Вся система жидкостного охлаждения включает в себя такие компоненты, как пластины жидкостного охлаждения, жидкостные охлаждающие среды, насосы, водопроводные трубы и радиаторы. В общем, теплофизические свойства обычно используемых жидкостных охлаждаемых рабочих жидкостей показаны в следующей таблице：
Из приведенной выше таблицы видно, что выбор жидкостной охлаждающей среды оказывает фиксированное влияние на эффективность рассеивания тепла всей системы. Не меняя других условий, приоритет следует отдавать средам, которые соответствуют требованиям окружающей среды (высота над уровнем моря, температура окружающей среды и т. д.) и имеют низкую стоимость. Однако пластина жидкостного охлаждения также является важной частью системы рассеивания тепла жидкостного охлаждения, которая является компонентом теплообмена системы жидкостного охлаждения. Она имеет внутреннюю структуру канавки теплообмена, а именно канал потока. Различия в конструкции внутреннего канала потока оказывают значительное влияние на эффективность теплопередачи всей системы, и здесь задействованы значительные переменные. Поэтому мы не будем обсуждать среду жидкостного охлаждения. Давайте возьмем чистую воду в качестве примера, чтобы проанализировать идеи проектирования и оптимизации канала потока пластины жидкостного охлаждения.
При проектировании конструкции пластин жидкостного охлаждения необходимо учитывать следующие моменты:
Требования к характеристикам теплопередачи: При задании расхода и разницы температур воды на входе и выходе, достичь целевого повышения температуры источника тепла, а также целевого теплового сопротивления радиатора и требований к его теплопередаче; прочность и
Требования к давлению: В некоторых проектах могут потребоваться специальные указания относительно поверхностного давления и общего напряженного состояния жидкостной охлаждающей пластины в связи с условиями эксплуатации и требованиями к монтажу внутри системы.
Требования к антикоррозионной защите: Длительный поток жидкого охлаждающего вещества в канале будет подвергаться воздействию высоких температур, что усугубит повреждение металлических материалов, может привести к засорению и снижению эффективности теплоотвода;
Требования к предотвращению утечек: конструкция крышки, верхних и нижних торцевых поверхностей, уплотнительных лент, а также методы сварки трением с перемешиванием или пайки могут обеспечить меры по предотвращению утечек; Требования к снижению затрат: снижение затрат, связанных с давлением насоса, рабочим временем и т. д., с учетом технологичности производства и обработки, выбора материалов, сложности процесса, сопротивления потоку, термического сопротивления и т. д. Для удовлетворения вышеуказанных требований необходимо всесторонне учитывать при проектировании материалы, конструкцию, методы изготовления и другие аспекты.
Материал пластины жидкостного охлаждения влияет на эффективность теплопередачи между водным путем и охлаждающей водой. Использование материалов с высокой теплопроводностью для изготовления пластины жидкостного охлаждения может эффективно снизить общее тепловое сопротивление системы. Общие свойства материалов, представленных алюминием и медью, показаны в таблице ниже:
Алюминиевые сплавы, как наиболее часто используемый материал для теплоотвода, обладают такими преимуществами, как высокая теплопроводность, низкая плотность, хорошие технологические характеристики, хорошая коррозионная стойкость и хорошие физико-механические свойства. Технология антикоррозионной обработки алюминиевых профилей хорошо отработана, что обеспечивает долговременную надежную эксплуатацию водоохлаждаемых пластин. Для изготовления алюминиевых радиаторов в электронных изделиях используются материалы серий 50 и 60, такие как AL5051606016063, которые обладают хорошей теплопроводностью, коррозионной стойкостью и технологическими характеристиками. Они подходят для анодирования и обработки на станках с ЧПУ сложных каналов.
Исследование здесь сосредоточено на идеях и методах проектирования и оптимизации каналов потока пластин с водяным охлаждением с учетом определения расхода воды и основных требований к падению давления. Основные стили каналов потока пластин с жидкостным охлаждением в основном делятся на плоские, W-образные, круглые, цилиндрические, архимедовы спиральные водные пути и т. д. Ниже приведены краткие пояснения в соответствии со схемой.
Жидкостная охлаждающая пластина с плоским каналом для потока обладает рядом ключевых особенностей. Она обеспечивает плавный и равномерный поток. Конструкция позволяет эффективно передавать тепло благодаря хорошему контакту с охлаждающей жидкостью. Зачастую она имеет простую конструкцию, что облегчает производство, и может обеспечивать надежное охлаждение в различных областях применения. Как показано на рисунке выше, входное и выходное отверстия имеют простую конструкцию с обеих сторон.
