Резюме
Для удовлетворения требований по рассеиванию тепла для мощных устройств мощностью 500 Вт в данном исследовании разработана четырехканальная система охлаждения с медной трубкой типа М. пластина жидкостного охлажденияНа основе базовой пластины размером 127 мм × 152 мм × 15.2 мм построены четыре набора каналов потока М-типа с использованием медных трубок с внешним диаметром 9.52 мм и толщиной стенки 1.24 мм. В сочетании с базовой пластиной из алюминиевого сплава 6063 и расходом охлаждающей жидкости 4 л/мин достигается целевое тепловое сопротивление 0.02 °C/Вт при температуре окружающей среды 35 °C, а максимальная температура поверхности пластины жидкостного охлаждения поддерживается в диапазоне 44.6 °C ± 2 °C. В данной статье подробно рассматриваются топология каналов потока, логика согласования параметров и процесс проверки производительности, а также предоставляется инженерная справочная информация. решение по тепловому проектированию для эффективного отвода тепла от мощных устройств.
1. Предпосылки проектирования и основные требования
С развитием силовых электронных устройств в сторону высокой интеграции и высокой плотности мощности проблема рассеивания тепла в устройствах мощностью 500 Вт (таких как промышленные инверторные модули и мощные источники питания для драйверов светодиодов) стала ключевым фактором, ограничивающим надежность системы. Традиционные одно- или двухканальные пластины жидкостного охлаждения не могут обеспечить требуемое тепловое сопротивление до 0.02 °C/Вт из-за недостаточного покрытия каналов потока и ограниченной эффективности теплообмена, а также подвержены образованию локальных точек перегрева. Данная конструкция должна обеспечивать следующие основные показатели:
•Конструктивные ограничения: основание пластины жидкостного охлаждения имеет размеры 127 мм × 152 мм (что соответствует схеме установки большинства мощных устройств) и толщину 15.2 мм (баланс структурной прочности и пространства для встраивания проточного канала); материал основания — алюминиевый сплав 6063.
•Целевые показатели производительности: при мощности рассеивания тепла 500 Вт, температуре окружающей среды 35 ℃ и расходе охлаждающей жидкости 4 л/мин общее тепловое сопротивление ≤0.02 ℃/Вт, максимальная температура поверхности ≤46.6 ℃ и минимальная температура поверхности ≥42.6 ℃.
•Конструкция проточного канала: Четырехканальные конструкции изготавливаются с использованием медных трубок типа М для достижения равномерного распределения охлаждающей жидкости в базовой пластине и устранения локальных горячих точек.
2. Структура и параметры ключа Конструкция пластины жидкостного охлаждения
2.1 Конструкция опорной плиты и выбор материала
Поскольку опорная плита является основным компонентом, обеспечивающим поддержку и теплопередачу источника тепла, ее конструкция должна обеспечивать баланс между теплопроводностью и технологичностью обработки:
•Размеры и обработка: Прямоугольная опорная пластина размером 127 × 152 мм имеет толщину 15.2 мм. Четыре набора канавок для установки медной трубки типа «М» выполнены методом фрезерования с ЧПУ. Ширина канавок соответствует внешнему диаметру медной трубки (9.52 мм) с допуском ±0.03 мм (для обеспечения плотного прилегания медной трубки к опорной пластине и снижения контактного теплового сопротивления). Глубина канавок составляет 8 мм (с оставлением толщины 7.2 мм для поддержки опорной пластины во избежание деформации под действием напряжений).
•Свойства материала: выбран алюминиевый сплав 6063 с теплопроводностью около 201 Вт/(м·К) (превосходящей алюминиевый сплав 6061) и плотностью 2.7 г/см³. Он сочетает в себе лёгкость и высокую теплопроводность, а его поверхностная коррозионная стойкость может быть улучшена анодированием, что делает его пригодным для длительной эксплуатации в условиях жидкостного охлаждения.
2.2 Конструкция четырехканальных медных трубок типа М
Проточный канал М-типа является основой для достижения равномерного теплообмена и низкого термического сопротивления, а его топологическая структура и параметры должны точно соответствовать требованиям теплоотдачи:
•Основные параметры медных труб: выбраны медные трубы с наружным диаметром 9.52 мм и толщиной стенки 1.24 мм (теплопроводность красной меди составляет 401 Вт/(м·К), что значительно выше, чем у алюминиевого сплава, что позволяет снизить тепловое сопротивление стенки трубы). Расчётный внутренний диаметр медной трубы составляет 9.52 – 2×1.24 = 7.04 мм, а площадь поперечного сечения одного канала – приблизительно 38.9 мм².
