Sådan designes og optimeres vandkølede pladekanaler til maksimal effektivitet

 

Hele væskekølesystemet omfatter komponenter såsom væskekølepladen, væskekølemediet, pumpen, rørene og radiatoren.

 

Generelt er de termofysiske egenskaber af almindeligt anvendte flydende kølevæsker vist i nedenstående tabel:

 

▲ Væskekølingsegenskaber

 

Fra ovenstående tabel er det tydeligt, at valget af det flydende kølemedium har en fast indflydelse på køleeffektiviteten af ​​hele systemet. Uden at ændre på andre forhold bør der gives prioritet til lavprismedier, der opfylder miljøkrav (såsom højde og omgivelsestemperatur).

 

Den vandkølede plade er dog også en afgørende del af væskekølesystemet. Som varmevekslerkomponenten i væskekølesystemet indeholder det varmevekslerkanaler, dvs. strømningsveje. Designet af disse interne strømningsveje kan i væsentlig grad påvirke varmevekslingseffektiviteten af ​​hele systemet med betydelig variation.

 

Derfor vil vi i dag ikke diskutere flydende kølemedier, men i stedet, ved at bruge rent vand som eksempel, vil vi analysere design- og optimeringstilgangen for vandkølede pladestrømningsveje.

 

Ved udformningen af ​​den vandkølede pladestruktur skal følgende faktorer tages i betragtning:

 

• Ydeevnekrav til varmeveksling:Under den indstillede flowhastighed og temperaturforskel mellem indløbs- og udløbsvand opnås den ønskede temperaturstigning for varmekilden og radiatorens varmeafledningsmål, hvilket opfylder ydeevnekravene.
• Krav til styrke og tryk:I nogle projekter er der på grund af miljømæssig brug eller installationskrav i systemet givet specifikke instruktioner for overfladetryk og overordnede spændingsforhold for den vandkølede plade.
• Korrosionsbestandighed:Det flydende kølemedium strømmer gennem kanalen i længere perioder, og høje temperaturer kan accelerere nedbrydningen af ​​metalmaterialer, hvilket potentielt kan føre til blokeringer, der påvirker køleeffektiviteten.
• Forebyggelse af lækage:Udformningen af ​​dækpladen, øvre og nedre overflader, tætningslister og endda svejsemetoder bør forhindre lækage.
• Omkostningseffektivitet:Reduktion af omkostninger fra faktorer som produktionsgennemførlighed, materialevalg, proceskompleksitet, flowmodstand og varmemodstand, samtidig med at pumpetryk og arbejdstid minimeres.

 

For at opfylde ovenstående krav skal der foretages omfattende designovervejelser vedrørende materialer, struktur og fremstillingsmetoder.

 

 

I Valg af vandkølet plademateriale

 

Materialet i den vandkølede plade påvirker varmevekslingsydelsen mellem kanalen og kølevandet. Materialer med høj termisk ledningsevne bør anvendes til vandkølede plader for effektivt at reducere systemets samlede termiske modstand. Almindelige materialer som aluminium og kobber udviser følgende egenskaber:

 

▲ Materialeegenskaber

 

Aluminiumslegeringer, som det mest almindeligt anvendte kølemateriale, har fordele såsom høj varmeledningsevne, lav densitet, god bearbejdelighed, fremragende korrosionsbestandighed og gunstige fysiske og mekaniske egenskaber.

 

Korrosionsbeskyttelsesprocessen for aluminiumsprofiler er veletableret, hvilket sikrer langsigtet pålidelig brug af vandkølede plader.

 

Aluminiums køleplader, der bruges i elektroniske produkter, er typisk lavet af 50- eller 60-serielegeringer, såsom AL5051, 60601 og 6063. Disse materialer tilbyder fremragende termisk ledningsevne, korrosionsbestandighed, bearbejdelighed og er velegnede til anodisering og CNC-behandling af komplekse strømningskanaler .

 

Denne undersøgelse fokuserer på design og optimeringstilgang af vandkølede pladestrømningsveje, forudsat forudbestemte strømningshastigheder og grundlæggende trykfaldskrav.

