Hvordan designe og optimalisere vannkjølte platekanaler for maksimal effektivitet

 

Hele væskekjølesystemet inkluderer komponenter som væskekjøleplaten, flytende kjølemedium, pumpe, rør og radiator.

 

Generelt er de termofysiske egenskapene til vanlige flytende kjølevæsker vist i tabellen nedenfor:

 

▲ Egenskaper for væskekjøling

 

Fra tabellen ovenfor er det klart at valget av flytende kjølemedium har en fast innvirkning på kjøleeffektiviteten til hele systemet. Uten å endre andre forhold bør lavkostmedier som oppfyller miljøkrav (som høyde og omgivelsestemperatur) prioriteres.

 

Den vannkjølte platen er imidlertid også en avgjørende del av væskekjølesystemet. Som varmevekslerkomponenten i væskekjølesystemet inneholder det varmevekslingskanaler, dvs. strømningsbaner. Utformingen av disse interne strømningsbanene kan påvirke varmevekslingseffektiviteten til hele systemet betydelig, med betydelig variasjon.

 

Derfor vil vi i dag ikke diskutere flytende kjølemedier, men i stedet, ved å bruke rent vann som eksempel, vil vi analysere design- og optimaliseringstilnærmingen til vannkjølte platestrømningsbaner.

 

Ved utformingen av den vannkjølte platestrukturen må følgende faktorer tas i betraktning:

 

• Ytelseskrav til varmeveksling:Under den innstilte strømningshastigheten og temperaturforskjellen mellom inn- og utløpsvann, oppnå ønsket temperaturøkning for varmekilden og varmespredningsmålet til radiatoren, og oppfylle ytelseskravene.
• Krav til styrke og trykk:I noen prosjekter, på grunn av miljøbruk eller installasjonskrav i systemet, er det gitt spesifikke instruksjoner for overflatetrykk og generelle spenningsforhold for den vannkjølte platen.
• Korrosjonsbestandighet:Det flytende kjølemediet strømmer gjennom kanalen i lengre perioder, og høye temperaturer kan akselerere nedbrytningen av metallmaterialer, noe som potensielt kan føre til blokkeringer som påvirker kjøleeffektiviteten.
• Forebygging av lekkasje:Utformingen av dekkplaten, øvre og nedre overflater, tetningslister og til og med sveisemetoder bør forhindre lekkasje.
• Kostnadseffektivitet:Redusere kostnader fra faktorer som produksjonsmulighet, materialvalg, prosesskompleksitet, strømningsmotstand og varmemotstand, samtidig som pumpetrykk og arbeidstid minimeres.

 

For å oppfylle kravene ovenfor, må det gjøres omfattende designbetraktninger angående materialer, struktur og produksjonsmetoder.

 

 

I Vannkjølt platematerialevalg

 

Materialet til den vannkjølte platen påvirker varmevekslingsytelsen mellom kanalen og kjølevannet. Materialer med høy varmeledningsevne bør brukes til vannkjølte plater for å effektivt redusere systemets totale termiske motstand. Vanlige materialer som aluminium og kobber viser følgende egenskaper:

 

▲ Materialegenskaper

 

Aluminiumslegeringer, som det mest brukte kjølematerialet, har fordeler som høy varmeledningsevne, lav tetthet, god bearbeidbarhet, utmerket korrosjonsbestandighet og gunstige fysiske og mekaniske egenskaper.

 

Korrosjonsbeskyttelsesprosessen for aluminiumsprofiler er veletablert, og sikrer langsiktig pålitelig bruk av vannkjølte plater.

 

Aluminiumskjøleribber som brukes i elektroniske produkter er vanligvis laget av 50- eller 60-serielegeringer, slik som AL5051, 60601 og 6063. Disse materialene tilbyr utmerket varmeledningsevne, korrosjonsmotstand, bearbeidbarhet, og er egnet for anodisering og CNC-behandling av komplekse strømningskanaler .

 

Denne studien fokuserer på design- og optimaliseringstilnærmingen til vannkjølte platestrømningsbaner, forutsatt forhåndsbestemte strømningshastigheter og grunnleggende trykkfallskrav.

