Як розробити та оптимізувати пластинчасті канали з водяним охолодженням для максимальної ефективності

 

Вся система рідинного охолодження включає такі компоненти, як пластина рідинного охолодження, рідинне охолоджуюче середовище, насос, труби та радіатор.

 

Загалом, теплофізичні властивості зазвичай використовуваних рідких охолоджуючих рідин наведено в таблиці нижче:

 

▲ Властивості рідинного охолодження

 

З наведеної вище таблиці видно, що вибір рідкого охолоджувача має фіксований вплив на ефективність охолодження всієї системи. Не змінюючи інших умов, пріоритет слід віддавати недорогим носіям, які відповідають екологічним вимогам (таким як висота над рівнем моря та температура навколишнього середовища).

 

Однак пластина з водяним охолодженням також є важливою частиною рідинної системи охолодження. Будучи теплообмінним компонентом рідинної системи охолодження, він містить теплообмінні канали, тобто шляхи потоку. Конструкція цих внутрішніх шляхів потоку може значною мірою змінювати ефективність теплообміну всієї системи.

 

Тому сьогодні ми не будемо обговорювати рідкі охолоджувальні середовища, а натомість на прикладі чистої води проаналізуємо дизайн та підхід до оптимізації шляхів потоку пластин з водяним охолодженням.

 

При проектуванні конструкції пластини з водяним охолодженням необхідно враховувати такі фактори:

 

• Вимоги до продуктивності теплообміну:За встановленої швидкості потоку та різниці температур між входом і виходом води досягайте бажаного підвищення температури джерела тепла та цільового розсіювання тепла радіатора, виконуючи вимоги до продуктивності.
• Вимоги до міцності та тиску:У деяких проектах у зв’язку з екологічним використанням або вимогами до встановлення в системі надаються спеціальні вказівки щодо поверхневого тиску та загального напруження пластини з водяним охолодженням.
• Стійкість до корозії:Рідке охолоджуюче середовище протікає через канал протягом тривалого періоду часу, і високі температури можуть прискорити деградацію металевих матеріалів, потенційно призводячи до закупорювання, що впливає на ефективність охолодження.
• Запобігання витоку:Конструкція кришки, верхньої та нижньої поверхонь, ущільнювальних смуг і навіть методи зварювання повинні запобігати витоку.
• Економічна ефективність:Зменшення витрат завдяки таким факторам, як можливість виробництва, вибір матеріалу, складність процесу, опір потоку та термостійкість, одночасно мінімізуючи тиск насоса та робочий час.

 

Щоб відповідати наведеним вище вимогам, необхідно детально розглянути матеріали, структуру та методи виробництва.

 

 

I Вибір матеріалу пластини з водяним охолодженням

 

Матеріал пластини з водяним охолодженням впливає на продуктивність теплообміну між каналом і охолоджувальною водою. Для пластин з водяним охолодженням слід використовувати матеріали з високою теплопровідністю, щоб ефективно зменшити загальний термічний опір системи. Такі звичайні матеріали, як алюміній і мідь, мають такі властивості:

 

▲ Властивості матеріалу

 

Алюмінієві сплави, як найбільш часто використовуваний матеріал для охолодження, мають такі переваги, як висока теплопровідність, низька щільність, хороша оброблюваність, чудова стійкість до корозії та сприятливі фізико-механічні властивості.

 

Процес захисту від корозії алюмінієвих профілів добре налагоджений, що забезпечує тривале надійне використання листів з водяним охолодженням.

 

Алюмінієві радіатори, які використовуються в електронних виробах, зазвичай виготовляються зі сплавів серії 50 або 60, таких як AL5051, 60601 і 6063. Ці матеріали пропонують чудову теплопровідність, стійкість до корозії, оброблюваність і придатні для анодування та обробки з ЧПУ складних каналів потоку. .

 

Це дослідження зосереджено на проектуванні та підході до оптимізації шляхів потоку пластини з водяним охолодженням, припускаючи заздалегідь визначені швидкості потоку та основні вимоги до падіння тиску.

