วิธีการออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพช่องเพลทระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

 

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวทั้งหมดประกอบด้วยส่วนประกอบต่างๆ เช่น แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว ตัวกลางในการทำความเย็นด้วยของเหลว ปั๊ม ท่อ และหม้อน้ำ

 

โดยทั่วไป คุณสมบัติทางอุณหฟิสิกส์ของของเหลวหล่อเย็นของเหลวที่ใช้กันทั่วไปแสดงไว้ในตารางด้านล่าง:

 

▲ คุณสมบัติการระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

จากตารางด้านบน เห็นได้ชัดว่าการเลือกตัวกลางทำความเย็นด้วยของเหลวมีผลกระทบคงที่ต่อประสิทธิภาพการทำความเย็นของทั้งระบบ โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขอื่นๆ ควรให้ความสำคัญกับสื่อต้นทุนต่ำที่ตรงตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม (เช่น ระดับความสูงและอุณหภูมิโดยรอบ)

 

อย่างไรก็ตาม แผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำก็เป็นส่วนสำคัญของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวเช่นกัน เนื่องจากเป็นส่วนประกอบการแลกเปลี่ยนความร้อนของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว จึงมีช่องแลกเปลี่ยนความร้อน เช่น เส้นทางการไหล การออกแบบเส้นทางการไหลภายในเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนของทั้งระบบ โดยมีความแปรปรวนอย่างมาก

 

ดังนั้น วันนี้เราจะไม่พูดถึงสื่อการทำความเย็นด้วยของเหลว แต่จะใช้น้ำบริสุทธิ์เป็นตัวอย่างแทน เราจะวิเคราะห์วิธีการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพของเส้นทางการไหลของแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ

 

ในการออกแบบโครงสร้างแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำต้องคำนึงถึงปัจจัยต่อไปนี้:

 

• ข้อกำหนดประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน:ภายใต้อัตราการไหลที่ตั้งไว้และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำเข้าและน้ำออก ให้บรรลุอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของแหล่งความร้อนและเป้าหมายการกระจายความร้อนของหม้อน้ำตามที่ต้องการ ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ
• ข้อกำหนดด้านความแข็งแกร่งและแรงกดดัน:ในบางโครงการ เนื่องจากข้อกำหนดการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อมหรือการติดตั้งภายในระบบ จะมีการให้คำแนะนำเฉพาะสำหรับแรงดันพื้นผิวและสภาวะความเค้นโดยรวมของแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ
• ความต้านทานการกัดกร่อน:ตัวกลางทำความเย็นด้วยของเหลวจะไหลผ่านช่องดังกล่าวเป็นระยะเวลานาน และอุณหภูมิสูงสามารถเร่งการย่อยสลายของวัสดุโลหะ ซึ่งอาจนำไปสู่การอุดตันที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำความเย็น
• การป้องกันการรั่วไหล:การออกแบบแผ่นปิด พื้นผิวด้านบนและด้านล่าง แถบซีล และแม้แต่วิธีการเชื่อมก็ควรป้องกันการรั่วซึม
• ความคุ้มค่า:การลดต้นทุนจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความเป็นไปได้ในการผลิต การเลือกใช้วัสดุ ความซับซ้อนของกระบวนการ ความต้านทานการไหล และความต้านทานความร้อน ในขณะที่ลดแรงดันปั๊มและเวลาแรงงาน

 

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดข้างต้น จะต้องพิจารณาการออกแบบที่ครอบคลุมเกี่ยวกับวัสดุ โครงสร้าง และวิธีการผลิต

 

 

ฉันเลือกวัสดุแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ

 

วัสดุของแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำส่งผลต่อประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างช่องและน้ำหล่อเย็น ควรใช้วัสดุการนำความร้อนสูงสำหรับแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ เพื่อลดความต้านทานความร้อนโดยรวมของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุทั่วไป เช่น อลูมิเนียมและทองแดงมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

 

▲ คุณสมบัติของวัสดุ

 

