Ako navrhnúť a optimalizovať vodou chladené doskové kanály pre maximálnu účinnosť

 

Celý kvapalinový chladiaci systém zahŕňa komponenty, ako je kvapalinová chladiaca doska, kvapalinové chladiace médium, čerpadlo, potrubia a chladič.

 

Vo všeobecnosti sú termofyzikálne vlastnosti bežne používaných kvapalných chladiacich kvapalín uvedené v tabuľke nižšie:

 

▲ Vlastnosti chladenia kvapalinou

 

Z vyššie uvedenej tabuľky je zrejmé, že výber kvapalného chladiaceho média má pevný vplyv na účinnosť chladenia celého systému. Bez toho, aby sa zmenili ďalšie podmienky, prioritu by mali mať lacné médiá, ktoré spĺňajú environmentálne požiadavky (ako je nadmorská výška a teplota okolia).

 

Vodou chladená doska je však tiež rozhodujúcou súčasťou kvapalinového chladiaceho systému. Ako komponent výmeny tepla kvapalinového chladiaceho systému obsahuje kanály na výmenu tepla, tj prietokové cesty. Konštrukcia týchto vnútorných ciest prúdenia môže výrazne ovplyvniť účinnosť výmeny tepla celého systému so značnou variabilitou.

 

Preto dnes nebudeme diskutovať o kvapalných chladiacich médiách, ale namiesto toho s použitím čistej vody ako príkladu analyzujeme návrh a optimalizačný prístup vodou chladených doskových prietokových ciest.

 

Pri navrhovaní vodou chladenej doskovej konštrukcie je potrebné zvážiť nasledujúce faktory:

 

• Požiadavky na výkon výmeny tepla:Pri nastavenom prietoku a teplotnom rozdiele medzi vstupnou a výstupnou vodou docielite požadovaný nárast teploty zdroja tepla a cieľ odvodu tepla radiátora pri splnení výkonnostných požiadaviek.
• Požiadavky na pevnosť a tlak:V niektorých projektoch sú v dôsledku environmentálneho použitia alebo požiadaviek na inštaláciu v rámci systému uvedené špecifické pokyny pre povrchový tlak a celkové namáhanie vodou chladenej dosky.
• Odolnosť proti korózii:Kvapalné chladiace médium preteká kanálom dlhší čas a vysoké teploty môžu urýchliť degradáciu kovových materiálov, čo môže viesť k blokovaniu, ktoré ovplyvňuje účinnosť chladenia.
• Prevencia úniku:Konštrukcia krycej dosky, horných a spodných plôch, tesniacich pásikov a dokonca aj metódy zvárania by mali zabrániť úniku.
• Nákladová efektívnosť:Zníženie nákladov z faktorov, ako je uskutočniteľnosť výroby, výber materiálu, zložitosť procesu, prietokový odpor a tepelná odolnosť, pri minimalizácii tlaku čerpadla a pracovného času.

 

Aby sa splnili vyššie uvedené požiadavky, musia sa vykonať komplexné konštrukčné úvahy týkajúce sa materiálov, štruktúry a výrobných metód.

 

 

I Výber materiálu vodou chladenej platne

 

Materiál vodou chladenej dosky ovplyvňuje výkon výmeny tepla medzi kanálom a chladiacou vodou. Pre vodou chladené dosky by sa mali použiť materiály s vysokou tepelnou vodivosťou, aby sa efektívne znížil celkový tepelný odpor systému. Bežné materiály ako hliník a meď majú nasledujúce vlastnosti:

 

▲ Vlastnosti materiálu

 

Zliatiny hliníka ako najbežnejšie používaný chladiaci materiál majú výhody ako vysoká tepelná vodivosť, nízka hustota, dobrá opracovateľnosť, vynikajúca odolnosť proti korózii a priaznivé fyzikálne a mechanické vlastnosti.

 

Proces ochrany proti korózii hliníkových profilov je dobre zavedený a zabezpečuje dlhodobé spoľahlivé používanie vodou chladených platní.

 

Hliníkové chladiče používané v elektronických produktoch sú zvyčajne vyrobené zo zliatin série 50 alebo 60, ako sú AL5051, 60601 a 6063. Tieto materiály ponúkajú vynikajúcu tepelnú vodivosť, odolnosť proti korózii, opracovateľnosť a sú vhodné na eloxovanie a CNC spracovanie zložitých prietokových kanálov. .

 

Táto štúdia sa zameriava na návrh a optimalizačný prístup vodou chladených doskových prietokových ciest, za predpokladu vopred stanovených prietokov a základných požiadaviek na pokles tlaku.