•Топология каналов потока M-типа: один набор каналов потока M-типа состоит из «3 прямых сегментов + 2 изгибов». Длина прямых сегментов адаптирована к ширине основания (длина горизонтального прямого сегмента составляет 120 мм, а вертикального соединительного сегмента — 15 мм). Четыре набора медных трубок M-типа равномерно расположены вдоль продольного направления основания (с шагом 30 мм), образуя четыре независимых канала. Входы и выходы каналов потока сосредоточены на одной короткой стороне основания (с шагом 20 мм), что удобно для стыковки с внешней системой жидкостного охлаждения и позволяет избежать влияния разницы температур между входами и выходами на локальное рассеивание тепла.
•Преимущества четырёхканальной системы: по сравнению с двухканальной, четыре канала равномерно распределяют общий расход 4 л/мин по 1 л/мин на каждый канал. В сочетании с многоскладчатой конструкцией канала потока М-типа, охлаждающая жидкость может покрывать более 95% площади основания, значительно увеличивая площадь теплообмена (общая площадь теплообмена составляет приблизительно 0.12 м²), одновременно избегая резкого увеличения потерь давления, вызванных чрезмерно высоким расходом в одном канале.
2.3 Соответствие расхода охлаждающей жидкости и расхода
Физические свойства и скорость потока охлаждающей жидкости напрямую влияют на эффективность конвективного теплообмена, которую необходимо точно адаптировать к четырехканальной структуре:
•Выбор охлаждающей жидкости: используется смешанный раствор 50% деионизированной воды и 50% этиленгликоля. При 25°C его кинематическая вязкость составляет приблизительно 1.0×10⁻⁶м²/с, а теплопроводность — приблизительно 0.45 Вт/(м·К). Он обладает коррозионной стойкостью (подходит для контактных зон медь-алюминий), низкой температурой замерзания (-35°C) и высокой температурой кипения (108°C), а также может стабильно работать в течение длительного времени при температуре окружающей среды 35°C.
•Анализ расхода и режима течения: При общем расходе 4 л/мин (1 л/мин на один канал) и внутреннем диаметре медной трубки (7.04 мм) расчётный расход охлаждающей жидкости в одном канале составляет приблизительно 0.7 м/с, а число Рейнольдса Re ≈ (0.00704 м × 0.7 м/с)/(1.0 × 10⁻⁶м²/с) = 4928, что соответствует турбулентному режиму течения (Re>4000). Коэффициент конвективной теплопередачи может достигать 5000–6000 Вт/(м²·К), что обеспечивает низкое термическое сопротивление активной зоны.
3. Проверка характеристик теплового сопротивления и анализ температуры
3.1 Состав теплового сопротивления и логика расчета
Общее тепловое сопротивление R_total пластины жидкостного охлаждения состоит из трёх частей: контактного теплового сопротивления (R_contact), кондуктивного теплового сопротивления (R_conduction) и конвективного теплового сопротивления (R_convection). Формула выглядит следующим образом:
R_общий = R_контакт + R_проводимость + R_конвекция
•R_contact: Верхняя поверхность основания крепится к источнику тепла посредством теплопроводящей силиконовой смазки (теплопроводность 5 Вт/(м·К), толщина 0.1 мм), а расчетное значение R_contact составляет приблизительно 0.002 ℃/Вт.
•R_conduction: включает в себя две части — теплопроводность от источника тепла к медной трубке через основание (приблизительно 0.003 ℃/Вт) и теплопроводность через стенку медной трубки (приблизительно 0.001 ℃/Вт), с общей R_conduction примерно 0.004 ℃/Вт.
•R_convection: Тепловое сопротивление конвективной теплопередаче между внутренней стенкой медной трубки и охлаждающей жидкостью рассчитывается на основе коэффициента конвективной теплопередачи в состоянии турбулентного потока, а R_convection составляет приблизительно 0.014 ℃/Вт.
Общее тепловое сопротивление трех частей составляет приблизительно 0.02℃/Вт, что полностью соответствует проектному показателю.
3.2 Проверка моделирования и результаты
Для построения трехмерной тепловой модели используется программное обеспечение ANSYS Fluent, при этом в качестве входных данных используются следующие граничные условия:
•Источник тепла: к верхней поверхности основания подводится равномерный тепловой поток мощностью 500 Вт (имитируя тепловыделение мощных устройств).