อลูมิเนียมอัลลอยด์เป็นวัสดุทำความเย็นที่ใช้กันมากที่สุด มีข้อดีต่างๆ เช่น ค่าการนำความร้อนสูง ความหนาแน่นต่ำ สามารถแปรรูปได้ดี ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม และมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ดี

 

กระบวนการป้องกันการกัดกร่อนสำหรับโปรไฟล์อลูมิเนียมได้รับการยอมรับอย่างดี ทำให้มั่นใจได้ถึงการใช้แผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำที่เชื่อถือได้ในระยะยาว

 

ตัวระบายความร้อนอะลูมิเนียมที่ใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปจะทำจากโลหะผสมซีรีส์ 50 หรือ 60 เช่น AL5051, 60601 และ 6063 วัสดุเหล่านี้มีค่าการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ทนต่อการกัดกร่อน สามารถแปรรูปได้ และเหมาะสำหรับการชุบอโนไดซ์และการประมวลผล CNC ของช่องการไหลที่ซับซ้อน .

 

การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่แนวทางการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพของเส้นทางการไหลของแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ โดยพิจารณาจากอัตราการไหลที่กำหนดไว้ล่วงหน้าและข้อกำหนดการลดแรงดันขั้นพื้นฐาน

 

 

II ประเภทพื้นฐานของเส้นทางการไหลของเพลทระบายความร้อนด้วยน้ำ

 

เส้นทางการไหลของแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำประเภทหลักๆ ได้แก่: ช่องแนวระนาบ รูปตัว W วงกลม ทรงกระบอก และเกลียวอาร์คิมีดีน ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายโดยย่อของแต่ละรายการพร้อมรูปภาพที่เกี่ยวข้อง:

 

▲ ภาพเพลทระบายความร้อนด้วยน้ำระนาบ

 

▲ ภาพเพลทระบายความร้อนด้วยน้ำรูปตัว W

 

▲ ภาพแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำแบบวงกลม

 

▲ ภาพเพลทระบายความร้อนด้วยน้ำทรงกระบอก

 

ในตัวอย่างแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำทรงกระบอก การออกแบบภายในอาจรวมถึงเสาสี่เหลี่ยมหรือแผงระบายความร้อนแบบยาวเพื่อเพิ่มพื้นที่สัมผัสกับการไหลของน้ำ

 

▲ รูปภาพเส้นทางการไหลของเกลียวอาร์คิมีดีน

 

เมื่ออ้างถึงวัตถุทางกายภาพนี้ ฉันตั้งใจใช้ Solidworks เพื่อออกแบบโครงสร้าง 3 มิติดังที่แสดงด้านล่าง

 

▲ ภาพเส้นทางการไหลแบบรอบเดียว

 

▲ รูปภาพเส้นทางการไหลแบบวนซ้ำคู่

 

ข้างต้นคือการออกแบบเส้นทางการไหลระบายความร้อนด้วยน้ำโดยทั่วไป ต่อไป เราจะสำรวจแนวทางการปรับให้เหมาะสมสำหรับการออกแบบเหล่านี้

 

 

III วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการไหล

 

แนวทางการปรับให้เหมาะสมสำหรับเส้นทางการไหลของแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำมีความคล้ายคลึงกันกับการปรับเส้นทางการไหลของอากาศในระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ

 

สำหรับโซลูชันระบายความร้อนด้วยอากาศ สามารถอ้างอิงหลักการของการปรับเส้นทางการไหลของอากาศให้เหมาะสมได้ในบทความ: "หลักการในการปรับเส้นทางการไหลของอากาศให้เหมาะสมในการออกแบบการระบายความร้อนสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์"

