Astratto
Per soddisfare i requisiti di dissipazione del calore dei dispositivi ad alta potenza da 500 W, questo studio progetta un tubo di rame di tipo M a quattro canali incorporato piastra di raffreddamento a liquidoSulla base di una piastra di base di dimensioni pari a 127 mm × 152 mm × 15.2 mm, vengono realizzati quattro set di canali di flusso di tipo M utilizzando tubi di rame con un diametro esterno di 9.52 mm e uno spessore di parete di 1.24 mm. In combinazione con una piastra di base in lega di alluminio 6063 e una portata del refrigerante di 4 l/min, si ottiene una resistenza termica target di 0.02 °C/W a una temperatura ambiente di 35 °C, e la temperatura superficiale massima della piastra di raffreddamento a liquido è controllata entro un intervallo di 44.6 °C ± 2 °C. Questo documento illustra in dettaglio la progettazione della topologia del canale di flusso, la logica di abbinamento dei parametri e il processo di verifica delle prestazioni, fornendo un riferimento ingegneristico. soluzione di progettazione termica per un'efficiente dissipazione del calore dei dispositivi ad alta potenza.
1. Background di progettazione e requisiti fondamentali
Con lo sviluppo di dispositivi elettronici di potenza ad alta integrazione e alta densità di potenza, il problema della dissipazione del calore dei dispositivi da 500 W (come i moduli inverter industriali e gli alimentatori per driver LED ad alta potenza) è diventato un fattore chiave che limita l'affidabilità del sistema. Le tradizionali piastre di raffreddamento a liquido a canale singolo/doppio difficilmente soddisfano il requisito di resistenza termica di soli 0.02 ℃/W a causa dell'insufficiente copertura del canale di flusso e della limitata efficienza di scambio termico, e sono soggette a hotspot locali. Questa progettazione deve soddisfare i seguenti indicatori chiave:
• Vincoli strutturali: la piastra di base della piastra di raffreddamento a liquido ha una dimensione di 127 mm × 152 mm (adattandosi al layout di installazione della maggior parte dei dispositivi ad alta potenza) e uno spessore di 15.2 mm (bilanciando la resistenza strutturale e lo spazio di inserimento del canale di flusso); il materiale della piastra di base è in lega di alluminio 6063.
•Obiettivi di prestazione: in condizioni di potenza di dissipazione del calore di 500 W, temperatura ambiente di 35 ℃ e portata del refrigerante di 4 L/min, resistenza termica totale ≤0.02 ℃/W, temperatura superficiale massima ≤46.6 ℃ e temperatura superficiale minima ≥42.6 ℃.
•Progettazione del canale di flusso: le strutture a quattro canali sono realizzate utilizzando tubi di rame di tipo M per ottenere una distribuzione uniforme del refrigerante nella piastra di base ed eliminare i punti caldi locali.
2. Struttura e parametro chiave Progettazione della piastra di raffreddamento a liquido
2.1 Struttura della piastra di base e selezione del materiale
In quanto componente fondamentale per il supporto della fonte di calore e la conduzione del calore, la progettazione della piastra di base deve bilanciare la conduttività termica e la fattibilità della lavorazione:
•Dimensioni e lavorazione: la piastra di base rettangolare da 127 mm × 152 mm è impostata su uno spessore di 15.2 mm. Quattro serie di scanalature di inserimento del tubo di rame "tipo M" sono lavorate tramite fresatura CNC. La larghezza della scanalatura corrisponde al diametro esterno del tubo di rame (9.52 mm), con una tolleranza controllata entro ±0.03 mm (per garantire una perfetta aderenza tra il tubo di rame e la piastra di base e ridurre la resistenza termica di contatto). La profondità della scanalatura è di 8 mm (riservando uno spessore di 7.2 mm come supporto della piastra di base per evitare deformazioni da stress).
• Proprietà del materiale: è stata selezionata la lega di alluminio 6063, che ha una conduttività termica di circa 201 W/(m·K) (superiore alla lega di alluminio 6061) e una densità di 2.7 g/cm³. Combina leggerezza ed elevata conduttività termica, e la sua resistenza alla corrosione superficiale può essere migliorata tramite trattamento di anodizzazione, rendendola adatta a condizioni di funzionamento a lungo termine con raffreddamento a liquido.
