Ricerca sui canali di flusso a spirale per piastre di raffreddamento a liquido nel raffreddamento di componenti elettronici ad alta potenza. Al fine di affrontare le sfide di dissipazione del calore nel raffreddamento di componenti elettronici ad alta potenza in spazi limitati, questo articolo progetta una piastra di raffreddamento a liquido a forma di U con dimensioni di 120 mm × 50 mm × 20 mm. Viene condotto uno studio comparativo tra canali di flusso rettilinei e canali di flusso a spirale in condizioni operative di potenza di riscaldamento di 100 W e bassa portata di 1 L/min.
I risultati mostrano che il canale di flusso a spirale può interrompere efficacemente lo stato di flusso laminare e migliorare il trasferimento di calore turbolento. La temperatura superficiale massima della piastra di raffreddamento scende da 49.61℃ a 41.9℃, migliorando significativamente l'efficienza di dissipazione del calore, mentre la differenza di pressione è di soli circa 0.1 MPa.
Ottimizzando il rapporto tra caduta di pressione, potenza di riscaldamento e portata, questo design a piastra fredda offre una soluzione di raffreddamento compatta ed efficace per sistemi di gestione termica avanzati in applicazioni ad alta densità.
Parole
Piastra di raffreddamento a U; canale di flusso a spirale; rottura laminare; potenziamento della turbolenza; bassa portata; dissipazione del calore compatta
1. introduzione
Con la tendenza alla miniaturizzazione, all'elevata potenza e all'integrazione sempre maggiore nelle apparecchiature elettroniche, la densità del flusso termico dei componenti è aumentata rapidamente. Le tradizionali piastre di raffreddamento a liquido con canali di flusso lisci mantengono facilmente un flusso laminare stabile in condizioni di bassa portata e volume ridotto, con conseguente formazione di spessi strati limite termici e bassa efficienza di trasferimento del calore. L'ottimizzazione della struttura dei canali di flusso è diventata la strategia fondamentale per migliorare le prestazioni di raffreddamento.
Il canale di flusso a spirale, con la sua particolare struttura elicoidale, è in grado di perturbare il flusso del fluido, distruggere lo strato limite laminare e indurre turbolenza, migliorando l'efficienza dello scambio termico senza un eccessivo aumento della caduta di pressione. Questo articolo prende come oggetto di studio una piastra di raffreddamento compatta a forma di U, confronta le prestazioni di dissipazione del calore di canali di flusso lisci e a spirale con un carico termico di 100 W e una portata di 1 L/min, si concentra sull'influenza del passo e dell'altezza della filettatura e chiarisce i vantaggi applicativi dei canali a spirale in scenari di raffreddamento compatti.
2. Progettazione della ricerca e impostazione dei parametri
2.1 Progettazione del modello
La piastra di raffreddamento a liquido a forma di U ha dimensioni complessive di 120 mm di lunghezza, 50 mm di larghezza e 20 mm di altezza ed è realizzata in lega di alluminio ad alta conduttività termica. Il canale di flusso adotta una configurazione a U per coprire completamente l'area di riscaldamento. Il gruppo di controllo utilizza un canale di flusso a pareti lisce e dritte, mentre il gruppo di prova utilizza una struttura a spirale filettata all'interno del canale di flusso per migliorare la turbolenza del fluido.
2.2 Condizioni di lavoro
Le condizioni di simulazione sono impostate in base ad applicazioni pratiche a bassa portata:
• Potenza di riscaldamento: 100W
• Liquido di raffreddamento: acqua deionizzata
• Portata in ingresso: 1 L/min
• Temperatura ambiente: 25℃
2.3 Indicatori di valutazione
Le prestazioni vengono valutate in base a tre indicatori chiave: temperatura massima della superficie della piastra di raffreddamento, efficienza di dissipazione del calore e differenza di pressione del sistema. La caduta di pressione riflette direttamente la resistenza al flusso e il consumo di energia della pompa, aspetto critico nei sistemi a bassa portata.
3. Meccanismo di dissipazione del calore nei canali a flusso spirale
In canali rettilinei e lisci, il fluido mantiene un flusso laminare stabile a basse portate. Il flusso è costante lungo la direzione assiale, formando uno strato limite termico spesso e continuo, che limita notevolmente la conduzione e la convezione del calore.
La struttura a spirale all'interno del canale elicoidale impone una continua perturbazione tangenziale al fluido, modificando la distribuzione della velocità e rompendo lo strato limite laminare, favorendo la transizione dal flusso laminare alla turbolenza. In condizioni turbolente, l'intensa miscelazione dei microcluster di fluido assottiglia lo strato limite e riduce la resistenza termica. Allo stesso tempo, la struttura a spirale aumenta l'area effettiva di scambio termico. Insieme, questi effetti migliorano significativamente l'efficienza del trasferimento di calore in condizioni di bassa portata.
