Thiết kế và kiểm tra hiệu suất tản nhiệt mức 500W của tấm làm mát chất lỏng bốn kênh nhúng ống đồng loại M

Tóm tắt

Để giải quyết các yêu cầu tản nhiệt của các thiết bị công suất cao 500W, nghiên cứu này thiết kế một ống đồng loại M nhúng bốn kênh tấm làm mát chất lỏngDựa trên kích thước tấm đế 127mm x 152mm x 15.2mm, bốn bộ kênh dẫn dòng kiểu M được chế tạo bằng ống đồng có đường kính ngoài 9.52mm và độ dày thành 1.24mm. Kết hợp với tấm đế hợp kim nhôm 6063 và lưu lượng chất làm mát 4L/phút, điện trở nhiệt mục tiêu đạt 0.02℃/W ở nhiệt độ môi trường 35℃, và nhiệt độ bề mặt tối đa của tấm làm mát chất lỏng được kiểm soát trong phạm vi 44.6℃±2℃. Bài báo này trình bày chi tiết về thiết kế cấu trúc kênh dẫn dòng, logic khớp tham số và quy trình kiểm tra hiệu suất, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật. giải pháp thiết kế nhiệt để tản nhiệt hiệu quả cho các thiết bị công suất cao.

Với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất hướng đến tích hợp cao và mật độ công suất lớn, vấn đề tản nhiệt của các thiết bị công suất 500W (như mô-đun biến tần công nghiệp và bộ nguồn LED công suất cao) đã trở thành một yếu tố then chốt hạn chế độ tin cậy của hệ thống. Các tấm tản nhiệt chất lỏng kênh đơn/kép truyền thống khó đáp ứng yêu cầu điện trở nhiệt thấp tới 0.02℃/W do độ phủ kênh dẫn dòng không đủ và hiệu suất trao đổi nhiệt hạn chế, đồng thời dễ bị nóng cục bộ. Thiết kế này cần đạt được các chỉ số cốt lõi sau:

•Hạn chế về cấu trúc: Tấm đế của tấm làm mát bằng chất lỏng có kích thước 127mm×152mm (phù hợp với bố trí lắp đặt của hầu hết các thiết bị công suất cao) và độ dày 15.2mm (cân bằng giữa độ bền kết cấu và không gian nhúng kênh dòng chảy); vật liệu tấm đế là hợp kim nhôm 6063.

•Mục tiêu hiệu suất: Trong điều kiện công suất tản nhiệt 500W, nhiệt độ môi trường 35℃ và lưu lượng chất làm mát 4L/phút, tổng điện trở nhiệt ≤0.02℃/W, nhiệt độ bề mặt tối đa ≤46.6℃ và nhiệt độ bề mặt tối thiểu ≥42.6℃.

• Thiết kế kênh dòng chảy: Cấu trúc bốn kênh được chế tạo bằng ống đồng loại M để phân phối đều chất làm mát trong tấm đế và loại bỏ các điểm nóng cục bộ.

2.1 Cấu trúc tấm đế và lựa chọn vật liệu

Là thành phần cốt lõi để chịu nhiệt và dẫn nhiệt, thiết kế của tấm đế cần cân bằng giữa độ dẫn nhiệt và khả năng xử lý:

•Kích thước và Gia công: Tấm đế hình chữ nhật 127mm x 152mm được thiết lập với độ dày 15.2mm. Bốn bộ rãnh nhúng ống đồng "kiểu M" được gia công bằng phương pháp phay CNC. Chiều rộng rãnh phù hợp với đường kính ngoài của ống đồng (9.52mm), với dung sai được kiểm soát trong phạm vi ±0.03mm (để đảm bảo độ khít giữa ống đồng và tấm đế và giảm điện trở nhiệt tiếp xúc). Độ sâu rãnh là 8mm (dành riêng độ dày 7.2mm làm đế đỡ để tránh biến dạng ứng suất).

• Tính chất vật liệu: Hợp kim nhôm 6063 được lựa chọn, có độ dẫn nhiệt khoảng 201W/(m·K) (vượt trội hơn hợp kim nhôm 6061) và mật độ 2.7g/cm³. Sản phẩm kết hợp giữa trọng lượng nhẹ và độ dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn bề mặt được cải thiện thông qua quá trình anot hóa, phù hợp với điều kiện làm việc làm mát bằng chất lỏng lâu dài.