Жидкостная охлаждающая пластина с W - образным каналом для потока обладает множеством преимуществ в области жидкостного охлаждения. Конструктивно W-образный канал увеличивает площадь контакта между жидкостью и охлаждающей пластиной и удлиняет путь потока жидкости. Это позволяет более полно поглощать тепло и повышает эффективность теплообмена. С точки зрения потока жидкости, это позволяет создавать более сложные потоки, уменьшать ламинарный поток, усиливать турбулентность и обеспечивать более равномерную и быструю передачу тепла. Такая конструкция эффективно снижает риск локального перегрева и обеспечивает более стабильную работу всей системы охлаждения, что подходит для сценариев с высокими требованиями к теплоотводу.
Кольцевой канал жидкостной охлаждающей пластины обладает рядом преимуществ. Во-первых, кольцевая структура обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости, формируя стабильный и непрерывный контур охлаждения и гарантируя равномерный отвод тепла. Равномерная передача тепла предотвращает локальный перегрев и защищает электронные компоненты и другое оборудование, контактирующее с пластиной. Кроме того, кольцевой канал обеспечивает более равномерный поток охлаждающей жидкости, уменьшая турбулентность и сопротивление жидкости, что повышает эффективность процесса охлаждения. В то же время, конструкция кольцевого канала относительно проста, что удобно для обработки и изготовления, а также снижает себестоимость.
Жидкостная охлаждающая пластина использует характеристики канала с архимедовой спиралью , что обеспечивает эффективное рассеивание тепла. Спиральная форма удлиняет путь потока охлаждающей жидкости в канале и увеличивает площадь контакта, что позволяет полностью поглощать тепло, обеспечивать эффективный теплообмен и эффективно снижать температуру. С точки зрения гидродинамики, это позволяет плавно направлять поток охлаждающей жидкости, уменьшать турбулентность потока и локальные колебания скорости, тем самым снижая шум жидкости и потери давления.
Благодаря различным комбинациям можно достичь множества неожиданных эффектов. Наши инженеры составят тепловой анализ этих каналов для нашей справки в будущем. Для проектирования этих каналов также есть несколько типичных конструкций каналов с водяным охлаждением. Давайте рассмотрим идеи оптимизации дизайна для них.
Добавление контуров: После предварительного планирования конструкции канала для потока жидкости численное моделирование показало, что эффективность теплоотвода не соответствует требованиям, а тепловое сопротивление высокое. В этом случае можно рассмотреть возможность добавления контуров, например, перехода от одноконтурной системы к двухконтурной или даже к более многоконтурной, для повышения теплопередачи;
Увеличение площади теплоотвода: если позволяет внутреннее конструктивное пространство, для оптимизации можно соответствующим образом добавить внутри канала потока цилиндрические или квадратные ребра, расположенные в шахматном или последовательном порядке;
Оптимизация скорости внутреннего потока воды: При постоянной площади поперечного сечения входного отверстия, чем больше площадь поперечного сечения внутреннего канала потока воды, тем ниже его скорость, что не способствует быстрой теплопередаче. Конечно, недостаточно просто уменьшить площадь поперечного сечения, чтобы повысить скорость потока, так как это приведет к увеличению сопротивления потоку;
Площадь сбалансированного водяного охлаждения: Постарайтесь равномерно покрыть поверхность контакта источника тепла с каналом потока. В особых случаях, когда площадь и пространство невелики, хорошим выбором является спираль Архимеда; Предотвращение коротких замыканий: Когда вход и выход расположены очень близко, часто используется ребристая структура конструкции водовода, чтобы расширить водовод и распределить его непосредственно под источником тепла, избегая прямого потока воды от входа к выходу;
Избегайте чрезмерного потока воды: В ситуациях, когда распределение источников тепла относительно специфично, например, вертикальное наслоение, общая концепция дизайна может быть каналом потока, снизу вверх или сверху вниз, но это может привести к увеличению разницы температур между задним и передним концами. В этом случае можно рассмотреть раздельное охлаждение путем наслоения;
Постарайтесь свести к минимуму изгибы и сделать переходы плавными: изгибы увеличивают потерю напора и увеличивают внутреннее сопротивление потоку. Если это неизбежно, постарайтесь сделать плавные переходы в изгибах, чтобы улучшить рассеивание тепла и уменьшить падение давления.
Конечно, при проведении вышеуказанного оптимизационного проектирования необходимо одновременно подтвердить, соответствуют ли внутреннее сопротивление потоку, тепловое сопротивление, структурная прочность (поверхностное давление и т. д.) системы фактическим требованиям и ограничениям проекта, при этом максимально учитывая осуществимость производства и обработки, а также стоимость. На основе исходного проекта, предполагая, что водный путь оптимизирован за счет увеличения внутренней площади рассеивания тепла, уменьшения площади поперечного сечения и увеличения контура, теоретические результаты рассчитываются отдельно; На основе результатов анализа установить несколько моделей проектирования водного пути и провести моделирование в требуемой среде. Сравнить и проанализировать результаты моделирования, установить экспериментальные модели и испытания и проверить результаты анализа гипотез и численного моделирования. С любым проектом оптимизации могут связаться наши инженеры в KENFA TECH.