Design Térmico - Walmate Térmico

O que é um projeto térmico?

O projeto térmico pode ser definido como uma abordagem sistemática de projeto implementada durante a fase inicial do planejamento do gerenciamento térmico. Sua essência reside no aproveitamento de ferramentas avançadas de software para conduzir análises abrangentes de simulação auxiliadas por computador, com o objetivo final de gerar dados teóricos confiáveis. Na prática, esse método começa pela identificação de variáveis-chave que influenciam o desempenho térmico, como os parâmetros materiais e estruturais dos dissipadores de calor, o projeto do canal de fluxo das placas de resfriamento a líquido, a velocidade de rotação e o volume de ar dos ventiladores, bem como as propriedades dos materiais, a intensidade da fonte de calor e as condições ambientais. Os engenheiros então ajustam e definem esses diversos parâmetros no software de simulação, criando múltiplos cenários virtuais que imitam ambientes operacionais do mundo real — por exemplo, testando o impacto de diferentes dissipador de calor tamanhos em temperaturas locais ou alterando a combinação de taxas de fluxo de refrigerante em placas de refrigeração líquida e potência operacional do ventilador para observar mudanças na eficiência geral de dissipação de calor do sistema.

O objetivo do projeto térmico.

O objetivo do projeto térmico é identificar riscos potenciais de superaquecimento do chip e encontrar soluções ideais. Envolve o uso de cálculos de software para auxiliar na prototipagem do produto, verificar os resultados por meio de testes finais e otimizar ainda mais com base nessas descobertas. No entanto, muitos engenheiros — especialmente os iniciantes — não têm clareza sobre os motivos para conduzir o projeto térmico e a simulação. Frequentemente, eles começam a trabalhar apenas para concluir tarefas sem primeiro compreender os objetivos e requisitos. Essa abordagem leva a problemas como a ausência de condições necessárias ou o uso de métodos incorretos, resultando em perda de tempo significativa. Em última análise, eles podem até questionar a validade de seus resultados. Assim, o objetivo final do projeto térmico para produtos eletrônicos é refinar continuamente a solução ideal do projeto por meio de cálculos teóricos, análises de simulação e testes experimentais. Isso garante a operação estável a longo prazo dos produtos eletrônicos, evitando mau funcionamento do equipamento causado pelo superaquecimento dos componentes.

A importância e o valor do design térmico.

Em outras palavras, por que precisamos realizar análises de simulação de projeto térmico? Isso se reflete principalmente em três aspectos: redução de custos, encurtamento dos ciclos de pesquisa e desenvolvimento e melhoria da confiabilidade e competitividade do produto. A redução de custos se manifesta principalmente na redução do custo de amostragem de ida e volta e do tempo gasto em testes repetidos. Encurte o ciclo de pesquisa e desenvolvimento, valide rapidamente soluções de dissipação de calor (como layout de dutos e seleção de materiais) em ambientes virtuais e reduza o número de tempos de amostragem. Uma determinada empresa estendeu o tempo de proteção contra fuga térmica de 58 segundos para 220 segundos por meio de simulação, sem a necessidade de produção de testes repetida. Melhore a confiabilidade e a competitividade do produto. Sabemos que, se houver defeitos de projeto ou problemas de seleção, isso levará à operação anormal do equipamento. Se pudermos entender os defeitos de projeto com antecedência, identificar as áreas termicamente fracas dos componentes eletrônicos dentro do equipamento e otimizar e aprimorar seu projeto, isso aumentará significativamente a confiabilidade do produto em ambientes adversos e aumentará sua competitividade.

A Walmate pode ajudar os clientes a fazer um projeto térmico de dissipador de calor.

