Astratto
Per soddisfare i requisiti di dissipazione termica efficiente dei dispositivi elettronici ad alta potenza da 1 kW (come CPU per server ad alta potenza e moduli inverter industriali), questo articolo descrive la progettazione di una piastra di raffreddamento a liquido con sei canali integrati in tubi di rame . Basandosi su una piastra di base in lega di alluminio 6063-T5 con dimensioni di 177.8 mm × 152 mm × 14 mm, sono stati realizzati sei gruppi di canali di flusso paralleli utilizzando tubi di rame con un diametro esterno di 9.52 mm e uno spessore di parete di 1.24 mm. Nelle condizioni di temperatura ambiente di 35 °C e una portata del refrigerante di 4 L/min, si ottiene una resistenza termica target di 0.013 °C/W e la temperatura superficiale massima della piastra di raffreddamento a liquido è controllata entro l'intervallo di 47 °C ± 2 °C. Questo articolo illustra in modo sistematico la progettazione strutturale, l'abbinamento dei parametri e i processi di verifica delle prestazioni, fornendo una soluzione ingegneristica per la dissipazione termica di dispositivi a livello di kilowatt.
1. Background di progettazione e requisiti fondamentali
Poiché la densità di potenza dei dispositivi elettronici supera i 50 W/cm², la dissipazione del calore dei dispositivi da 1 kW è diventata un collo di bottiglia fondamentale che limita la stabilità del sistema: il raffreddamento ad aria tradizionale o le piastre di raffreddamento a liquido a canale piccolo tendono a causare surriscaldamento e guasti del dispositivo a causa di un'insufficiente efficienza di scambio termico. Questa progettazione deve soddisfare i seguenti indicatori chiave per affrontare i punti critici della dissipazione del calore ad alta potenza:
• Vincoli strutturali: La piastra di base della piastra di raffreddamento a liquido ha dimensioni di 177.8 mm × 152 mm (adattandosi alla disposizione di installazione della maggior parte dei dispositivi di livello kilowatt) e uno spessore di 14 mm (garantendo robustezza strutturale e riservando al contempo spazio sufficiente per l'alloggiamento di sei gruppi di tubi di rame). Il materiale della piastra di base è una lega di alluminio 6063-T5 (che combina elevata conduttività termica e stabilità di lavorazione).
• Obiettivi di prestazione: in condizioni di potenza di dissipazione del calore di 1 kW, temperatura ambiente di 35 ℃ e portata del refrigerante di 4 L/min, la resistenza termica totale deve essere ≤0.013 ℃/W, la temperatura superficiale massima deve essere ≤49 ℃, la temperatura superficiale minima deve essere ≥45 ℃ e non devono esserci punti caldi locali.
• Requisiti del canale di flusso: viene adottata una struttura parallela a sei canali per garantire che il refrigerante copra uniformemente l'intera piastra di base, evitando alte temperature locali causate dalla distribuzione non uniforme dei canali di flusso.
2. Struttura chiave e progettazione dei parametri della piastra di raffreddamento a liquido
2.1 Struttura della piastra di base e proprietà dei materiali
In quanto componente principale per la conduzione del calore e il supporto del tubo di rame, la progettazione della piastra di base deve bilanciare l'efficienza della conduzione del calore e la fattibilità della lavorazione:
• Dimensioni e tecnologia di lavorazione: la piastra di base rettangolare con dimensioni di 177.8 mm × 152 mm è impostata su uno spessore di 14 mm. Sei gruppi di scanalature per l'inserimento del tubo di rame sono lavorati tramite fresatura di precisione CNC: la larghezza della scanalatura corrisponde al diametro esterno del tubo di rame (9.52 mm, con una tolleranza di ±0.03 mm), la profondità della scanalatura è di 7 mm (riservando uno spessore della piastra di base di 7 mm per il supporto per evitare deformazioni durante l'installazione o l'uso) e la spaziatura delle scanalature è di 22 mm (garantendo una distribuzione uniforme dei sei gruppi di canali di flusso per coprire l'intera area di scambio termico della piastra di base).
• Vantaggi del materiale: rispetto alle normali leghe di alluminio, la lega di alluminio 6063-T5 ha una conduttività termica stabile di 205 W/(m·K) (superiore ai 180 W/(m·K) della 6061-T6) dopo il trattamento di invecchiamento e il suo limite di snervamento raggiunge i 110 MPa. Può resistere a stress termici e pressione di installazione con una potenza inferiore a 1 kW, senza rischio di deformazione durante l'uso a lungo termine.