•Окружающая среда: среда естественной конвекции при температуре 35 ℃ (коэффициент теплопередачи излучения установлен на уровне 0.01 Вт/(м²·К), что можно проигнорировать).
• Охлаждающая жидкость: температура на входе составляет 35 ℃, общий расход — 4 л/мин, а физические параметры соответствуют 50% раствору смеси воды и этиленгликоля.
Результаты моделирования показывают, что:
•Характеристики теплового сопротивления: общее тепловое сопротивление пластины жидкостного охлаждения составляет 0.019 ℃/Вт, что ниже целевого значения 0.02 ℃/Вт и соответствует проектным требованиям.
•Распределение температуры: максимальная температура поверхности основания составляет 35°C + 500 Вт×0.019°C/Вт = 44.5°C, а минимальная — 42.8°C. Диапазон колебаний температуры составляет 1.7°C, что соответствует целевому диапазону 44.6°C ± 2°C, локальных точек перегрева нет.
•Потеря давления: общая потеря давления четырех каналов составляет 0.65 бар, что совместимо с обычными промышленными насосами жидкостного охлаждения (номинальное давление 1-2 бар) без дополнительных затрат на энергопотребление.
3.3 Анализ чувствительности ключевых влияющих факторов
•Степень прилегания канала потока: если между медной трубкой и канавкой основания имеется зазор 0.1 мм (без заполнения теплопроводящим клеем), контактное тепловое сопротивление увеличится до 0.008 ℃/Вт, а общее тепловое сопротивление увеличится до 0.025 ℃/Вт. Поэтому для обеспечения плотного прилегания требуются точная обработка и заполнение теплопроводящим клеем (теплопроводность 10 Вт/(м·К)).
•Колебания расхода: при снижении общего расхода до 3 л/мин число Рейнольдса для отдельного канала уменьшается до 3696 (переходное состояние течения), коэффициент конвективной теплопередачи уменьшается до 4000 Вт/(м²·К), общее тепловое сопротивление увеличивается до 0.024 ℃/Вт, а максимальная температура поверхности увеличивается до 47.0 ℃. Следовательно, расход необходимо стабильно поддерживать в диапазоне 4 л/мин ± 0.2 л/мин.
•Материал основания: если ошибочно выбран алюминиевый сплав 6061 (теплопроводность 180 Вт/(м·К)) теплопроводное сопротивление увеличится до 0.005 ℃/Вт, а общее тепловое сопротивление — до 0.021 ℃/Вт. Хотя это близко к целевому значению, погрешность распределения температуры увеличится до 2.3 ℃. Поэтому алюминиевый сплав 6063 является оптимальным выбором.
4. Выводы и перспективы
М-тип четырехканальная пластина жидкостного охлаждения со встроенной медной трубкой Разработанная в данном исследовании конструкция с использованием основания размером 127 мм × 152 мм × 15.2 мм, красных медных трубок М-типа размером 9.52 мм × 1.24 мм, основания из алюминиевого сплава 6063 и расходом 4 л/мин обеспечивает тепловое сопротивление 0.019 ℃/Вт и температуру поверхности 42.8–44.5 ℃ при мощности 500 Вт и температуре окружающей среды 35 ℃. Система полностью соответствует проектным показателям и может быть непосредственно применена для рассеивания тепла в устройствах высокой мощности уровня 500 Вт.
Дальнейшие направления оптимизации могут быть сосредоточены на трех аспектах:
1. Оптимизация топологии канала потока: модифицируйте канал потока М-типа на «двойной М-тип» (добавив еще один изгиб) для дальнейшего увеличения площади теплообмена с целью снижения теплового сопротивления до уровня 0.015 ℃/Вт.
2. Модернизация материала: попробуйте нанести медное покрытие на поверхность базовой пластины (толщиной 50 мкм), чтобы уменьшить тепловое сопротивление пути теплопроводности между источником тепла и медной трубкой и оптимизировать равномерность температуры.
3. Проверка надежности: провести 1000-часовое испытание на длительный цикл (температурный цикл -40 ℃ ~ 85 ℃), чтобы проверить влияние коррозии медной трубки и деформации опорной пластины на тепловое сопротивление, гарантируя, что срок службы изделия составит более 50,000 XNUMX часов.