Somos capazes de fornecer aos clientes serviços de design térmico para dissipadores de calorNormalmente, quando um cliente seleciona um chip, seus engenheiros podem nos fornecer as especificações do chip, como sua potência térmica em watts. Nossos engenheiros então realizam cálculos teóricos para determinar a solução de dissipador de calor apropriada. O tamanho do dissipador de calor é amplamente determinado por esses cálculos. Para chips com alto consumo de energia, frequentemente consideramos soluções de convecção forçada. Por outro lado, para chips de baixa potência, projetos de convecção natural geralmente são suficientes. Por meio desses cálculos teóricos, podemos aproximar o comprimento, a largura, a altura e a área de superfície necessários do dissipador de calor. Em seguida, simulamos diferentes vazões de ar e pressões para calcular a temperatura máxima que o chip atingiria quando emparelhado com o dissipador de calor projetado. Essa abordagem de projeto teórico ajuda os clientes a economizar tempo e custos significativos de desenvolvimento, evitando tentativas e erros desnecessários com protótipos físicos.

A Walmate pode ajudar os clientes a fazer um projeto térmico de placa de resfriamento líquido.

Da mesma forma, também podemos projetar uma solução térmica envolvendo placas de refrigeração líquida para os clientes. Quando o chip de um cliente opera em níveis de potência extremamente altos - excedendo a capacidade de resfriamento de dissipadores de calor convencionais emparelhados com ventilador, recorremos a placas de resfriamento líquido, aproveitando o alto calor específico da água. Este projeto permite que a água ou o líquido de arrefecimento circulem pelo interior da placa de resfriamento líquido, transferindo e dissipando efetivamente grandes quantidades de calor: o calor gerado pelo chip é absorvido pelo líquido de arrefecimento, que é então bombeado por uma bomba de água para remover a energia térmica acumulada. Ao projetar tais placas de resfriamento líquido, partimos dos requisitos teóricos de potência para criar uma solução adequada, incluindo o projeto de microcanais na área diretamente abaixo do chip. Por meio de ajustes repetidos de parâmetros e simulações, podemos atingir a temperatura alvo especificada pelo cliente. Essa abordagem também economiza custos e tempo de desenvolvimento significativos. O projeto térmico é, portanto, crucial no desenvolvimento de placas de resfriamento líquido, especialmente considerando os altos custos de fabricação desses componentes. Ao utilizar software para simulação e análise, podemos reduzir drasticamente as despesas com pesquisa e desenvolvimento, tornando o processo eficiente e econômico.

Perguntas frequentes sobre design térmico

Como fazer um projeto térmico de dissipador de calor?

Ao projetar uma análise térmica para um dissipador de calor, geralmente é necessário esclarecer se é para convecção natural ou forçada. No caso de convecção natural, o dissipador de calor deve levar em conta o espaço entre as aletas, que é o espaço para troca de calor por radiação. Enquanto isso, também devemos considerar a gravidade e a radiação como parâmetros. Portanto, no projeto térmico, esses dois parâmetros – gravidade e radiação térmica – são de grande importância. Normalmente, a superfície do dissipador de calor deve ser preta, com sua emissividade geralmente definida em 0.8. Por outro lado, para um dissipador de calor de convecção forçada, a curva PQ do ventilador deve ser analisada usando o modelo importado do sistema. Nesse cenário, a radiação e a gravidade não precisam ser consideradas para o dissipador de calor. Em resumo, esses dois fatores são geralmente as considerações mais importantes ao projetar um dissipador de calor.

Como fazer um projeto térmico de placa de resfriamento líquido?

Ao projetar uma placa fria para líquidos, geralmente precisamos considerar seu material e a necessidade de microcanais – o que é determinado pela densidade de potência dentro da área limitada. Simplificando, se uma área de 100x100 precisa lidar com uma potência térmica superior a 1 quilowatt, o projeto de microcanais na parte inferior da fonte de calor é essencial. Isso permite que o líquido de resfriamento troque calor completamente com os microcanais, dissipando efetivamente grandes quantidades de calor. Portanto, no projeto de uma placa fria para líquidos, o projeto do canal de fluxo é uma consideração fundamental. Também é necessário levar em consideração o comprimento total do canal de fluxo, com atenção especial a dois parâmetros cruciais: diferença de pressão e resistência ao fluxo. Esses parâmetros são vitais para o chiller do usuário final. Em conclusão, precisamos avaliar de forma abrangente esses três aspectos (material, necessidade de microcanais e parâmetros relacionados ao canal de fluxo) para obter um projeto ideal.

