Исследование спиральных каналов для жидкостных охлаждающих пластин в системах охлаждения мощной электроники. С целью решения проблем теплоотвода при охлаждении мощной электроники в ограниченном пространстве, в данной работе разработана U-образная жидкостная охлаждающая пластина размерами 120 мм × 50 мм × 20 мм. Проведено сравнительное исследование гладких прямых и спиральных каналов при рабочих условиях мощности нагрева 100 Вт и низкой скорости потока 1 л/мин.
Результаты показывают, что спиральный канал потока может эффективно нарушить ламинарный режим течения и усилить турбулентный теплообмен. Максимальная температура поверхности охлаждающей пластины снижается с 49.61℃ до 41.9℃, что значительно повышает эффективность теплоотвода, при этом разница давлений составляет всего около 0.1 МПа.
Благодаря оптимизации соотношения между перепадом давления, мощностью нагрева и расходом, эта конструкция охлаждающей пластины обеспечивает эффективное компактное решение для охлаждения современных систем терморегулирования в условиях высокой плотности размещения оборудования.
Ключевые слова
U-образная охлаждающая пластина; спиральный канал потока; разрушение ламинарного потока; усиление турбулентности; низкий расход; компактное теплоотведение
1. Введение
В связи с тенденцией к миниатюризации, увеличению мощности и степени интеграции электронного оборудования, плотность теплового потока компонентов быстро возрастает. Традиционные пластины жидкостного охлаждения с гладкими каналами легко поддерживают стабильный ламинарный поток при низком расходе и малом объеме, что приводит к образованию толстых тепловых пограничных слоев и низкой эффективности теплопередачи. Оптимизация структуры каналов стала ключевым методом повышения эффективности охлаждения.
Спиральный канал с уникальной винтовой структурой способен нарушать течение жидкости, разрушать ламинарный пограничный слой и вызывать турбулентность, повышая эффективность теплообмена без чрезмерного увеличения перепада давления. В данной работе в качестве объекта исследования выбрана компактная U-образная охлаждающая пластина, проведено сравнение теплоотдачи гладких и спиральных каналов при тепловой нагрузке 100 Вт и расходе 1 л/мин, уделено внимание влиянию шага и высоты резьбы, а также разъяснены преимущества применения спиральных каналов в компактных системах охлаждения.
2. План исследования и настройка параметров.
2.1 Проектирование модели
Габаритные размеры U-образной пластины жидкостного охлаждения составляют 120 мм в длину, 50 мм в ширину и 20 мм в высоту. Она изготовлена из алюминиевого сплава с высокой теплопроводностью. Канал подачи жидкости имеет U-образную форму, полностью покрывая зону нагрева. В контрольной группе используется канал с гладкими прямыми стенками, а в экспериментальной группе внутри канала подачи жидкости применяется резьбовая спиральная структура для усиления возмущения потока жидкости.
2.2 Условия работы
Условия моделирования установлены в соответствии с практическими условиями применения при низком расходе:
• Мощность нагрева: 100 Вт
• Охлаждающая жидкость: деионизированная вода
• Расход на входе: 1 л/мин
• Температура окружающей среды: 25℃
2.3 Индикаторы оценки
Производительность оценивается по трем ключевым показателям: максимальной температуре поверхности охлаждающей пластины, эффективности теплоотвода и разности давлений в системе. Падение давления напрямую отражает сопротивление потоку и потребление мощности насоса, что имеет решающее значение в системах с низким расходом.
3. Механизм теплоотвода в каналах со спиральным потоком
В гладких прямых каналах жидкость поддерживает стабильный ламинарный поток при низких расходах. Поток устойчив вдоль осевого направления, образуя толстый и непрерывный тепловой пограничный слой, который значительно ограничивает теплопроводность и конвекцию.
Спиральная структура нитей внутри канала создает непрерывное тангенциальное возмущение жидкости, изменяет распределение скорости и разрушает ламинарный пограничный слой, способствуя переходу от ламинарного течения к турбулентности. В турбулентных условиях интенсивное перемешивание микрокластеров жидкости истончает пограничный слой и снижает термическое сопротивление. В то же время спиральная структура увеличивает фактическую площадь теплообмена. В совокупности эти эффекты значительно повышают эффективность теплопередачи в условиях низкого расхода.