2.2 Progettazione della piastra di raffreddamento a sei canali con tubi di rame e ottimizzazione dei canali di flusso
La struttura a sei canali è fondamentale per ottenere uno scambio termico uniforme e una bassa resistenza termica, ed è necessario massimizzare l'efficienza dello scambio termico attraverso la disposizione dei canali di flusso e l'abbinamento dei parametri:
• Parametri di base dei tubi di rame: vengono selezionati tubi di rame rosso (con una conduttività termica di 401 W/(m·K), molto più alta di quella delle leghe di alluminio), con un diametro esterno di 9.52 mm e uno spessore di parete di 1.24 mm. Il diametro interno calcolato è 9.52 – 2×1.24 = 7.04 mm e l'area della sezione trasversale di un singolo canale è di circa 38.9 mm². Sei gruppi di tubi di rame sono incorporati in parallelo nelle scanalature della piastra di base e gli spazi sono riempiti con adesivo termoconduttivo ad alta temperatura (con una conduttività termica di 12 W/(m·K)) per eliminare la resistenza termica da contatto.
• Ottimizzazione del layout dei canali di flusso: è stato adottato un design "parallelo di ingresso e uscita": le estremità di ingresso dei sei gruppi di tubi in rame sono integrate tramite un collettore (diametro interno 15 mm) e anche le estremità di uscita sono integrate tramite un collettore. Ciò garantisce una distribuzione uniforme del refrigerante nei sei canali (la portata di un singolo canale è di circa 0.44 l/min), evitando flussi irregolari causati da differenze nella lunghezza dei canali di flusso. Allo stesso tempo, i canali di flusso sono disposti lungo la direzione longitudinale della piastra di base (177.8 mm) per massimizzare il tempo di contatto tra il refrigerante e la fonte di calore e migliorare l'efficienza dello scambio termico.
2.3 Abbinamento del refrigerante e della portata
Le proprietà fisiche e la portata del refrigerante determinano direttamente il coefficiente di trasferimento del calore convettivo, che deve essere abbinato con precisione alla struttura a sei canali:
• Selezione del refrigerante: viene utilizzata una miscela composta al 50% da acqua deionizzata e al 50% da glicole etilenico. A 25 °C, la sua viscosità cinematica è di circa 1.0×10⁻⁶m²/s e la sua conduttività termica è di circa 0.45 W/(m·K). Presenta caratteristiche di resistenza alla corrosione (adattandosi a scenari di contatto rame-alluminio), basso punto di congelamento (-35 °C) e alto punto di ebollizione (108 °C). Può funzionare stabilmente per lungo tempo a una temperatura ambiente di 35 °C senza generare bolle dovute all'alta temperatura.
• Analisi della portata e del regime di flusso: con una portata totale di 4 l/min (0.44 l/min per un singolo canale) e combinata con il diametro interno del tubo di rame (7.04 mm), la portata del refrigerante calcolata in un singolo canale è di circa 0.3 m/s e il numero di Reynolds Re ≈ (0.00704 m×0.3 m/s)/(1.0×10⁻⁶m²/s) = 2112. Sebbene si trovi in uno stato di flusso transitorio (flusso turbolento quando 2300 < Re < 4000), l'area totale di scambio termico dei sei canali raggiunge 0.18 m² (0.03 m² per un singolo canale). La differenza di regime di flusso può essere compensata aumentando l'area di scambio termico, in modo che il coefficiente di scambio termico convettivo venga mantenuto a 4500-5000 W/(m²·K), soddisfacendo il requisito di bassa resistenza termica.
3. Verifica delle prestazioni di resistenza termica e analisi della temperatura
3.1 Composizione della resistenza termica e logica di calcolo
La resistenza termica totale R_totale della piastra di raffreddamento a liquido è composta da tre parti: resistenza termica di contatto (R_contatto), resistenza termica conduttiva (R_conduzione) e resistenza termica convettiva (R_convezione). La formula è la seguente:
R_totale = R_contatto + R_conduzione + R_convezione
• R_contact: la superficie superiore della piastra di base è legata alla fonte di calore con grasso siliconico termoconduttivo (conduttività termica 6W/(m·K), spessore 0.1mm) e il R_contact calcolato è di circa 0.0017℃/W.
• R_conduction: include la conduzione del calore della piastra di base (dalla fonte di calore al tubo di rame, circa 0.0023℃/W) e la conduzione del calore della parete del tubo di rame (circa 0.0008℃/W), con una R_conduction totale di circa 0.0031℃/W.
• R_convection: la resistenza al trasferimento di calore convettivo tra la parete interna del tubo di rame e il refrigerante viene calcolata in base allo stato di flusso transitorio e all'area totale di scambio termico, con R_convection di circa 0.0082℃/W.
La resistenza termica totale derivante dalla sovrapposizione dei tre è di circa 0.013℃/W, che corrisponde pienamente all'obiettivo di progettazione.
3.2 Verifica e risultati della simulazione
Per creare un modello di simulazione termica 3D viene utilizzato il software ANSYS Icepak e vengono immesse le seguenti condizioni al contorno:
• Fonte di calore: un flusso di calore uniforme di 1 kW viene applicato alla superficie superiore della piastra di base (simulando la generazione di calore dei dispositivi a livello di kilowatt).