• เพิ่มวงจร:หลังจากการวางแผนเริ่มต้นของการออกแบบเส้นทางการไหลของน้ำ การจำลองเชิงตัวเลขอาจเผยให้เห็นว่าประสิทธิภาพการทำความเย็นไม่เป็นไปตามความคาดหวัง โดยมีความต้านทานความร้อนสูงขึ้น ในกรณีนี้ การเพิ่มจำนวนวงจร (เช่น จากวงจรเดี่ยวเป็นวงจรคู่หรือมากกว่า) สามารถเพิ่มการแลกเปลี่ยนความร้อนได้
• เพิ่มพื้นที่กระจายความร้อน:หากพื้นที่โครงสร้างภายในเอื้ออำนวย การเพิ่มครีบทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยมในการกำหนดค่าที่เซหรือจัดตำแหน่งสามารถปรับปรุงการปรับให้เหมาะสมภายในเส้นทางการไหลได้
• ปรับความเร็วการไหลของน้ำภายในให้เหมาะสม:เมื่อพื้นที่หน้าตัดทางเข้าได้รับการแก้ไขแล้ว การเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของเส้นทางการไหลจะช่วยลดความเร็วการไหล ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม การลดพื้นที่หน้าตัดเพื่อเพิ่มความเร็วก็สามารถนำไปสู่ความต้านทานการไหลที่สูงขึ้นได้
• พื้นที่ระบายความร้อนด้วยน้ำที่สมดุล:ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเส้นทางการไหลครอบคลุมพื้นผิวสัมผัสของแหล่งความร้อนอย่างเท่าเทียมกัน ในสถานการณ์ที่มีพื้นที่หรือพื้นที่จำกัด เส้นทางการไหลของเกลียวอาร์คิมีดีนเป็นตัวเลือกที่ดี
• หลีกเลี่ยงการลัดวงจร:เมื่อทางเข้าและทางออกอยู่ใกล้เกินไป ให้ออกแบบโครงสร้างซี่โครงในเส้นทางการไหลเพื่อขยายและกระจายน้ำไว้ใต้แหล่งความร้อน เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำไหลโดยตรงจากทางเข้าไปยังทางออก
• หลีกเลี่ยงความยาวการไหลที่มากเกินไป:ในกรณีที่มีแหล่งความร้อนเป็นชั้นในแนวตั้ง วิธีการปกติอาจเป็นการออกแบบเส้นทางการไหลจากบนลงล่าง หรือในทางกลับกัน ซึ่งอาจทำให้อุณหภูมิที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างด้านหน้าและด้านหลัง พิจารณาการระบายความร้อนแยกกันสำหรับแต่ละชั้นเพื่อแก้ไขปัญหานี้
• ย่อส่วนโค้งให้เหลือน้อยที่สุด:การโค้งงอเพิ่มการสูญเสียส่วนหัวและความต้านทานการไหล หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงการโค้งงอได้ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนผ่านเป็นไปอย่างราบรื่นเพื่อลดแรงดันตกคร่อมในขณะที่เพิ่มพื้นที่กระจายความร้อน

 

ในระหว่างกระบวนการปรับให้เหมาะสม ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความต้านทานการไหลของระบบ ความต้านทานความร้อน และความแข็งแรงของโครงสร้าง (เช่น ความดันพื้นผิว) ตรงตามข้อกำหนดของโครงการ ในขณะเดียวกันก็พิจารณาความเป็นไปได้ในการผลิตและต้นทุน

 

 

วิธีการออกแบบการปรับให้เหมาะสม IV

 

• การวิเคราะห์สมมติฐาน:จากโปรเจ็กต์ดั้งเดิม ใช้แนวคิดการปรับให้เหมาะสม เช่น การเพิ่มพื้นที่กระจายความร้อน การลดพื้นที่หน้าตัด หรือการเพิ่มวงจร และคำนวณผลลัพธ์ทางทฤษฎี
• การจำลองเชิงตัวเลข:จากการวิเคราะห์ ให้สร้างแบบจำลองการออกแบบเส้นทางการไหลหลายแบบ จำลองภายใต้เงื่อนไขที่ต้องการ และเปรียบเทียบผลลัพธ์
• การทดสอบเชิงทดลอง:สร้างแบบจำลองการทดลองและการทดสอบเพื่อตรวจสอบการวิเคราะห์สมมติฐานและผลการจำลองเชิงตัวเลข