을 위해 맞춤 설계를 할 수 있습니다. 맞춤식 코팅, 기계 가공, 드릴 및 태핑도 포함될 수 있습니다.
  
  
  
  
• Hi-Contact™ 액체 냉각판- Hi-Contact™ LCP는 냉각판 내에 특허 기술의 압축 튜브 구조를 사용하여 효율적인 열 전달을 제공합니다. 이 기술은 튜브와 냉각 표면 사이의 접촉면을 최적화하여 액체에 최상의 열 전달을 제공합니다. Hi-Contact™ 구조는 열 에폭시 접착선 두께를 최소화하여 알루미늄판에서 튜브로 더 많은 열이 전달되도록 합니다. 튜브는 구리, 알루미늄 및 스테인리스강으로 제작될 수 있으며 응용 분야에 따라 다양한 유체 경로 및 직경으로 맞춤화될 수 있습니다.
  
  
  
  
• 건 드릴(Gun-Drilled) 냉각판- 건 드릴 냉각판은 알루미늄판에 구멍을 뚫고, 필요한 경우 구리 또는 스테인리스강 튜브를 삽입 및 확장하여 제작됩니다. 그 결과 구멍을 뚫거나 태핑이 가능한 이중면 냉각판을 얻게 됩니다. 건 드릴 냉각판은 또한 튜브 냉각판보다 더 작은 오차(tolerance)가 가능하므로, 특별히 평탄도 요구 사항을 충족하는 데 유용한 것이 장점입니다(그림 3).
  
  
  
  
• 채널 냉각판- 채널 냉각판에는 여러 채널를 가진 압출 제품이 있고 또한 기계 가공 채널이나 기타 방식으로 형성된 채널의 제품이 있습니다. 압출 제품은 직선 채널만 제공할 수 있지만 기계 가공 및 그 외의 새로운 금속 절단 방식을 이용하면 훨씬 더 효율적인 형상을 만들 수 있습니다. 채널 냉각판은 다양한 길이로 제조될 수 있으며 사다리 구조로 조립되거나 큰 면적의 냉각을 위해 베이스판에 통합될 수 있습니다(그림 4). 이 제품들은 모두 추가적인 보호를 위해 컨버전 코팅 또는 양극산화 처리가 가능합니다. 다양한 범위의 필수 임피던스, 압력 강하 및 흐름을 위한 몇 가지 패턴이 개발되어 있습니다(그림 5).
  
  
  
  
  
  
• 내부 핀 브레이징 냉각판- 내부 핀 브레이징 냉각판은 내부 핀(fin)을 이용하여 금속학적으로 결합된 두 개의 판으로 구성됩니다. 이 냉각판은 다양한 핀 밀도 및 형상(평면, 루버형, 랜스 오프셋 등)으로 진공 브레이징될 수 있습니다. CP30 냉각판의 핀과 같은 이 내부 핀은 중요한 열 전달 표면을 추가하며 흐름에 난기류를 추가합니다. 브레이징 냉각판은 일반적으로 설계에 있어 가장 높은 유연성을 가지고 있습니다(그림 6 참조).
  
  
  
  

다양한 냉각판 기술을 제공하는 냉각판 공급업체/제조업체를 선택하면 비용 효과가 높은 열 솔루션을 찾을 수 있습니다.

액체 냉각판 설계에 필요한 열 관련 주요 고려 사항

냉각판 열 사양

네 종류의 냉각판 기술 외에, 다음과 같은 네 가지의 열 요구 사항 시나리오가 있습니다.

• 균일 열 플럭스, 고정 유량, 최대 압력 강하 1회, 1가지의 최대 표면 온도- 열 시나리오 1번에는 균일한 입력 열 플럭스, 고정 유량, 1회의 지정된 최대 압력 강하(고정 유량으로 제한되어 있음), 1가지로 지정된 최대 표면 온도(균일할 필요가 없음)가 있습니다.


• 1번과 동일한 조건이나 열 플럭스가 비균일한 경우- 열 시나리오 2는 시나리오 1과 같은 조건이지만 열 부하가 균일하지 않고 변동됩니다. 열 부하는 구성 부품 내, 또는 특정 영역의 몇몇 위치에 집중되어 있습니다.