 

 

II Grunnleggende typer vannkjølte platestrømningsbaner

 

Hovedtypene av vannkjølte platestrømningsbaner inkluderer: plane, W-formede, sirkulære, sylindriske og arkimedeiske spiralkanaler. Følgende er korte beskrivelser av hver, med tilhørende bilder:

 

▲ Plan vannkjølt platebilde

 

▲ W-formet vannkjølt platebilde

 

▲ Sirkulært vannkjølt platebilde

 

▲ Sylindrisk vannkjølt platebilde

 

I eksemplet med sylindrisk vannkjølt plate kan den innvendige utformingen inkludere rektangulære søyler eller langstrakte kjøleribber for å forbedre kontaktområdet med vannstrømmen.

 

▲ Bilde av arkimedesk spiralstrømningsbane

 

Med henvisning til dette fysiske objektet brukte jeg med vilje solidworks for å designe 3D-strukturen som vist nedenfor.

 

▲ enkeltsyklus flytbanebilde

 

▲ dobbel sløyfe flytbanebilde

 

Ovennevnte er typiske vannkjølte strømningsbaner. Deretter vil vi utforske optimaliseringstilnærmingen for disse designene.

 

 

III Tilnærming til optimalisering av flytbane

 

Optimaliseringstilnærmingen for vannkjølte platestrømningsbaner deler likheter med luftstrømsbaneoptimalisering i luftkjølte systemer.

 

For luftkjølte løsninger kan det refereres til prinsippene for optimalisering av luftstrømbane i artikkelen: "Principles for Optimizing Airflow Paths in Thermal Design for Electronic Products."

• Øk kretsløp:Etter innledende planlegging av vannstrømningsbanens design, kan numeriske simuleringer avsløre at kjøleeffektiviteten ikke oppfyller forventningene, med høyere termisk motstand. I dette tilfellet kan økning av antall kretser (f.eks. fra enkelt til doble eller flere kretser) forbedre varmevekslingen.
• Øk varmeavledningsområdet:Hvis intern strukturplass tillater det, kan det å legge til sylindriske eller rektangulære finner i forskjøvede eller justerte konfigurasjoner forbedre optimaliseringen innenfor strømningsbanen.
• Optimaliser intern vannstrømningshastighet:Når innløpets tverrsnittsareal er fast, reduserer økning av strømningsbanens tverrsnittsareal strømningshastigheten, og hindrer rask varmeveksling. Men bare å redusere tverrsnittsarealet for å øke hastigheten kan føre til høyere strømningsmotstand.
• Balanse vannkjølt område:Sørg for at strømningsbanen dekker kontaktflaten til varmekilden jevnt. I situasjoner med begrenset areal eller plass er den arkimedeiske spiralstrømningsbanen et godt alternativ.
• Unngå kortslutninger:Når innløpet og utløpet er for nært, utform ribbestrukturer i strømningsbanen for å forlenge den og fordele vann under varmekilden, slik at vannet ikke strømmer direkte fra innløp til utløp.
• Unngå overdreven strømningslengde:I tilfeller med vertikalt lagdelte varmekilder kan den vanlige tilnærmingen være å designe strømningsbaner fra topp til bunn, eller omvendt, noe som kan forårsake en betydelig temperaturforskjell mellom for- og bakside. Vurder separat kjøling for hvert lag for å løse dette problemet.
• Minimer bøyninger:Bend øker hodetap og strømningsmotstand. Hvis bøyninger er uunngåelige, sørg for jevne overganger for å redusere trykkfallet samtidig som det øker varmeavledningsområdet.

 

Under optimaliseringsprosessen, sørg for at systemets strømningsmotstand, termisk motstand og strukturell styrke (f.eks. overflatetrykk) oppfyller prosjektkravene mens man vurderer produksjonsgjennomførbarhet og kostnad.

 

 

IV Optimaliseringsdesignmetoder

 

• Hypoteseanalyse:Basert på det opprinnelige prosjektet, bruk optimaliseringsideer som å øke varmespredningsarealet, redusere tverrsnittsarealet eller legge til kretser, og beregne teoretiske resultater.
• Numerisk simulering:Basert på analysen, lag designmodeller for flere strømningsveier, simuler under nødvendige forhold og sammenlign resultater.
• Eksperimentell testing:Bygg eksperimentelle modeller og tester for å bekrefte hypoteseanalysen og numeriske simuleringsresultater.