Proceso de fabricación de placas de refrigeración líquida extruida

Las placas de refrigeración líquida extruidas son componentes integrados de gestión térmica fabricados mediante procesos de extrusión de aleación de aluminio. Estas placas utilizan fluidos refrigerantes líquidos, como agua, mezclas de agua y glicol o fluidos fluorados, para lograr un intercambio de calor eficiente.

La característica principal de esta tecnología de refrigeración líquida por placa fría es la formación de canales de flujo internos cerrados o multicavidades dentro de un único perfil de aluminio extruido. Esta estructura proporciona baja resistencia al flujo, alta tolerancia a la presión, diseño compacto y coste controlado, lo que la convierte en una solución muy utilizada en electrónica de alta densidad de potencia, baterías, refrigeración líquida para servidores y electrónica de potencia.

Es fundamental comprender el funcionamiento de las placas de refrigeración líquida: el calor se conduce desde la fuente de calor al interior de la placa, se transfiere a los canales internos de flujo de líquido y, finalmente, se disipa por convección forzada. En comparación con las placas de refrigeración tubulares o soldadas, los diseños extruidos ofrecen mayor integridad estructural y menor riesgo de fugas.

características técnicas principales

• one-piece extruded flow channels
  seamless internal channels formed during extrusión 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 diseño de canales de flujos
  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
  Presión de rotura: ≥ 3,0 mpa

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

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

escenarios de aplicación típicos

• Sistemas de placas de refrigeración por agua para paquetes de baterías de vehículos eléctricos

• Placas de refrigeración para CPU/GPU de servidores electrónicos

• sistemas de refrigeración láser de alta potencia

• Refrigeración de la placa fría del módulo de potencia y del IGBT

• Gestión térmica del sistema de almacenamiento de energía

proceso de fabricación de placas de refrigeración líquida extruida

1. Etapa de preparación de la materia prima

Selección de lingotes de aluminio → análisis de composición química (espectrómetro) → ensayo de propiedades mecánicas (dureza, resistencia a la tracción) → preprocesamiento (corte, mecanizado de la cara frontal) → almacenamiento del material

• grados de aleación: 6061-t5 / t6, 6063-t5

• Diámetro del tocho: φ100–φ300 mm

• precisión del preprocesamiento:

• Tolerancia de longitud: ±1 mm

• Perpendicularidad de la cara final: ≤ 0,1 mm

2. Etapa de diseño y fabricación del troquel

Diseño del canal de flujo (optimización mediante simulación térmica CFD) → Diseño de la matriz de extrusión (orificios, cámara de soldadura, superficie de apoyo) → Selección del acero de la matriz (acero para herramientas de trabajo en caliente H13) → Mecanizado en bruto CNC → Tratamiento térmico (templado + triple revenido) → Mecanizado de precisión (EDM, corte por hilo) → Pulido (superficie de apoyo Ra ≤ 0,4 μm) → Validación de la extrusión de prueba

Esta etapa determina directamente la geometría interna y el rendimiento de las placas frías líquidas extruidas, diferenciándolas de las estructuras de placas frías líquidas soldadas que dependen de la unión posterior al ensamblaje.

3. Etapa de conformado por extrusión

Precalentamiento del lingote de aluminio (480–520 °C) → precalentamiento de la matriz (450–480 °C) → configuración de los parámetros de extrusión → extrusión del perfil (velocidad 1–5 m/min) → enfriamiento en línea (enfriamiento por aire o niebla) → estirado y enderezado → corte de longitud fija → tratamiento de envejecimiento (condición t5/t6)

El proceso de extrusión permite crear canales de flujo internos uniformes que favorecen un rendimiento estable de la refrigeración líquida de las placas.

4. Etapa de mecanizado de precisión CNC

Mecanizado de la superficie de referencia (establecimiento del sistema de coordenadas) → mecanizado de la cara frontal (apertura del canal de flujo) → mecanizado de la interfaz (puertos de entrada/salida, orificios de montaje) → mecanizado de la superficie de sellado (planitud ≤ 0,05 mm) → desbarbado → inspección de limpieza

requisitos de mecanizado

• ranuras de sellado de la cara final:

• Tolerancia de ancho ±0,02 mm

• tolerancia de profundidad ±0,01 mm

• agujeros roscados:

• precisión 7h

• perpendicularidad ≤ 0,05 mm

• Planitud de la superficie de montaje: ≤ 0,1 mm / 100 mm

• limpieza:

• partículas ≤ 100 piezas/m²

• Residuos de aceite ≤ 10 mg/m²

5. Preparación para el mecanizado y soldadura de la tapa final

Selección del material de la tapa final (aleación igual o compatible) → acabado CNC → acabado de la superficie de sellado (ra ≤ 1,6 μm) → mecanizado de la ranura de soldadura → limpieza (limpieza ultrasónica) → posicionamiento del montaje (dispositivos específicos)

Parámetros de diseño de la tapa final

• Espesor: 3–10 mm (según los requisitos de presión)

• métodos de sellado:

• sellado de la ranura de la junta tórica

• sellado plano

• Sellado completo mediante soldadura

• Opciones de soldadura:

• soldadura por fricción-agitación (FSW)

• soldadura láser

• soldadura TIG

6. Etapa de soldadura y sellado

Selección del proceso de soldadura → montaje de la fijación → configuración de los parámetros de soldadura → ejecución automatizada de la soldadura → tratamiento térmico posterior a la soldadura (alivio de tensiones) → inspección del aspecto de la soldadura

Comparación de procesos de soldadura

• soldadura por fricción-agitación (FSW):
  no filler material, high joint strength, ideal for long straight seams

• soldadura láser:
  small heat-affected zone, high precision, suitable for complex seams