• 1번과 동일한 조건이나 최대 표면 온도가 변하는 경우- 열 시나리오 3번은 시나리오 1과 같은 조건이지만, 일반적으로 냉각판의 개별 부품 위치에서 지정 최대 표면 온도에 변동이 있습니다.


• 1, 2 또는 3번과 같은 조건이지만 표면 온도 균일성이 필요한 경우- 열 시나리오 4에서는 열 사양이 시나리오 1, 2 또는 3과 같을 수 있지만 전체 냉각판 또는 특정 부품에서 최대 표면 온도가 균일해야 한다는 추가 요구 사항이 있습니다. 예를 들어, 두 가지 유형의 부품이 하나의 냉각판에 장착될 때 각 유형에서 공통적인 부품에는 온도 일관성이 요구됩니다. 그러나 두 유형의 최대 표면 온도는 서로 다를 수 있습니다.

냉각판시나리오2와3은맞춤형냉각판설계에서가장일반적으로 접하게 되는 시나리오입니다. 시나리오 1~4는 복잡성 및 비용 증가순으로 나열되어 있습니다.

특정 사양에 따라 맞춤형 냉각판을 설계할 때 대부분의 열 전문가가 취하는 논리적인 단계는 열 지도를 정의하고, 액체 회로 개념을 생성하고, 온도 상승 및 압력 강하를 계산하고, 필요한 경우 액체 경로를 재지정하는 것입니다.

열 지도 정의하기

몇 가지의 열 시나리오가 가능한 상태에서 맞춤식 냉각판 설계의 첫 단계는 세부적인 열 지도를 정의하는 것입니다. 열 지도를 생성하기 위해서는, 엔지니어가 냉각할 부품의 치수, 위치 및 열 부하를 파악해야 합니다. 또한 최대 허용 냉각판 표면 온도, 냉각수 성분, 유량, 흡입구 온도 및 사용 가능한 압력 강하도 알아야 합니다. 그리고 필요한 경우에는 각 부품의 열 플럭스(열 확산 포함)를 계산해야 합니다.

액체 냉각판 설계에 필요한 유체 관련 주요 고려 사항

액체 회로 개념의 생성

다음 단계는 액체 회로 개념의 첫 번째 버전을 생성하는 것입니다. 액체 회로는 가장 높은 열 플럭스와 액체 회로에서 가장 열 플럭스가 높은 부품 및 그 뒤에 따르는 각 부품의 냉각에 필요한 성능을 제공해야 합니다. 그 뿐 아니라 이러한 성능을 지정된 유량 및 허용되는 압력 강화와 함께 제공해야 합니다. 때로는 액체 직렬 경로의 비균일한 폭, 개별 부품 아래의 서로 다른 핀 밀도, 다양한 핀 높이 및 유형을 조정하는 기술을 사용하여 성능 및 압력 강하에 대한 다양한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 핀의 형상과 높이는 "핀 효율", 즉 열이 액체에 얼마나 잘 전달되는가 하는 것을 결정합니다.

때로는 고열 플럭스 부품의 형태(예: 크기가 큰 원형 구조)로 인해 경로 폭 전체의 자연적인 균일 유량 분포를 강제적인 비균일 방식으로 변경해야 할 수도 있습니다. 이를 위해서는 서로 다른 길이의 핀을 사용하거나, 경로 폭 전체에 걸쳐 서로 다른 핀 밀도를 사용해야 합니다. 그리고 다음 부품으로 이동하기 전에 일부 액체 균등화 풀(pool, 예: 믹싱 풀)을 설계해야 합니다. 또한 액체 분포에 관련된 문제를 해결하기 위해, 유체 경로에 있는 섬(islands)을 이용하여 부품 장착을 지원해야 할 수도 있습니다. 위에 언급된 복잡한 사항으로 인해 핀 조각 수 증가, 공간의 다양한 깊이, 다양한 핀 성형 장비 설정, EDM 절단 등이 필요해지면 냉각판의 비용이 증가될 수 있습니다.

