การออกแบบและวิเคราะห์ช่องทางไหลของแผ่นเย็นที่ระบายความร้อนด้วยของเหลว

ด้วยการบูรณาการ ความซับซ้อน และความอัจฉริยะที่เพิ่มมากขึ้นของอุปกรณ์ไฟฟ้า จำนวนส่วนประกอบจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และความหนาแน่นของพลังงานของส่วนประกอบก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน

เมื่อความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนของหม้อน้ำเกิน 0.1W/㎡ การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบธรรมดาไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการระบายความร้อนได้อีกต่อไป และโซลูชันส่วนใหญ่ใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลวในการระบายความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับการระบายความร้อนด้วยตนเองและการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิม การระบายความร้อนด้วยของเหลวมีข้อดีคือความสามารถในการรับความร้อนสูง การปิดผนึกและป้องกันฝุ่น และการใช้งานที่ยืดหยุ่น และใช้กันอย่างแพร่หลายในการระบายความร้อนของผลิตภัณฑ์พลังงาน

หลักการทำงานของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวคือการขจัดความร้อนที่ปล่อยออกมาจากส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงที่จัดวางอยู่บนพื้นผิวของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยสารหล่อเย็นที่ไหลผ่านช่องทางการไหลที่ประมวลผลภายในแผ่น ดังนั้นจึงสามารถระบายความร้อนของอุปกรณ์ทั้งหมดได้ เนื่องจากเป็นส่วนประกอบหลักของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว ประสิทธิภาพในการระบายความร้อนของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวจึงกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของระบบระบายความร้อนโดยตรง

บทความนี้ทดสอบและวิเคราะห์ช่องไหลของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวสามช่องทั่วไปผ่านการทดลอง และเปรียบเทียบความสามารถในการระบายความร้อนของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบมีครีบ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอก และแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบฝังท่อทองแดง

1.แบบจำลองการออกแบบและพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว

บทความนี้จะออกแบบแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว 3 ประเภท ได้แก่ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบครีบครีบ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบครีบทรงกระบอก และแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบท่อทองแดงฝังในตัวเครื่อง ขนาดภายนอกของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวคือ 300 มม. × 227 มม. × 22 มม. และวัสดุเป็นอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063

ตามประสบการณ์ด้านวิศวกรรม ความหนาของครีบครีบโดยทั่วไปคือ 1.5~3 มม. เมื่อพิจารณาว่าการกลึงบางเกินไปนั้นยาก และการบัดกรีด้วยสุญญากาศต้องใช้ครีบที่มีความหนาในระดับหนึ่งเพื่อเชื่อมต่อกับแผ่นปิดด้านหลัง จึงเลือกครีบที่มีความหนา 2 มม. เพื่อหลีกเลี่ยงความต้านทานการไหลที่มากเกินไป จึงตั้งระยะห่างระหว่างครีบสุทธิเป็น 3 มม. (โดยทั่วไป ระยะห่างระหว่างครีบที่มีความหนาฟัน 1:1 ถือเป็นขีดจำกัดของความหนาแน่นของครีบ)

ตามประสบการณ์ด้านวิศวกรรม ความสูงของครีบโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 5~10 มม. เมื่อพิจารณาว่ายิ่งครีบสั้น หน้าตัดการไหลก็จะเล็กลง ความเร็วการไหลก็จะสูงขึ้น และความต้านทานการไหลก็จะมากขึ้น ภายในช่วงการออกแบบที่เหมาะสม ความสูงของครีบจะถูกตั้งไว้ที่ 8 มม.

เส้นผ่านศูนย์กลางของกระบอกสูบโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 3~5 มม. ตามประสบการณ์ด้านวิศวกรรม เมื่อพิจารณาว่าส่วนที่แคบที่สุดของความกว้างของช่องแคบมีเพียง 20 มม. เพื่อให้แน่ใจว่ามีกระบอกสูบสองกระบอกในทิศทางความกว้างของช่องแคบ เส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบจึงได้รับการออกแบบให้เป็น 3 มม. ระยะห่างขั้นต่ำระหว่างกระบอกสูบถูกตั้งไว้ที่ 3 มม. และความสูงของคอลัมน์ก็ถูกตั้งไว้ที่ 8 มม. เช่นกัน

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบฝังท่อทองแดงใช้ท่อทองแดงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 10 มม. และความหนาของผนัง 1 มม. ฝังอยู่ในแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว จากนั้นจึงรีดให้แบนและยึดติด กาวเรซินอีพอกซีจะถูกเติมระหว่างท่อทองแดงและแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวเพื่อลดความต้านทานความร้อนจากการสัมผัส

ขนาดของโครงสร้างแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอกและครีบ

ขนาดโครงสร้างแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบฝังท่อทองแดง

ช่องไหลภายในของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบครีบ

ช่องไหลภายในของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอก

ความหนาของแผ่นพื้นผิวเย็นที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวได้รับการออกแบบมาให้มีความหนาสม่ำเสมอที่ 10 มม. ซึ่งสามารถลดความต้านทานความร้อนจากการแพร่กระจายได้อย่างเต็มที่ และหลีกเลี่ยงไม่ให้สกรูทะลุช่องน้ำได้