Como fazer um projeto térmico de dissipador de calor com tubo de calor?

Ao projetar um dissipador de calor com tubo de calor, geralmente precisamos determinar a potência de aquecimento e selecionar tubos de calor com diâmetros apropriados. Por exemplo, diâmetros como 6 mm, 8 mm ou 9.52 mm são comumente usados. Se a potência for baixa e a área for relativamente grande – ou seja, houver espaço suficiente para a disposição dos tubos de calor – geralmente podemos escolher tubos de calor com um diâmetro externo de 6 mm. Se o espaço for limitado, precisamos selecionar tubos de calor com um diâmetro maior, como 9.5 mm. Isso ocorre porque tubos de calor de diferentes diâmetros podem transportar diferentes quantidades de calor dentro de um comprimento efetivo. Portanto, ao definir a condutividade térmica dos tubos de calor, com base na experiência, a definimos para 12,000 - 15,000 W/(m·K). Isso é bastante próximo dos valores dos parâmetros em aplicações práticas, com pouca diferença. A única diferença é que, em aplicações reais, há a influência da gravidade. É por isso que há uma diferença relativamente grande entre a simulação de calor dos tubos de calor e a situação real. Portanto, isso deve ser evitado ao máximo durante o processo de projeto. O impacto da gravidade nos tubos de calor em uso prático posterior deve ser considerado desde o início.

Como fazer um projeto térmico de dissipador de calor com aletas raspadas?

Ao projetar um dissipador de calor com aletas desbastadas, o material é uma consideração fundamental. Por exemplo, a condutividade térmica do alumínio 1060 é normalmente definida em 240 W/(m·K), enquanto a do alumínio 6063 é geralmente de 187 W/(m·K). Consequentemente, precisamos otimizar a espessura, a altura e o espaçamento das aletas para encontrar os parâmetros ideais. Se o dissipador de calor for necessário para lidar com potência ultra-alta, como acima de 1 quilowatt, a espessura das aletas deve, teoricamente, ser maior que 1.0 mm. Quando a altura das aletas excede 100 mm, devido ao tamanho excessivo, é necessária espessura suficiente para garantir a transferência de calor da parte inferior para a parte superior das aletas. Nesses casos, geralmente definimos a espessura das aletas em 1.5 mm e, em seguida, ajustamos o espaçamento de acordo. Teoricamente, um espaçamento ideal entre as aletas pode estar entre 1.0 mm e 2.5 mm no projeto, mas, na prática, uma espessura de 1.5 mm é necessária para garantir que o calor possa ser conduzido para a parte superior das aletas. É claro que um projeto preciso de dissipador de calor requer uma análise de dados abrangente com base em aplicações práticas.

Quais são os níveis típicos de projeto térmico?