2.2 Progettazione di tubi di rame a quattro canali di tipo M
Il canale di flusso di tipo M è il fulcro per ottenere uno scambio termico uniforme e una bassa resistenza termica, e la sua struttura topologica e i suoi parametri devono corrispondere accuratamente ai requisiti di dissipazione del calore:
•Parametri di base dei tubi di rame: vengono selezionati tubi di rame con un diametro esterno di 9.52 mm e uno spessore della parete di 1.24 mm (la conduttività termica del rame rosso è 401 W/(m·K), molto più alta di quella della lega di alluminio, il che può ridurre la resistenza termica della parete del tubo). Il diametro interno calcolato del tubo di rame 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.
•Topologia dei canali di flusso di tipo M: un singolo set di canali di flusso di tipo M è composto da "3 segmenti dritti + 2 curve". La lunghezza dei segmenti dritti è adattata alla larghezza della piastra di base (il segmento dritto orizzontale è lungo 120 mm e il segmento di collegamento verticale è lungo 15 mm). Quattro set di tubi di rame di tipo M sono disposti uniformemente lungo la direzione della lunghezza della piastra di base (con una spaziatura di 30 mm) per formare quattro canali indipendenti. Gli ingressi e le uscite dei canali di flusso sono concentrati sullo stesso lato corto della piastra di base (con una spaziatura di 20 mm), il che è comodo per l'aggancio con il sistema di raffreddamento a liquido esterno ed evita l'impatto della differenza di temperatura tra ingressi e uscite sulla dissipazione del calore locale.
•Vantaggi dei quattro canali: rispetto ai canali doppi, i quattro canali distribuiscono uniformemente la portata totale di 4 l/min in 1 l/min per canale singolo. In combinazione con il design a "piegatura multipla" del canale di flusso di tipo M, il refrigerante può coprire oltre il 95% della superficie della piastra di base, aumentando significativamente l'area di scambio termico (l'area totale di scambio termico è di circa 0.12 m²), evitando al contempo il brusco aumento della perdita di pressione causato da una portata eccessivamente elevata in un singolo canale.
2.3 Abbinamento del refrigerante e della portata
Le proprietà fisiche e la portata del refrigerante influiscono direttamente sull'efficienza del trasferimento di calore convettivo, che deve essere adattata con precisione alla struttura a quattro canali:
•Selezione del refrigerante: viene utilizzata una soluzione mista 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 resistenza alla corrosione (adatta per scenari di contatto rame-alluminio), basso punto di congelamento (-35 °C) e alto punto di ebollizione (108 °C) e può funzionare stabilmente per lungo tempo a una temperatura ambiente di 35 °C.
•Analisi della portata e del regime di flusso: con una portata totale di 4 l/min (1 l/min per 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 0.7 m/s e il numero di Reynolds Re ≈ (0.00704 m×0.7 m/s)/(1.0×10⁻⁶m²/s) = 4928, che si trova nello stato di flusso turbolento (Re>4000). Il coefficiente di scambio termico convettivo può raggiungere 5000-6000 W/(m²·K), fornendo supporto al nucleo per una 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 fissata alla fonte di calore tramite grasso siliconico termoconduttivo (conduttività termica 5W/(m·K), spessore 0.1mm) e il valore R_contact calcolato è di circa 0.002℃/W.
•R_conduzione: comprende due parti: conduzione del calore dalla fonte di calore al tubo di rame attraverso la piastra di base (circa 0.003℃/W) e conduzione del calore attraverso la parete del tubo di rame (circa 0.001℃/W), con una R_conduzione totale di circa 0.004℃/W.
•R_convection: la resistenza termica del trasferimento di calore convettivo tra la parete interna del tubo di rame e il refrigerante viene calcolata in base al coefficiente di trasferimento di calore convettivo nello stato di flusso turbolento e R_convection è pari a circa 0.014℃/W.
La resistenza termica totale delle tre parti è di circa 0.02℃/W, il che soddisfa pienamente l'obiettivo di progettazione.
3.2 Verifica e risultati della simulazione
Per creare un modello di simulazione termica 3D viene utilizzato il software ANSYS Fluent e vengono immesse le seguenti condizioni al contorno:
•Fonte di calore: un flusso di calore uniforme da 500 W viene applicato alla superficie superiore della piastra di base (simulando la generazione di calore di dispositivi ad alta potenza).