การกระจายความร้อนของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแสดงไว้ด้านล่าง แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวประกอบด้วยโมดูล 5 โมดูลที่สร้างความร้อนและจัดวางอย่างเท่าเทียมกันบนช่องทางการไหล มีโมดูล IGBT สองโมดูลอยู่เหนือแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว โดยแต่ละโมดูลมีอัตราการใช้ความร้อน 600W ด้านล่างมีโมดูลไดโอดสามโมดูล โดยแต่ละโมดูลมีอัตราการใช้ความร้อน 200W และอัตราการใช้ความร้อนรวม 1,800W เพื่อปรับปรุงความต้านทานความร้อนจากการสัมผัส จารบีระบายความร้อนจะถูกเติมระหว่างโมดูลทำความร้อนและแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว

ระบบการวัด

ระบบการวัดหลักของแท่นทดสอบนี้แสดงอยู่ในรูปต่อไปนี้ รวมถึงการวัดการไหล การวัดแรงดัน และการวัดอุณหภูมิ

การจัดวางจุดวัดอุณหภูมิแสดงไว้ในรูป โดยจุดวัดอุณหภูมิทั้งหมด 8 จุดถูกจัดวางไว้สำหรับการทดลองนี้ โดยจุด T1 ถึง T6 ถูกจัดวางไว้บนแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว และอีก 2 จุดใช้สำหรับวัดอุณหภูมิของของเหลวที่ทางเข้าและทางออก ซึ่งจัดวางไว้บนวาล์วสามทางของมาตรวัดแรงดันทางเข้าและทางออกตามลำดับ เหตุผลที่จัดวางจุดอุณหภูมิสำหรับวัดการไหลเข้าและไหลออกของน้ำที่นี่โดยแยกจากแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวนั้น ส่วนใหญ่ก็เพื่อหลีกเลี่ยงการได้รับผลกระทบจากระบบทำความร้อนบนแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว

การทดสอบและวิเคราะห์ข้อมูล

การทดสอบครั้งนี้ใช้แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว 3 ประเภท และได้ข้อมูลการทดสอบดังที่แสดงในตารางที่ 1, 2 และ 3

จากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดสอบ พบว่าภายใต้อัตราการไหลและสภาวะอุณหภูมิทางเข้าเดียวกัน อุณหภูมิที่จุดวัดอุณหภูมิแต่ละจุดของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบครีบจะต่ำที่สุด รองลงมาคือแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอก และแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบท่อทองแดงฝังจะมีอุณหภูมิสูงสุด

อุณหภูมิเฉลี่ยของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอกสูงกว่าแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบมีครีบ 2.5 องศา อุณหภูมิเฉลี่ยของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ฝังท่อทองแดงสูงกว่าแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบมีครีบ 8.5 องศา และอุณหภูมิเฉลี่ยของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ฝังท่อทองแดงสูงกว่าแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอก 6 องศา

ตารางที่ 1 ข้อมูลการทดสอบแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบครีบ

ตารางที่ 2 ข้อมูลการทดสอบแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอก

ตารางที่ 3 ข้อมูลการทดสอบแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบฝังท่อทองแดง

บทสรุป
บทความนี้ทดสอบแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวสามแผ่นทั่วไป ได้แก่ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบมีครีบ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอก และแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบท่อทองแดงฝัง โดยผ่านการทดลอง

หลังจากวิเคราะห์ข้อมูลการทดสอบพบว่าภายใต้เงื่อนไขการทำงานเดียวกัน แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบครีบมีอุณหภูมิการทดสอบต่ำสุดและมีผลการกระจายความร้อนดีที่สุด แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทรงกระบอกอยู่อันดับสอง โดยมีอุณหภูมิเฉลี่ยสูงกว่าแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบครีบ 2.5 องศา แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวประเภทท่อทองแดงมีอุณหภูมิการทดสอบสูงสุดและมีผลการกระจายความร้อนแย่ที่สุด โดยมีอุณหภูมิเฉลี่ยสูงกว่าแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวประเภทครีบ 8.5 องศา

แม้ว่าประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบฝังท่อจะต่ำ แต่ต้นทุนการประมวลผลก็ต่ำที่สุดในบรรดาแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทั้งสามประเภทนี้ ภายใต้สมมติฐานของค่าเผื่อการออกแบบความร้อน การใช้แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบฝังท่อทองแดงสามารถลดต้นทุนได้

ป้ายกำกับยอดนิยม: การออกแบบและวิเคราะห์ช่องทางไหลของแผ่นเย็นระบายความร้อนด้วยของเหลว ประเทศจีน ซัพพลายเออร์ ผู้ผลิต โรงงาน กำหนดเอง ตัวอย่างฟรี ผลิตในประเทศจีน