As simulações de projeto térmico geralmente se dividem em quatro níveis. O primeiro é a simulação em nível de sistema, que se concentra na análise térmica de todo o sistema, como grandes gabinetes ou equipamentos, envolvendo a simulação e a análise do campo de temperatura geral e do campo de fluxo de fluidos. Esse tipo de análise geralmente é complexo. Por exemplo, ao lidar com um grande gabinete de inversor, que gera uma quantidade significativa de calor, a simulação precisa considerar o impacto de cada fonte de calor em todo o sistema. Em seguida, vem a simulação em nível de placa ou módulo. Isso geralmente se refere à análise da distribuição de calor em um único dissipador de calor, análise de temperatura dentro de um módulo e simulação de temperatura dos componentes. A chave aqui é focar na análise térmica de grandes módulos de alta potência. Em seguida, há a simulação em nível de PCB. Geralmente envolve a simulação do layout das trilhas de cobre na PCB e da temperatura dos chips na placa. Em outras palavras, ao projetar uma PCB, a racionalidade do roteamento das trilhas na parte inferior da placa e o posicionamento de cada componente são analisados. Como há uma película de cobre na PCB, se o projeto for muito concentrado, o calor gerado afetará outros componentes. Portanto, uma análise de simulação de PCB razoável é muito útil para engenheiros eletrônicos, pois pode orientá-los a organizar o layout do PCB corretamente. A última é a simulação em nível de CI. Este nível se concentra na análise do campo de temperatura dentro de um chip, ou seja, a distribuição dos componentes geradores de calor dentro de um chip, o que é crucial para engenheiros de encapsulamento. Eles podem analisar o calor gerado por milhares de chips empilhados nesta fase. No entanto, a simulação em nível de CI ou chip é muito difícil para engenheiros de projeto preliminar. Isso ocorre porque as fábricas de encapsulamento geralmente não fornecem parâmetros como a potência real dentro do chip. Somente gigantes da indústria como Intel, IBM, IMD ou NVIDIA conduzem tais análises. Em geral, a maioria das simulações que realizamos são em nível de CI, PCB, módulo e sistema. Cada engenheiro tem diferentes áreas de foco, portanto, suas prioridades de trabalho também variam.

Como otimizar o design térmico de um dissipador de calor?

A otimização do projeto de um dissipador de calor geralmente começa com a potência do chip para determinar a espessura da base do dissipador, o que é crucial. Quando a potência é alta (acima de 1 quilowatt), a espessura da base deve ser superior a 12–15 mm. Em seguida, otimizar a espessura, a altura e a quantidade de aletas é igualmente importante. Por exemplo, se o comprimento das aletas exceder 300 mm, é teoricamente aconselhável dividi-las ao meio. Isso cria um fluxo de ar turbulento, aumentando assim a eficiência da dissipação de calor. Outro aspecto fundamental é a otimização do duto de ar: reduzindo a resistência do vento dentro do duto e evitando curtos-circuitos do fluxo de ar (como a formação de redemoinhos) que desperdiçariam uma quantidade significativa de volume de ar. Além disso, o tamanho e a posição das aberturas de entrada e saída são importantes, especialmente no nível do sistema. Uma abertura bem projetada permite que o fluxo de ar passe com eficiência, ajudando a manter uma temperatura razoável em todo o sistema. No entanto, o tamanho da abertura também deve considerar outros fatores ambientais, como a prevenção de poeira, tornando-se um processo de projeto complexo.

Como otimizar uma placa resfriada a líquido durante o projeto térmico?

Ao otimizar e simular o projeto de uma placa fria para líquidos, geralmente é necessário considerar todo o sistema de resfriamento, incluindo o refrigerante, o fluido, a placa fria para líquidos e a bomba d'água. O primeiro parâmetro envolve a seleção de um refrigerante apropriado. Opções como etilenoglicol misturado com água, propilenoglicol misturado com água, etanol misturado com água, metais líquidos ou água pura são comumente consideradas. A escolha do refrigerante é crucial para todo o sistema de circulação. Estruturalmente, precisamos levar em consideração os requisitos de desempenho da troca de calor. Ou seja, sob as condições definidas de vazão e diferença de temperatura entre a entrada e a saída, buscamos melhorar a eficiência da troca de calor. Além disso, os requisitos de resistência à pressão e resistência estrutural da superfície da placa fria para líquidos devem ser considerados. No processo de projeto, a espessura da placa fria deve ser otimizada. Outros fatores, como requisitos anticorrosivos e antivazamento, também precisam ser considerados. Durante o projeto térmico, o projeto da tampa da placa fria e das faces superior/inferior deve ser levado em consideração. Se for utilizada uma faixa de vedação, sua resistência deve ser considerada; no caso de soldagem, a dificuldade real do processamento deve ser avaliada. Por fim, um esquema de projeto razoável deve ser desenvolvido e processos de produção otimizados devem ser adotados para reduzir custos. Todos esses fatores devem ser considerados no projeto térmico.

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