•Ambiente: un ambiente a convezione naturale a 35℃ (il coefficiente di trasferimento del calore per irraggiamento è impostato su 0.01W/(m²·K), che può essere ignorato).
• Refrigerante: la temperatura di ingresso è di 35°C, la portata totale è di 4 l/min e i parametri fisici corrispondono alla soluzione mista 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 0.019℃/W, che è inferiore al valore target di 0.02℃/W e soddisfa i requisiti di progettazione.
• Distribuzione della temperatura: la temperatura superficiale massima della piastra di base è 35℃ + 500W×0.019℃/W = 44.5℃, mentre la temperatura superficiale minima è 42.8℃. L'intervallo di fluttuazione della temperatura è di 1.7℃, che rientra nell'intervallo target di 44.6℃±2℃, e non ci sono punti caldi locali.
• Perdita di pressione: la perdita di pressione totale dei quattro canali è di 0.65 bar, compatibile con le pompe di raffreddamento a liquido industriali convenzionali (pressione nominale 1-2 bar) senza ulteriore consumo di energia.
3.3 Analisi di sensibilità dei principali fattori influenzanti
• Grado di adattamento del canale di flusso: se c'è uno spazio di 0.1 mm tra il tubo di rame e la scanalatura di inserimento della piastra di base (senza riempimento con adesivo termoconduttivo), la resistenza termica del contatto aumenterà a 0.008 ℃/W e la resistenza termica totale aumenterà a 0.025 ℃/W. Pertanto, sono necessari una lavorazione precisa e un riempimento con adesivo termoconduttivo (conduttività termica 10 W/(m·K)) per garantire un adattamento ermetico.
•Fluttuazione della portata: quando la portata totale diminuisce a 3 L/min, il numero di Reynolds di un singolo canale diminuisce a 3696 (stato di flusso di transizione), il coefficiente di scambio termico convettivo diminuisce a 4000 W/(m²·K), la resistenza termica totale aumenta a 0.024 ℃/W e la temperatura superficiale massima aumenta a 47.0 ℃. Pertanto, la portata deve essere mantenuta stabilmente nell'intervallo 4 L/min ± 0.2 L/min.
•Materiale della piastra di base: se si seleziona erroneamente la lega di alluminio 6061 (conduttività termica 180 W/(m·K)), la resistenza termica conduttiva aumenterà a 0.005 ℃/W e la resistenza termica totale aumenterà a 0.021 ℃/W. Sebbene sia vicino al target, l'errore di uniformità della temperatura si espanderà a 2.3 ℃. Pertanto, la lega di alluminio 6063 è la scelta ottimale.
4. Conclusioni e prospettive
Il tipo M piastra di raffreddamento a liquido a quattro canali incorporata in tubi di rame Progettato in questo studio, attraverso la struttura della piastra di base da 127 mm × 152 mm × 15.2 mm, tubi in rame rosso di tipo M da 9.52 mm × 1.24 mm, piastra di base in lega di alluminio 6063 e portata di 4 l/min, raggiunge una resistenza termica di 0.019 °C/W e una temperatura superficiale di 42.8-44.5 °C in condizioni di potenza di 500 W e temperatura ambiente di 35 °C. Soddisfa pienamente gli indicatori di progettazione e può essere applicato direttamente agli scenari di dissipazione del calore di dispositivi ad alta potenza da 500 W.
Le future direzioni di ottimizzazione possono concentrarsi su tre aspetti:
1. Ottimizzazione della topologia del canale di flusso: modificare il canale di flusso di tipo M in un "doppio tipo M" (aggiungendo un'altra curva) per aumentare ulteriormente l'area di scambio termico, con l'obiettivo di ridurre la resistenza termica entro 0.015℃/W.
2. Aggiornamento del materiale: provare la placcatura in rame sulla superficie della piastra di base (spessore 50 μm) per ridurre la resistenza termica del percorso di conduzione del calore tra la fonte di calore e il tubo di rame e ottimizzare l'uniformità della temperatura.
3. Verifica dell'affidabilità: eseguire un test di ciclo a lungo termine di 1000 ore (ciclo di temperatura -40℃~85℃) per verificare l'impatto della corrosione del tubo di rame e della deformazione della piastra di base sulla resistenza termica, garantendo che la durata del prodotto raggiunga più di 50,000 ore.
