A causa della crescente potenza dei dispositivi elettronici, l'utilizzo di dissipatori di calore ad aria sta diventando sempre più difficile da soddisfare per soddisfare i requisiti richiesti. L'impiego dell'aria come fluido di lavoro rende sempre più complessa la progettazione di dissipatori di calore in grado di dissipare oltre 100 W/cm² a livello del dispositivo. Le piastre di raffreddamento a liquido si sono affermate come valida alternativa ai dissipatori ad aria grazie alle loro prestazioni superiori e alle dimensioni ridotte. Nell'ambito della tecnologia di raffreddamento a liquido, le piastre di raffreddamento a liquido a microcanali rappresentano la tecnologia di raffreddamento a livello di dispositivo più promettente.
Produttore di piastre fredde liquide — Kenfatech
Grazie a oltre 10 anni di esperienza nella produzione, KENFA TECH adotta vari processi di produzione avanzati per realizzare piastre raffreddate a liquido, in particolare microcanali ottimizzati per piastre raffreddate a liquido, in grado di assorbire 790 W/cm2 di calore.
La magia dietro le piastre microchannel raffreddate a liquido risiede nella loro capacità di raggiungere elevati coefficienti di trasferimento di calore e creare un'ampia superficie. La capacità di dissipazione del calore dei dissipatori raffreddati a liquido è determinata dalla conduzione del calore nei materiali solidi e dalla convezione del calore nei fluidi.
Formula 1
Di solito, quando si utilizzano materiali altamente conduttivi per produrre dissipatori di calore, la convezione è il fattore principale nella riduzione della resistenza termica. Per un flusso laminare completamente sviluppato in un canale quadrato con temperatura di parete costante o flusso di calore di parete, il numero di Nusselt Nu è una costante. Il coefficiente di trasferimento di calore h può essere calcolato dalla seguente equazione.
Tra loro, k è la conduttività termica del fluido, e Dh è il diametro idraulico del canale. L'equazione di cui sopra indica che il coefficiente di trasferimento di calore è inversamente proporzionale al diametro idraulico del canale. Riducendo le dimensioni del canale, è possibile ottenere un coefficiente di trasferimento di calore maggiore.
Anche il coefficiente di attrito del flusso laminare completamente sviluppato in un canale quadrato è una costante.
Formula 2
La formula per il calcolo della caduta di pressione δ P attraverso il canale è la seguente, dove f è il coefficiente di attrito, u è la velocità del flusso e L è la lunghezza del canale. Si può notare che la caduta di pressione è anche inversamente proporzionale al diametro idraulico del canale. Quindi, a parità di portata, minore è il diametro del canale, maggiore è la caduta di pressione.
Combinando le due formule di cui sopra, c'è una contraddizione tra il miglioramento delle prestazioni termiche e idrauliche dei radiatori a microcanali. Per ridurre la resistenza termica, la dimensione del canale dovrebbe essere ridotta. Tuttavia, man mano che la dimensione del canale diminuisce, la caduta di pressione attraverso il canale aumenterà. Ciò significa che è necessaria più potenza per azionare il flusso, il che aumenta la richiesta di prestazioni della pompa esterna.
Esistono molti metodi per migliorare le prestazioni dei microcanali. Alcuni di essi mirano ad aumentare il coefficiente di trasferimento di calore convettivo, altri si concentrano sulla riduzione della caduta di pressione e altri ancora sono dedicati a questi due obiettivi. I metodi generali per migliorare le prestazioni possono essere riassunti come segue:
Canali con rapporto di aspetto più grande
Utilizzando canali più profondi si aumenterà il trasferimento di calore convettivo e si ridurrà la caduta di pressione nei riscaldatori a microcanali. Confrontare due diverse geometrie di canale nella Figura 1.
Per una disposizione di scanalature quadrate, il diametro idraulico è 2a, la circonferenza limite è 24h e l'area trasversale totale della scanalatura è 12a ². Per una disposizione di canali rettangolari con un rapporto di aspetto di 6, il diametro idraulico del canale è:
la circonferenza totale è 56a e l'area trasversale totale è 24 metri quadrati. I canali rettangolari hanno diametri idraulici più piccoli e perimetri e aree trasversali più grandi. Ciò significa che possono ottenere una minore resistenza termica e caduta di tensione. Il suo principio di funzionamento è come un dissipatore di calore raffreddato ad aria con lunghe alette. Tuttavia, ci sono limitazioni sull'altezza delle alette nelle strutture a microcanali. Questa limitazione è limitata dalla tecnologia di produzione e dalla conduzione interna dei materiali solidi. Da un lato, è difficile formare canali con un ampio rapporto di aspetto con uno spessore di parete uniforme su scala microscopica.
D'altro canto, a causa del loro elevato coefficiente di trasferimento di calore convettivo, l'efficienza delle alette microcanale diminuisce rapidamente con l'aumento dell'altezza del canale. Ciò significa che quando l'altezza del canale supera un certo limite, la resistenza termica complessiva non cambierà e la resistenza termica all'interno del solido diventerà significativa. Pertanto, esiste un rapporto di aspetto ottimizzato e gli ingegneri termici devono trovare la soluzione ottimale tra prestazioni e costi.
Miglioramento delle pinne
Esistono molti modi per migliorare le prestazioni delle pinne, come ad esempio i quattro tipi di pinne mostrati nella Figura 2.
La (a) mostra un layout convenzionale a pinne dritte. La figura (b) mostra un layout con pinne scomposte, che miglioreranno la miscelazione del flusso e ridurranno la caduta di pressione. La figura (c) mostra un layout con ali sfalsate. Questo layout può sfondare lo strato limite e ottenere un coefficiente di trasferimento di calore maggiore su una singola pinna. La figura 2 (d) mostra un layout complesso a pinne a forma di diamante.
Ottimizzazione del flusso
Cambiare la struttura dei dissipatori di calore a microcanali per creare un flusso migliore è un altro modo per ottenere prestazioni migliori del dissipatore di calore. La Figura 3 illustra un esempio di ottimizzazione del flusso. In questo dissipatore di calore a microcanali, ci sono due ingressi e due uscite. Il flusso è separato al centro. Le prestazioni termiche di questa struttura sono simili al layout a pinne dritte mostrato nella Figura 2 (a). Poiché la lunghezza del flusso è ridotta della metà, anche la caduta di pressione è ridotta della metà rispetto alla Figura 2 (a).
Struttura microcanale multistrato
L'uso della struttura a microcanali multistrato può ottenere buone prestazioni termiche e idrauliche. La Figura 4 mostra due esempi di dissipatori di calore a microcanali multistrato. La struttura a microcanali multistrato riduce il diametro idraulico del canale, con conseguente elevato coefficiente di trasferimento di calore e aumento dell'area bagnata tra solidi e liquidi. Ciò aiuta a ridurre la resistenza termica totale. Aumenta inoltre l'area della sezione trasversale del canale, con conseguente minore caduta di pressione.
Questa struttura multistrato può anche superare la limitazione dell'altezza del canale imposta dalla tecnologia di produzione e rendere il dissipatore di calore più spesso.
Tuttavia, ciò significa anche che la creazione di strutture microcanali multistrato comporterà un aumento dei costi e delle difficoltà di produzione.
Pertanto, quando si ottimizzano i microcanali delle piastre raffreddate a liquido, dobbiamo considerare la scelta del costo e della tecnologia di elaborazione, in modo da rendere la progettazione della piastra raffreddata a liquido con un elevato rapporto costi-efficacia.