2.2 Thiết kế ống đồng bốn kênh loại M

Kênh dòng chảy loại M là lõi để đạt được trao đổi nhiệt đồng đều và điện trở nhiệt thấp, cấu trúc và thông số cấu trúc của nó cần phải phù hợp chính xác với yêu cầu tản nhiệt:

• Thông số cơ bản của ống đồng: Chọn ống đồng có đường kính ngoài 9.52mm, độ dày thành ống 1.24mm (độ dẫn nhiệt của đồng đỏ là 401W/(m·K), cao hơn nhiều so với hợp kim nhôm, có thể làm giảm điện trở nhiệt thành ống). Đường kính trong tính toán của ống đồng là 9.52 – 2×1.24 = 7.04mm, diện tích mặt cắt ngang của một kênh đơn khoảng 38.9mm².

•Cấu trúc kênh dẫn dòng loại M: Một bộ kênh dẫn dòng loại M bao gồm “3 đoạn thẳng + 2 đoạn cong”. Chiều dài của các đoạn thẳng được điều chỉnh theo chiều rộng của tấm đế (đoạn thẳng nằm ngang dài 120mm và đoạn nối thẳng đứng dài 15mm). Bốn bộ ống đồng loại M được bố trí đều nhau theo chiều dài của tấm đế (với khoảng cách 30mm) để tạo thành bốn kênh độc lập. Các đầu vào và đầu ra của kênh dẫn dòng được tập trung trên cùng một cạnh ngắn của tấm đế (với khoảng cách 20mm), thuận tiện cho việc kết nối với hệ thống làm mát chất lỏng bên ngoài và tránh ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ giữa các đầu vào và đầu ra đến tản nhiệt cục bộ.

•Ưu điểm của bốn kênh: So với hai kênh, bốn kênh phân phối đều lưu lượng tổng cộng 4L/phút thành 1L/phút cho mỗi kênh đơn. Kết hợp với thiết kế "gấp nhiều lần" của kênh dòng chảy kiểu M, chất làm mát có thể bao phủ hơn 95% diện tích tấm đế, tăng đáng kể diện tích trao đổi nhiệt (tổng diện tích trao đổi nhiệt khoảng 0.12m²), đồng thời tránh được tình trạng tổn thất áp suất tăng đột biến do lưu lượng quá cao trong một kênh đơn.

2.3 Phù hợp chất làm mát và lưu lượng

Tính chất vật lý và lưu lượng của chất làm mát ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền nhiệt đối lưu, cần phải được điều chỉnh chính xác theo cấu trúc bốn kênh:

•Lựa chọn chất làm mát: Sử dụng dung dịch hỗn hợp gồm 50% nước khử ion + 50% ethylene glycol. Ở 25℃, độ nhớt động học của nó xấp xỉ 1.0×10⁻⁶m²/s và độ dẫn nhiệt xấp xỉ 0.45W/(m·K). Nó có khả năng chống ăn mòn (phù hợp với các trường hợp tiếp xúc đồng-nhôm), điểm đóng băng thấp (-35℃) và điểm sôi cao (108℃), và có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài ở nhiệt độ môi trường 35℃.

• Phân tích Lưu lượng và Chế độ Lưu lượng: Với tổng lưu lượng là 4L/phút (1L/phút cho mỗi kênh đơn) và kết hợp với đường kính trong của ống đồng (7.04mm), lưu lượng chất làm mát được tính toán trong một kênh đơn là khoảng 0.7m/giây, và số Reynolds Re ≈ (0.00704m×0.7m/giây)/(1.0×10⁻⁶m²/giây) = 4928, tức là ở trạng thái dòng chảy hỗn loạn (Re>4000). Hệ số truyền nhiệt đối lưu có thể đạt 5000-6000W/(m²·K), cung cấp lõi chịu lực cho điện trở nhiệt thấp.

3.1 Thành phần điện trở nhiệt và logic tính toán

Tổng điện trở nhiệt R_total của tấm làm mát chất lỏng bao gồm ba phần: điện trở nhiệt tiếp xúc (R_contact), điện trở nhiệt dẫn điện (R_conduction) và điện trở nhiệt đối lưu (R_convection). Công thức như sau:

R_total = R_contact + R_conduction + R_convection

•R_contact: Bề mặt trên của tấm đế được gắn vào nguồn nhiệt thông qua mỡ silicon dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt 5W/(m·K), độ dày 0.1mm) và R_contact được tính toán là khoảng 0.002℃/W.

•R_conduction: Bao gồm hai phần—dẫn nhiệt từ nguồn nhiệt đến ống đồng thông qua tấm đế (khoảng 0.003℃/W) và dẫn nhiệt qua thành ống đồng (khoảng 0.001℃/W), với tổng R_conduction khoảng 0.004℃/W.

•R_convection: Nhiệt trở truyền nhiệt đối lưu giữa thành trong của ống đồng và chất làm mát được tính toán dựa trên hệ số truyền nhiệt đối lưu trong trạng thái dòng chảy hỗn loạn và R_convection xấp xỉ 0.014℃/W.

Tổng điện trở nhiệt của ba bộ phận là khoảng 0.02℃/W, đáp ứng đầy đủ mục tiêu thiết kế.