 

 

II Grundlæggende typer af vandkølede pladestrømningsveje

 

Hovedtyperne af vandkølede pladestrømningsbaner omfatter: plane, W-formede, cirkulære, cylindriske og arkimedeiske spiralkanaler. Følgende er korte beskrivelser af hver, med tilhørende billeder:

 

▲ Plan vandkølet pladebillede

 

▲ W-formet vandkølet pladebillede

 

▲ Cirkulært vandkølet pladebillede

 

▲ Cylindrisk vandkølet pladebillede

 

I eksemplet med den cylindriske vandkølede plade kan det indre design omfatte rektangulære søjler eller aflange køleplader for at forbedre kontaktområdet med vandstrømmen.

 

▲ Billede af den arkimedeiske spiralstrømningssti

 

Med henvisning til dette fysiske objekt brugte jeg med vilje solidworks til at designe dets 3D-struktur som vist nedenfor.

 

▲ enkelt-cyklus Flow Path Image

 

▲ dobbelt sløjfe Flow Path Image

 

Ovenstående er typiske vandkølede strømningsveje. Dernæst vil vi undersøge optimeringstilgangen for disse designs.

 

 

III Fremgangsmåde til optimering af flowstier

 

Optimeringstilgangen for vandkølede pladestrømningsbaner deler ligheder med optimering af luftstrømsveje i luftkølede systemer.

 

For luftkølede løsninger kan der henvises til principperne for optimering af luftstrømsveje i artiklen: "Principles for Optimizing Airflow Paths in Thermal Design for Electronic Products."

• Øg kredsløb:Efter indledende planlægning af design af vandstrømningsvejen kan numeriske simuleringer afsløre, at køleeffektiviteten ikke lever op til forventningerne med højere termisk modstand. I dette tilfælde kan en forøgelse af antallet af kredsløb (f.eks. fra enkelt til dobbelt eller flere kredsløb) forbedre varmeudvekslingen.
• Øg varmeafledningsområdet:Hvis intern struktur plads tillader det, kan tilføjelse af cylindriske eller rektangulære finner i forskudte eller justerede konfigurationer forbedre optimeringen inden for strømningsvejen.
• Optimer den indre vandstrømningshastighed:Når indløbets tværsnitsareal er fast, reducerer en forøgelse af strømningsvejens tværsnitsareal strømningshastigheden, hvilket hindrer hurtig varmeudveksling. Men blot at reducere tværsnitsarealet for at øge hastigheden kan føre til højere strømningsmodstand.
• Balancer vandkølet område:Sørg for, at strømningsvejen dækker varmekildens kontaktflade jævnt. I situationer med begrænset areal eller plads er den arkimedeiske spiralstrømningsvej en god mulighed.
• Undgå kortslutninger:Når indløbet og udløbet er for tæt, skal du designe ribbestrukturer i strømningsvejen for at forlænge det og fordele vandet under varmekilden, hvilket forhindrer vandet i at strømme direkte fra indløb til udløb.
• Undgå for stor flowlængde:I tilfælde med lodret lagdelte varmekilder kan den sædvanlige tilgang være at designe strømningsveje fra top til bund eller omvendt, hvilket kan forårsage en betydelig temperaturforskel mellem for- og bagside. Overvej separat afkøling for hvert lag for at løse dette problem.
• Minimer bøjninger:Bøjninger øger hovedtab og strømningsmodstand. Hvis bøjninger er uundgåelige, skal du sikre jævne overgange for at reducere trykfaldet, mens varmeafledningsområdet øges.

 

Under optimeringsprocessen skal du sikre dig, at systemets strømningsmodstand, termisk modstand og strukturel styrke (f.eks. overfladetryk) opfylder projektkravene, mens produktionsgennemførlighed og omkostninger tages i betragtning.

 

 

IV optimeringsdesignmetoder

 

• Hypoteseanalyse:Baseret på det oprindelige projekt, anvende optimeringsideer såsom at øge varmeafledningsarealet, reducere tværsnitsarealet eller tilføje kredsløb, og beregne teoretiske resultater.
• Numerisk simulering:Baseret på analysen, opret designmodeller for flere flowveje, simuler under nødvendige forhold og sammenlign resultater.
• Eksperimentel test:Byg eksperimentelle modeller og test for at verificere hypoteseanalysen og numeriske simuleringsresultater.