 

 

II Základné typy prietokových dráh vodou chladených dosiek

 

Hlavné typy vodou chladených doskových prietokových ciest zahŕňajú: rovinné, W-tvarované, kruhové, valcové a Archimedove špirálové kanály. Nasledujú stručné popisy každého z nich so zodpovedajúcimi obrázkami:

 

▲ Obrázok rovinnej vodou chladenej platne

 

▲ Obraz vodou chladenej platne v tvare W

 

▲ Obraz kruhovej vodou chladenej platne

 

▲ Obrázok valcového vodou chladeného taniera

 

V príklade valcovej vodou chladenej dosky môže vnútorný dizajn zahŕňať pravouhlé stĺpy alebo predĺžené chladiče na zlepšenie kontaktnej plochy s prúdom vody.

 

▲ Obrázok dráhy archimedovského špirálového toku

 

S odkazom na tento fyzický objekt som zámerne použil Solidworks na navrhnutie jeho 3D štruktúry, ako je uvedené nižšie.

 

▲ Obraz prietokovej dráhy s jedným cyklom

 

▲ dvojitá slučka Obrázok dráhy toku

 

Vyššie uvedené sú typické vodou chladené konštrukcie prietokovej cesty. Ďalej preskúmame optimalizačný prístup pre tieto návrhy.

 

 

III Prístup optimalizácie dráhy toku

 

Optimalizačný prístup pre cesty prúdenia vodou chladených dosiek zdieľa podobnosti s optimalizáciou cesty prúdenia vzduchu vo vzduchom chladených systémoch.

 

V prípade vzduchom chladených riešení možno na princípy optimalizácie dráhy prúdenia vzduchu odkázať v článku: „Princípy optimalizácie dráh prúdenia vzduchu v tepelnom dizajne elektronických produktov“.

• Zvýšiť okruhy:Po počiatočnom plánovaní návrhu dráhy prúdenia vody môžu numerické simulácie odhaliť, že účinnosť chladenia nespĺňa očakávania s vyšším tepelným odporom. V tomto prípade zvýšenie počtu okruhov (napr. z jedného na dva alebo viac okruhov) môže zlepšiť výmenu tepla.
• Zväčšiť oblasť rozptylu tepla:Ak to priestor vnútornej štruktúry umožňuje, pridanie valcových alebo pravouhlých rebier v striedavých alebo zarovnaných konfiguráciách môže zlepšiť optimalizáciu v rámci toku.
• Optimalizujte rýchlosť vnútorného prietoku vody:Keď je plocha prierezu vstupu pevná, zväčšenie plochy prierezu dráhy toku znižuje rýchlosť toku, čo bráni rýchlej výmene tepla. Jednoduché zmenšenie plochy prierezu na zvýšenie rýchlosti však môže viesť k vyššiemu odporu prúdenia.
• Balančná oblasť chladená vodou:Zabezpečte, aby dráha toku rovnomerne pokrývala kontaktný povrch zdroja tepla. V situáciách s obmedzenou oblasťou alebo priestorom je dobrou voľbou Archimedova špirálová dráha prúdenia.
• Vyhnite sa skratom:Keď sú vstup a výstup príliš blízko, navrhnite rebrové štruktúry v dráhe toku, aby ste ju predĺžili a rozviedli vodu pod zdroj tepla, čím sa zabráni priamemu prúdeniu vody zo vstupu do výstupu.
• Vyhnite sa nadmernej dĺžke toku:V prípadoch s vertikálne vrstvenými zdrojmi tepla môže byť zvyčajným prístupom navrhovanie dráh prúdenia zhora nadol alebo naopak, čo môže spôsobiť výrazný teplotný rozdiel medzi prednou a zadnou stranou. Na vyriešenie tohto problému zvážte samostatné chladenie pre každú vrstvu.
• Minimalizovať ohyby:Ohyby zvyšujú stratu hlavy a prietokový odpor. Ak sa ohybom nedá vyhnúť, zaistite hladké prechody, aby ste znížili pokles tlaku a zároveň zvýšili plochu rozptylu tepla.

 

Počas procesu optimalizácie zabezpečte, aby odpor prietoku systému, tepelný odpor a štrukturálna pevnosť (napr. povrchový tlak) spĺňali požiadavky projektu, pričom zohľadnite realizovateľnosť výroby a náklady.

 

 

IV Metódy návrhu optimalizácie

 

• Analýza hypotéz:Na základe pôvodného projektu aplikujte optimalizačné nápady, ako je zväčšenie plochy rozptylu tepla, zmenšenie plochy prierezu alebo pridanie obvodov, a vypočítajte teoretické výsledky.
• Numerická simulácia:Na základe analýzy vytvorte viaceré modely návrhu dráhy toku, simulujte za požadovaných podmienok a porovnajte výsledky.
• Experimentálne testovanie:Zostavte experimentálne modely a testy na overenie analýzy hypotéz a výsledkov numerickej simulácie.