 

 

II Основні типи водяних пластинчастих шляхів потоку

 

Основні типи каналів потоку з водяним охолодженням пластини включають: плоский, W-подібний, круговий, циліндричний і архімедов спіральний канали. Нижче наведено короткий опис кожного з відповідних зображень:

 

▲ Зображення плоскої пластини з водяним охолодженням

 

▲ Зображення W-подібної пластини з водяним охолодженням

 

▲ Зображення круглої пластини з водяним охолодженням

 

▲ Зображення циліндричної пластини з водяним охолодженням

 

У прикладі пластини з циліндричним водяним охолодженням внутрішня конструкція може включати прямокутні колони або подовжені радіатори для збільшення площі контакту з потоком води.

 

▲ Зображення архімедової спіралі

 

Посилаючись на цей фізичний об’єкт, я навмисно використав solidworks для розробки його 3D-структури, як показано нижче.

 

▲ одноциклове зображення траєкторії

 

▲ подвійний контур Flow Path Image

 

Вище наведено типові конструкції каналу потоку з водяним охолодженням. Далі ми розглянемо підхід до оптимізації цих проектів.

 

 

III Підхід до оптимізації шляху потоку

 

Підхід до оптимізації шляхів потоку пластини з водяним охолодженням схожий на оптимізацію шляху потоку повітря в системах з повітряним охолодженням.

 

Для рішень з повітряним охолодженням на принципи оптимізації шляху повітряного потоку можна посилатися в статті: «Принципи оптимізації шляхів повітряного потоку в тепловому проектуванні для електронних продуктів».

• Збільшити схеми:Після початкового планування конструкції водяного потоку чисельне моделювання може виявити, що ефективність охолодження не відповідає очікуванням із вищим тепловим опором. У цьому випадку збільшення кількості контурів (наприклад, від одного до двох або більше контурів) може посилити теплообмін.
• Збільшити площу розсіювання тепла:Якщо дозволяє простір внутрішньої конструкції, додавання циліндричних або прямокутних ребер у шаховому або вирівняному порядку може покращити оптимізацію в межах шляху потоку.
• Оптимізація внутрішньої швидкості потоку води:Коли площа поперечного перерізу на вході фіксована, збільшення площі поперечного перерізу шляху потоку зменшує швидкість потоку, перешкоджаючи швидкому теплообміну. Однак просте зменшення площі поперечного перерізу для збільшення швидкості може призвести до підвищення опору потоку.
• Зона балансу з водяним охолодженням:Переконайтеся, що шлях потоку рівномірно покриває контактну поверхню джерела тепла. У ситуаціях з обмеженою площею або простором хорошим вибором є Архімедова спіральна траєкторія.
• Уникайте коротких замикань:Якщо вхідний і вихідний отвір розташовані надто близько, спроектуйте ребра на шляху потоку, щоб подовжити його та розподілити воду нижче джерела тепла, запобігаючи прямому протіканню води від входу до випуску.
• Уникайте надмірної довжини потоку:У випадках із джерелами тепла з вертикальними шарами звичайним підходом може бути проектування шляхів потоку зверху вниз або навпаки, що може спричинити значну різницю температур між передньою та задньою сторонами. Розгляньте окреме охолодження для кожного шару, щоб вирішити цю проблему.
• Мінімізація вигинів:Вигини збільшують втрати напору та опір потоку. Якщо вигинів уникнути не можна, забезпечте плавні переходи, щоб зменшити перепад тиску, одночасно збільшуючи площу тепловіддачі.

 

Під час процесу оптимізації переконайтеся, що опір потоку системи, термічний опір і структурна міцність (наприклад, поверхневий тиск) відповідають вимогам проекту, враховуючи доцільність виробництва та вартість.

 

 

IV Методи оптимізаційного проектування

 

• Аналіз гіпотези:На основі оригінального проекту застосуйте ідеї оптимізації, такі як збільшення площі розсіювання тепла, зменшення площі поперечного перерізу або додавання контурів, і обчисліть теоретичні результати.
• Чисельне моделювання:На основі аналізу створіть кілька моделей проектування потоку, моделюйте за необхідних умов і порівняйте результати.
• Експериментальна перевірка:Побудуйте експериментальні моделі та тести для перевірки аналізу гіпотез і результатів чисельного моделювання.