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

7. Pruebas de presión y estanqueidad

• prueba de fugas de helio

• Prueba de presión hidrostática (1,5 veces la presión de trabajo)

• Prueba de presión de rotura (≥ 3 veces la presión de trabajo)

• Prueba de ciclo de presión (100.000 ciclos)

estándares de prueba

• Tasa de fuga: ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s (helio)

• Mantenimiento de la presión: 1,5 mpa × 5 min, caída de presión ≤ 0,01 mpa

• Presión de rotura: ≥ 3,0 mpa

• Ciclos de presión: 0,2–1,0 MPa, 100.000 ciclos sin fugas

8. Etapa de tratamiento de superficie (opcional)

pretratamiento (desengrasado, decapado) → anodizado (natural/negro) → sellado → recubrimientos funcionales → horneado y curado

opciones de tratamiento de superficie

• anodizado:

• espesor 10–15 μm

• rigidez dieléctrica ≥ 500 V

• Recubrimiento de níquel químico:

• espesor 10–20 μm

• mayor resistencia a la corrosión

• ptfe coating:
  improved chemical resistance

• insulating coatings:
  for electrical isolation requirements

9. Proceso de limpieza y secado

Lavado con agua desionizada a alta presión → limpieza ultrasónica (detergente neutro) → enjuague a contracorriente de triple etapa → secado con aire caliente (80–100 °C) → secado al vacío (aplicaciones de alta fiabilidad) → llenado con nitrógeno para la prevención de la oxidación.

estándares de limpieza

• tamaño de partícula: ≤ 50 μm

• Residuo no volátil: ≤ 10 mg/m²

• Contenido de iones cloruro: ≤ 1 ppm

• conductividad: ≤ 5 μs/cm

10. Ensamblaje de accesorios

Instalación de juntas (silicona / FKM / EPDM) → Montaje de racores de conexión rápida → Instalación del sensor de temperatura (opcional) → Instalación del sensor de presión (opcional) → Etiquetado (información del producto y dirección del flujo)

requisitos de accesorios

• Materiales de sellado: EPDM, FKM, silicona (−40 °C a 150 °C)

• Estándares de conectores: DIN, SAE, JIS, BSPP

• Precisión del sensor:

• temperatura ±0,5 °C

• presión ±1% fs

11. Pruebas de rendimiento del producto terminado

Prueba de resistencia térmica (método de fuente de calor estándar) → Prueba de resistencia al flujo (curva de flujo vs. caída de presión) → Prueba de uniformidad de flujo (diseños multicanal) → Prueba de durabilidad (ciclos térmicos y de presión) → Reinspección final de fugas de helio (inspección del 100%)

indicadores de rendimiento

• Resistencia térmica: 0,01–0,05 °C/W (depende del diseño y del caudal)

• Resistencia al flujo: ≤ 50 kPa a 10 l/min (típico)

• Desviación de la uniformidad del flujo: ≤ 10%

• Rango de temperatura de funcionamiento: -40 °C a 120 °C

12. Inspección final y embalaje

Inspección visual → muestreo dimensional (cmm) → preparación de la documentación → embalaje anticorrosión (vci) → embalaje a prueba de golpes → etiquetado de la caja exterior

especificaciones de embalaje

• Protección de unidad individual: bolsa de PE + papel VCI

• Orientación del embalaje: colocación vertical

• Contenido de la etiqueta: ID del producto, fecha de producción, dirección del flujo, marcado de fragilidad

• Condiciones de almacenamiento: −10 °C a 40 °C, ≤ 70 % HR

13. Documentación y trazabilidad

Certificado de conformidad → Certificados de materiales → Informes de pruebas de rendimiento → Registros de procesos → Etiquetas de trazabilidad (código QR/código de barras) → Manual de instalación y funcionamiento

puntos de control críticos para la calidad (ctq)

capacidad de proceso y capacidad de producción

• Ancho de extrusión: 30–300 mm

• altura: 10–100 mm

• longitud: 500–6000 mm

• espesor mínimo de pared:

• Pared del canal: 1,0 mm

• pared exterior: 1,5 mm

• rugosidad superficial:

• superficie extruida: ra ≤ 3,2 μm

• Superficie mecanizada: ra ≤ 1,6 μm

directrices de diseño y mejores prácticas

diseño de canales de flujo

• Diámetro hidráulico: 4–8 mm

• Relación de aspecto: ≤ 10:1

• radio de curvatura: ≥ 1,5 × ancho del canal

• diseño de entrada/salida en forma de campana

• aletas internas opcionales para una mejor transferencia de calor

diseño estructural

• espesor de pared uniforme

• nervaduras de refuerzo en ubicaciones críticas

• Diseño de montaje sin estrés

• margen de dilatación térmica

estrategia de selección de materiales

• Aplicaciones generales: 6063-t5

• Aplicaciones de alto rendimiento: 6061-t6

• entornos hostiles: recubrimientos adicionales

optimización de costes

• secciones transversales estandarizadas

• mejor utilización de los materiales

• mecanizado secundario reducido

• economías de escala en la producción en masa

Gracias a su estructura extruida de una sola pieza, bajo riesgo de fugas, alta fiabilidad y excelente relación coste-beneficio, las placas de refrigeración líquida extruidas desempeñan un papel insustituible en las aplicaciones de refrigeración de alta densidad de potencia. A medida que industrias como los vehículos eléctricos, los centros de datos, las comunicaciones 5G y las energías renovables siguen creciendo, las placas de refrigeración personalizadas y las soluciones de refrigeración líquida a medida evolucionarán hacia un mayor rendimiento, un menor peso y una gestión térmica más inteligente, proporcionando soluciones robustas y escalables para los sistemas de refrigeración líquida de próxima generación.