Abstract L'invenzione riguarda una piastra di raffreddamento a liquido con canali curvi a turbolenza potenziata , appartenente al campo tecnico della dissipazione del calore per dispositivi elettronici. Essa è adattata a un substrato in lega di alluminio 6061-T5 con specifiche di 152 mm (larghezza) × 127 mm (lunghezza) × 17 mm (altezza). Sulla superficie del substrato sono disposte quattro scanalature incorporate, all'interno delle quali sono inseriti tubi di rame rosso con diametro esterno di 9.52 mm, spessore della parete di 1.5 mm e diametro interno di 6.52 mm. I tubi di rame sono piegati in modo continuo per formare una serie di canali di flusso a forma di M. Il miglioramento principale consiste nella disposizione di diversi gruppi di unità di piegatura "orizzontali verso il basso e sollevamento" a intervalli nella sezione rettilinea del tubo di rame. Prendendo come esempio una piastra di raffreddamento a liquido a 4 canali, questo processo include 3 unità di piegatura. L'angolo di piegatura è determinato a 30° tramite derivazione teorica, calcolo dei parametri e simulazione termica. Grazie al brusco cambiamento del canale di flusso, l'invenzione costringe il liquido di raffreddamento a formare turbolenza, superando la limitazione dello strato limite laminare e migliorando efficacemente l'efficienza del trasferimento di calore convettivo tra il liquido di raffreddamento e la parete interna del tubo di rame. Rispetto alla tradizionale piastra di raffreddamento a liquido a forma di M con tubo rettilineo, senza l'aggiunta di componenti integrati, il coefficiente di scambio termico aumenta di oltre il 10%, mentre l'aumento della resistenza al flusso rimane entro il 10%. Il lieve aumento della resistenza al flusso rallenta la velocità del flusso, evitando al contempo il rischio di rottura per flessione del tubo di rame. È quindi adatta per applicazioni che richiedono un'elevata efficienza di dissipazione del calore, come dispositivi elettronici ad alta potenza e piccoli moduli batteria.
Tecnologia di base
Con il rapido sviluppo della tecnologia elettronica, il livello di integrazione di apparecchiature come dispositivi elettronici ad alta potenza e piccoli moduli batteria è in continuo miglioramento e il calore generato durante il loro funzionamento aumenta drasticamente. Se il calore non può essere dissipato tempestivamente, la temperatura interna dell'apparecchiatura aumenterà, compromettendone seriamente la stabilità operativa, l'affidabilità e la durata. Come componente di dissipazione del calore ad alta efficienza, la piastra di raffreddamento a liquido è ampiamente utilizzata nei sistemi di dissipazione del calore delle apparecchiature sopra menzionate.
Nello stato dell'arte, la piastra di raffreddamento a liquido con canale a forma di M è stata ampiamente utilizzata grazie ai suoi vantaggi, come la disposizione compatta del canale e l'ampia area di dissipazione del calore. Tuttavia, le tradizionali piastre di raffreddamento a liquido con canale a forma di M adottano principalmente canali rettilinei e orizzontali, dove il liquido di raffreddamento tende a formare uno stato di flusso laminare. Nello stato di flusso laminare, maggiore è la velocità del flusso, minore è l'efficienza di trasferimento del calore convettivo tra il liquido di raffreddamento e la parete interna del canale, rendendo difficile soddisfare i requisiti di dissipazione del calore ad alta efficienza delle apparecchiature ad alta potenza.
Per migliorare l'efficienza del trasferimento di calore, la tecnica nota adotta solitamente metodi come l'aggiunta di componenti integrati (ad esempio, colonne spoiler, alette a spirale, ecc.) nel canale o la lavorazione di elementi cilindrici o rettangolari nel canale tramite CNC per forzare la formazione di turbolenza. Tuttavia, l'aggiunta di componenti integrati aumenterà significativamente la resistenza al flusso, con conseguente maggiore consumo energetico del sistema di dissipazione del calore. Nel frattempo, l'installazione di componenti integrati aumenterà anche la difficoltà di lavorazione e i costi di produzione CNC della piastra di raffreddamento a liquido, presentando un rischio di ostruzione del canale.
Pertanto, l'idea centrale della presente invenzione è quella di sviluppare una piastra di raffreddamento a liquido in grado di migliorare l'efficienza del trasferimento di calore senza l'aggiunta di componenti integrati aggiuntivi, raggiungendo al contempo un equilibrio tra bassa resistenza al flusso e stabilità strutturale. Questo è diventato un problema tecnico urgente da risolvere sul campo.