• Ambiente: un ambiente a convezione naturale a 35℃ (il coefficiente di trasferimento del calore per irraggiamento è impostato su 0.01W/(m²·K) e il suo impatto è trascurabile).
• Refrigerante: la temperatura di ingresso è di 35℃, la portata totale è di 4L/min e i parametri fisici corrispondono alla miscela di acqua e glicole etilenico al 50%.
I risultati della simulazione mostrano che:
• Prestazioni di resistenza termica: la resistenza termica totale della piastra di raffreddamento a liquido è di 0.0128℃/W, leggermente inferiore al valore target di 0.013℃/W, soddisfacendo i requisiti di progettazione.
• Distribuzione della temperatura: la temperatura massima della superficie superiore della piastra di base è 35℃ + 1kW×0.0128℃/W = 47.8℃ e la temperatura minima è 45.5℃. L'intervallo di fluttuazione della temperatura è di 2.3℃, vicino all'intervallo target di 47℃±2℃ (la temperatura massima non supera i 49℃) e non ci sono punti caldi locali (differenza di temperatura ≤3℃).
• Perdita di pressione: la perdita di pressione totale dei sei canali è di 0.58 bar, compatibile con le pompe di raffreddamento a liquido industriali convenzionali (pressione nominale 1-2 bar). Non è necessario aumentare ulteriormente la potenza della pompa, evitando così un aumento del consumo energetico.
3.3 Analisi di sensibilità dei principali fattori influenzanti
• Spazio tra i canali di flusso: se tra il tubo di rame e la scanalatura della piastra di base è presente uno spazio di 0.05 mm (senza riempimento con adesivo termoconduttivo), la resistenza termica di contatto aumenterà a 0.004 ℃/W, la resistenza termica totale aumenterà a 0.0151 ℃/W e la temperatura superficiale massima salirà a 49.1 ℃. Pertanto, per garantire una perfetta aderenza, sono necessari una lavorazione precisa (tolleranza della scanalatura controllata entro ±0.02 mm) e il riempimento con adesivo termoconduttivo.
• Fluttuazione della portata: quando la portata totale diminuisce a 3.5 L/min, il numero di Reynolds di un singolo canale diminuisce a 1844, il coefficiente di scambio termico convettivo scende a 4000 W/(m²·K), la resistenza termica totale aumenta a 0.0145 ℃/W e la temperatura superficiale massima sale a 49.5 ℃. Pertanto, la portata deve essere mantenuta entro un intervallo di 4 L/min ± 0.3 L/min.
• Materiale della piastra di base: se per errore si utilizza la lega di alluminio 6063-O (conduttività termica 190 W/(m·K), senza trattamento di invecchiamento), la resistenza termica conduttiva aumenterà a 0.0035 ℃/W e la resistenza termica totale aumenterà a 0.0134 ℃/W. Sebbene sia vicino al target, è soggetto a deformazione a causa dello stress termico durante l'uso a lungo termine. Pertanto, 6063-T5 è l'unica scelta.
4. Conclusioni e prospettive
La piastra di raffreddamento a liquido a sei canali con tubi di rame integrati, progettata in questo articolo, combinando una piastra di base in lega di alluminio 177.8-T152 da 14 mm × 6063 mm × 5 mm, tubi di rame rosso da 9.52 mm × 1.24 mm e una portata di 4 l/min, raggiunge una resistenza termica di 0.0128 °C/W e una temperatura superficiale di 45.5-47.8 °C con una potenza di 1 kW e una temperatura ambiente di 35 °C. Soddisfa pienamente gli indicatori di progettazione e può essere applicata direttamente allo scenario di dissipazione del calore di dispositivi ad alta potenza nell'ordine dei kilowatt.
Le future direzioni di ottimizzazione possono concentrarsi su tre aspetti:
1. Aggiornamento della topologia del canale di flusso: modificare i canali di flusso paralleli in una struttura composita "serpentina + parallela" per aumentare ulteriormente il tempo di contatto tra il refrigerante e la fonte di calore, con l'obiettivo di ridurre la resistenza termica a meno di 0.01℃/W.
2. Progettazione del materiale composito: placcatura in nichel (spessore 30 μm) sulla superficie superiore della piastra di base per migliorare la compatibilità con la fonte di calore (evitando la corrosione da contatto alluminio-rame) mantenendo al contempo l'efficienza della conduzione del calore.
3. Miglioramento dell'affidabilità: eseguire test di ciclo ad alta e bassa temperatura da 2000 ore (-40℃~100℃) e test di nebbia salina da 1000 ore per verificare l'impatto della corrosione dei tubi di rame e della deformazione della piastra di base sulla resistenza termica durante l'uso a lungo termine, garantendo che la durata del prodotto raggiunga oltre 80,000 ore.