4. Risultati e analisi
4.1 Confronto delle prestazioni tra due canali di flusso
Con una potenza inferiore a 100 W e una portata di 1 L/min, i risultati dei test mostrano differenze evidenti:
• Canale liscio: temperatura massima 49.61℃
• Canale a spirale: temperatura massima 41.9℃
Il calo di temperatura raggiunge i 7.71 °C, indicando un notevole miglioramento nella dissipazione del calore. La differenza di pressione del sistema misurata è di circa 0.1 MPa, un valore molto basso e adatto a sistemi di pompaggio a bassa potenza. Ciò dimostra che i canali a spirale possono migliorare notevolmente il raffreddamento senza aumentare significativamente la resistenza al flusso in sistemi compatti a bassa portata.
4.2 Influenza dei parametri strutturali
Il passo e l'altezza della filettatura sono i parametri più importanti del canale di flusso a spirale:
• Passo della filettatura: un passo troppo piccolo aumenta bruscamente la resistenza al flusso e la caduta di pressione. Un passo troppo grande non riesce a perturbare efficacemente il fluido, con conseguente scarso miglioramento del trasferimento di calore. Solo un passo moderato può bilanciare la turbolenza e la perdita di pressione.
• Altezza della filettatura: un'altezza insufficiente produce una debole perturbazione e un miglioramento limitato del raffreddamento. Un'altezza eccessiva riduce l'area di flusso, causando un'elevata velocità locale e un'eccessiva caduta di pressione. Un'altezza della filettatura ragionevole massimizza la perturbazione mantenendo al contempo uno spazio di flusso adeguato.
Pertanto, la progettazione dei canali di flusso a spirale deve coordinare la geometria della filettatura, la caduta di pressione ammissibile e la dissipazione di calore desiderata per ottenere prestazioni complessive ottimali.
5. Conclusioni e applicazioni ingegneristiche
Conclusione 5.1
1. Con un carico termico inferiore a 100 W e una portata ridotta di 1 L/min, il canale di flusso a spirale interrompe efficacemente il flusso laminare e intensifica la turbolenza, riducendo la temperatura massima da 49.61 °C a 41.9 °C con una caduta di pressione di soli 0.1 MPa.
2. Il passo e l'altezza della filettatura influenzano significativamente sia il trasferimento di calore che la resistenza al flusso, richiedendo un'ottimizzazione bilanciata.
3. Per scenari di raffreddamento a bassa portata, compatti e ad alta potenza, i canali a spirale offrono un'elevata efficienza senza aumentare il volume o il consumo di energia della pompa.
5.2 Prospettive di applicazione
In settori quali l'elettronica di consumo, i veicoli a energia alternativa, l'industria aerospaziale e le apparecchiature di comunicazione, l'elevata richiesta di dissipazione del calore spesso si combina con rigidi vincoli di spazio e di potenza. La piastra di raffreddamento a U con canale di flusso a spirale è particolarmente adatta a tali applicazioni.
Nella progettazione pratica, il passo e l'altezza della filettatura possono essere personalizzati in base alla potenza di riscaldamento, allo spazio disponibile, alla portata e alla caduta di pressione ammissibile. Ulteriori ricerche potrebbero includere la forma della sezione trasversale, l'angolo dell'elica e l'ottimizzazione multi-obiettivo per supportare lo sviluppo di sistemi di gestione termica compatti ad alte prestazioni.
Nelle applicazioni per veicoli elettrici, problematiche termiche simili vengono affrontate nei sistemi di batterie, come discusso nella nostra guida alla progettazione delle piastre di raffreddamento a liquido per batterie di veicoli a energia nuova.
6. Osservazioni
Il canale di flusso a spirale supera in modo innovativo la limitazione del flusso laminare dei tradizionali canali lisci, offrendo una soluzione efficace per la dissipazione del calore ad alte prestazioni nelle apparecchiature miniaturizzate. Con la continua tendenza all'integrazione dei dispositivi, lo studio della geometria del canale di flusso a spirale e delle sue prestazioni termoidrauliche svolgerà un ruolo importante nel migliorare l'affidabilità e la durata dei dispositivi elettronici, e fornirà nuove direzioni per la progettazione di piastre di raffreddamento a liquido avanzate e tecnologie di gestione termica .
Per strategie di ottimizzazione dei canali più avanzate, come il miglioramento del flusso su scala micrometrica, è possibile consultare anche il nostro studio sulla progettazione di piastre di raffreddamento a liquido a microcanali.