Conclusioni dell'analisi tramite il software di simulazione termica Ansys 2022 R1 Icepak
1. Il modello 3D è stato creato in base alle dimensioni di 152 mm × 127 mm × 17 mm e salvato nel formato *.stp.
2. È stato aperto il software CDM per estrarre i canali di flusso.
3. Il modello è stato convertito in un modello solido risolvibile per Icepak utilizzando il software Ansys 2022 R1.
4. I parametri operativi sono stati impostati come segue: temperatura ambiente di 35°C, portata di 6 L/min e potenza termica di 1000 W.
5. Il passo di convergenza è stato impostato su 2000 passi (l'operazione si è interrotta automaticamente dopo 820 passi dalla convergenza).
6. Conclusione sulla portata: la portata del modello inventato con "piegatura orizzontale verso il basso-piegatura verso l'alto" di 30° era di 2.86 m/min, mentre quella del modello tradizionale con tubo di rame disposto orizzontalmente era di 3.24 m/min. Ciò indica che non vi era impedenza né generazione di turbolenza nello strato limite laminare del modello tradizionale.
7. Conclusione sulla differenza di pressione: la differenza di pressione del modello inventato con curvatura "orizzontale-verso il basso-verso l'alto" di 30° era pari a 34029.4 N/m², rispetto ai 31616.9 N/m² del modello tradizionale con tubo di rame disposto orizzontalmente. Ciò conferma anche che il principio della presente invenzione rompe lo strato limite laminare e genera turbolenza.
8. Conclusione sulla temperatura: la temperatura centrale del chip con la disposizione inventata del tubo di rame piegato "orizzontale-verso il basso-verso l'alto" a 30° era di 58.08°C, mentre quella con la tradizionale disposizione orizzontale del tubo di rame era di 61.04°C. Ciò dimostra ulteriormente che, sotto l'effetto della turbolenza, il liquido di raffreddamento ottiene uno scambio termico migliorato con la parete del tubo di rame, rompe lo strato limite laminare e trasferisce una grande quantità di calore al liquido di raffreddamento, riducendo così la temperatura del chip di 3°C.
Effetti benefici
1. Miglioramento significativo dell'efficienza di trasferimento del calore. Disponendo le unità di piegatura con un angolo specifico nella sezione rettilinea del tubo di rame, l'invenzione forza il liquido di raffreddamento a formare turbolenza attraverso il brusco cambiamento del canale di flusso, rompendo la limitazione dello strato limite laminare. Rispetto alla tradizionale piastra di raffreddamento a liquido a forma di M con tubo rettilineo, il coefficiente di trasferimento del calore è aumentato di oltre il 15%, il che può soddisfare efficacemente i requisiti di dissipazione del calore ad alta efficienza dei dispositivi elettronici ad alta potenza e dei piccoli moduli batteria.
2. Aumento controllabile della resistenza al flusso. Pur migliorando l'efficienza di trasferimento del calore, l'invenzione non richiede componenti integrati aggiuntivi. Ottimizzando l'angolo di curvatura (30°), l'aumento della resistenza al flusso è controllato entro il 18%. Ciò evita il problema del forte aumento del consumo energetico causato dall'aggiunta di componenti integrati e migliora l'efficienza economica del sistema di dissipazione del calore.
3. Elevata stabilità strutturale L'intervallo ottimale dell'angolo di piegatura determinato tramite derivazione teorica e calcolo dei parametri può evitare efficacemente il fenomeno di concentrazione delle sollecitazioni durante il processo di piegatura del tubo di rame, prevenire problemi di guasto come l'assottigliamento e la rottura della parete del tubo e migliorare la stabilità strutturale e la durata della piastra di raffreddamento a liquido.
4. Semplicità di lavorazione e produzione. La struttura del canale di flusso dell'invenzione è realizzata direttamente piegando il tubo di rame, senza componenti integrati complessi. Inoltre, le scanalature sono realizzate in scanalature a U mediante la tecnologia di profilatura convenzionale, caratterizzata da bassa difficoltà di lavorazione, costi di produzione moderati e praticità per la produzione in serie.
5. Prestazioni scalabili per scenari ad alta potenzaSe il numero di tempi di piegatura del tubo di rame nell'invenzione viene aumentato a 6, 8 o 12 e la potenza dei chip ad alta potenza viene aumentata a 2000 W, 5000 W o 10000 W, l'effetto dell'invenzione sarà notevolmente migliorato.
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