4. Результаты и анализ
4.1 Сравнение характеристик двух каналов подачи потока
При мощности 100 Вт и расходе 1 л/мин результаты испытаний показывают очевидные различия:
• Гладкий канал: максимальная температура 49.61℃
• Спиральный канал: максимальная температура 41.9℃
Падение температуры достигает 7.71℃, что свидетельствует о значительном улучшении теплоотвода. Измеренная разница давлений в системе составляет приблизительно 0.1 МПа, что очень мало и подходит для насосных систем малой мощности. Это доказывает, что спиральные каналы могут значительно улучшить охлаждение без существенного увеличения сопротивления потоку в компактных системах с низким расходом.
4.2 Влияние структурных параметров
Шаг резьбы и высота резьбы являются наиболее важными параметрами канала со спиральным потоком:
• Шаг резьбы: Слишком малый шаг резко увеличивает сопротивление потоку и падение давления. Слишком большой шаг не может эффективно перемешивать жидкость, что приводит к слабому повышению теплопередачи. Только умеренный шаг может сбалансировать турбулентность и потери давления.
• Высота резьбы: Недостаточная высота приводит к слабому возмущению потока и ограниченному улучшению охлаждения. Избыточная высота уменьшает площадь поперечного сечения потока, вызывая локально высокую скорость и чрезмерное падение давления. Разумная высота резьбы максимизирует возмущение потока, сохраняя при этом достаточное пространство для потока.
Следовательно, при проектировании спиральных каналов необходимо учитывать геометрию резьбы, допустимое падение давления и целевое теплоотведение для достижения оптимальной общей производительности.
5. Заключение и инженерное применение
Заключение 5.1
1. При тепловой нагрузке 100 Вт и низком расходе 1 л/мин спиральный канал эффективно разрушает ламинарный поток и усиливает турбулентность, снижая максимальную температуру с 49.61℃ до 41.9℃ при перепаде давления всего 0.1 МПа.
2. Шаг и высота резьбы существенно влияют как на теплопередачу, так и на сопротивление потоку, что требует сбалансированной оптимизации.
3. Для сценариев охлаждения с низким расходом, компактными размерами и высокой мощностью спиральные каналы обеспечивают высокую эффективность без увеличения объема или потребления мощности насоса.
5.2 Перспективы применения
В таких областях, как бытовая электроника, электромобили, аэрокосмическая промышленность и телекоммуникационное оборудование, высокие требования к теплоотводу часто сочетаются со строгими ограничениями по пространству и энергопотреблению. U-образная охлаждающая пластина со спиральным каналом для потока воздуха идеально подходит для таких применений.
В практическом проектировании шаг резьбы и высота могут быть настроены в соответствии с мощностью нагрева, доступным пространством, расходом и допустимым перепадом давления. Дальнейшие исследования могут включать в себя изучение формы поперечного сечения, угла наклона спирали и многоцелевую оптимизацию для поддержки разработки высокоэффективных компактных систем терморегулирования.
В электромобилях аналогичные проблемы, связанные с тепловым режимом, решаются в аккумуляторных системах, как описано в нашем новом руководстве по проектированию пластин жидкостного охлаждения аккумуляторных батарей для электромобилей.
6. Замечания
Инновационный спиральный канал потока преодолевает ламинарное ограничение традиционных гладких каналов, предлагая эффективное решение для высокоэффективного отвода тепла в миниатюрном оборудовании. В условиях продолжающейся тенденции интеграции устройств изучение геометрии спирального канала потока и его теплогидравлических характеристик будет играть важную роль в повышении надежности и срока службы электронных устройств, а также откроет новые направления для разработки передовых жидкостных охлаждающих пластин и технологий управления тепловыми процессами .
Для более продвинутых стратегий оптимизации каналов, таких как повышение эффективности микромасштабного потока, вы также можете обратиться к нашему исследованию по проектированию микроканальных пластин для жидкостного охлаждения.