온도 및 압력 강하 계산(세부 설계 단계)

액체 회로 개념의 기초가 정리되었으면 각 부품 아래의 최대 표면 온도를 계산하고 총 압력 강하를 계산하여 열 지도를 검증해야 합니다. 또한 모든 주요 열 영역이 모델링되어야 합니다. 이러한 요구 사항 중 하나라도 충족이 되지 않는다면, 액체 회로를 재작업하고 다시 계산을 실행해야 합니다.

액체 회로 경로 재지정

냉각판에 다양한 최대 표면 온도가 필요하며(예: 열 시나리오 3번) 일반 액체 회로가 사양을 충족하지 않는 경우, 가장 온도가 낮은 액체를 제일 먼저 주요 장치로 보내거나 액체가 이러한 부품으로 직접 우회하도록 액체 회로의 경로를 재지정해야 합니다.

온도 비균일성

냉각판 요구 사항이 열 시나리오 4번에서와 같이 최대 표면 온도 및 온도 균일성을 지정하는 경우, 설계 프로세스는 더욱 복잡해집니다. 동일한 부품의 최대 표면 온도에 대한 균일성을 제공하는 가장 간단한 솔루션은 유사한 병렬 액체 경로의 유사한 지점에 부품을 배치하는 것입니다. 이렇게 하면 이러한 부품에 충분한 유량으로 공통의 온도를 가진 액체를 제공하는 회로를 얻을 수 있습니다. 냉각판 전체에 걸쳐 균일한 표면 온도를 제공하는 데 사용되는 또 다른 기법은 역류 구조를 사용하는 것입니다(그림 2). 여러 병렬 채널 구조를 가진 냉각판의 한 면 또는 양면에서 두 번째 채널마다 반대 방향의 흐름이 구성됩니다. 단일면 로딩 방식 또는 박막 냉각판에서는 이러한 접근 방식이 표면 온도 기울기를 상당히 감소시킬 수 있습니다. 두 개의 개별 액체층을 구성하는 방식으로도 유사한 효과를 얻을 수 있습니다.

복잡성 및 비용 감소

특정 열 요구 사항과 기계적 요구 사항이 액체 회로의 경로를 비논리적으로 만들어서 냉각판의 복잡성과 비용이 높아지는 경우가 있습니다. 예를 들어, 사전에 결정된 장착 구멍의 위치가 있는 경우에는 액체 회로가 고정된 부품과 유체 입구 및 출구 위치를 우회해야 하므로 액체 회로의 옵션이 상당히 제한되는 경우가 많습니다. 일반적으로 설계의 유연성이 높을수록 냉각판 제작이 용이하고 더 많은 비용을 절감할 수 있습니다. 열 엔지니어는 인쇄 회로 기판 설계자 또는 전기 엔지니어와의 긴밀한 협력을 통해 부품의 간격과 위치에 대한 입력을 제공함으로써 전기 및 열 요구 사항 모드를 고려한 설계를 보장할 수 있습니다. 이렇게 하면 냉각판 설계를 대폭 간소화하고 비용을 절감할 수 있습니다. 냉각판 비용에 대한 자세한 정보는 당사의 애플리케이션 노트 "냉각판 제작 비용 동인"을 참조하십시오.

까다로운 열 요구 사항 및 기계적 요구 사항을 충족하는 맞춤형 냉각판 솔루션을 제작하려면 다양한 설계 기법에 대한 이해가 필요합니다. 맞춤형 냉각판 설계에 가능한 수천 가지의 순열을 고려하려면 고도의 엔지니어링 기술이 필수입니다. 입구 및 출구 위치의 유연성, 올바른 유체 회로 경로 지정, 핀 또는 채널의 사용은 적용 분야에 최상의 가치를 제공하는 열 솔루션을 생성하는 데 도움이 됩니다. 열 부하가 더욱 집중되고 냉각을 위한 공간이 갈수록 작아지는 환경에서, 맞춤형 냉각판은 적용 분야 고유의 액체 냉각 요구를 수용하기 위해 더욱 많이 사용될 것입니다. Boyd Corporation의 열 사업부인 Aavid는 인쇄 회로 기판 및 기타 전자 장치를 위한 맞춤형 냉각판 설계 및 제조에 수십 년의 경험을 보유하고 있으며, 또한 높은 열 성능 요구 사항 및 비용 한도를 충족하거나 초과 달성하고 있습니다.