3.2 Kiểm chứng mô phỏng và kết quả

Phần mềm ANSYS Fluent được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt 3D và các điều kiện biên sau đây được đưa vào:

•Nguồn nhiệt: Một luồng nhiệt đồng đều có công suất 500W được truyền vào bề mặt trên của tấm đế (mô phỏng quá trình sinh nhiệt của các thiết bị công suất cao).

•Môi trường: Môi trường đối lưu tự nhiên 35℃ (hệ số truyền nhiệt bức xạ được đặt thành 0.01W/(m²·K), có thể bỏ qua).

•Chất làm mát: Nhiệt độ đầu vào là 35℃, tổng lưu lượng là 4L/phút và các thông số vật lý phù hợp với dung dịch hỗn hợp nước-etylen glycol 50%.

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng:

• Hiệu suất chịu nhiệt: Tổng điện trở nhiệt của tấm làm mát bằng chất lỏng là 0.019℃/W, thấp hơn giá trị mục tiêu là 0.02℃/W và đáp ứng các yêu cầu thiết kế.

• Phân bố nhiệt độ: Nhiệt độ bề mặt tối đa của tấm đế là 35℃ + 500W×0.019℃/W = 44.5℃, nhiệt độ bề mặt tối thiểu là 42.8℃. Biên độ dao động nhiệt độ là 1.7℃, nằm trong phạm vi mục tiêu là 44.6℃±2℃, và không có điểm nóng cục bộ.

• Mất áp suất: Tổng mất áp suất của bốn kênh là 0.65 bar, tương thích với các máy bơm làm mát chất lỏng công nghiệp thông thường (áp suất định mức 1-2 bar) mà không gây thêm gánh nặng tiêu thụ năng lượng.

3.3 Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng chính

• Độ khít của kênh dẫn dòng: Nếu có khe hở 0.1mm giữa ống đồng và rãnh nhúng của tấm đế (không trám keo dẫn nhiệt), điện trở nhiệt tiếp xúc sẽ tăng lên 0.008℃/W, và điện trở nhiệt tổng sẽ tăng lên 0.025℃/W. Do đó, cần gia công chính xác và trám keo dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt 10W/(m·K)) để đảm bảo độ khít.

• Biến động lưu lượng: Khi lưu lượng tổng thể giảm xuống còn 3L/phút, số Reynolds của một kênh đơn giảm xuống còn 3696 (trạng thái dòng chảy chuyển tiếp), hệ số truyền nhiệt đối lưu giảm xuống còn 4000W/(m²·K), điện trở nhiệt tổng thể tăng lên 0.024℃/W, và nhiệt độ bề mặt tối đa tăng lên 47.0℃. Do đó, lưu lượng cần được duy trì ổn định trong phạm vi 4L/phút ± 0.2L/phút.

• Vật liệu đế: Nếu chọn nhầm hợp kim nhôm 6061 (độ dẫn nhiệt 180W/(m·K)), điện trở nhiệt dẫn điện sẽ tăng lên 0.005℃/W, và tổng điện trở nhiệt sẽ tăng lên 0.021℃/W. Mặc dù gần đạt được mục tiêu, nhưng sai số đồng đều nhiệt độ sẽ tăng lên 2.3℃. Do đó, hợp kim nhôm 6063 là lựa chọn tối ưu.

Loại M tấm làm mát chất lỏng bốn kênh nhúng ống đồng Được thiết kế trong nghiên cứu này, thông qua cấu trúc tấm đế 127mm x 152mm x 15.2mm, ống đồng đỏ loại M 9.52mm x 1.24mm, tấm đế hợp kim nhôm 6063 và lưu lượng dòng chảy 4L/phút, đạt được điện trở nhiệt 0.019℃/W và nhiệt độ bề mặt 42.8-44.5℃ trong điều kiện công suất 500W và nhiệt độ môi trường 35℃. Sản phẩm đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu thiết kế và có thể ứng dụng trực tiếp vào các tình huống tản nhiệt của thiết bị công suất cao 500W.

Các hướng tối ưu hóa trong tương lai có thể tập trung vào ba khía cạnh:

1. Tối ưu hóa cấu trúc kênh dòng chảy: Sửa đổi kênh dòng chảy loại M thành “loại M kép” (thêm một khúc cua nữa) để tăng thêm diện tích trao đổi nhiệt, với mục tiêu giảm điện trở nhiệt xuống còn 0.015℃/W.

2. Nâng cấp vật liệu: Thử mạ đồng trên bề mặt tấm đế (độ dày 50μm) để giảm điện trở nhiệt của đường dẫn nhiệt giữa nguồn nhiệt và ống đồng và tối ưu hóa độ đồng đều nhiệt độ.

3. Xác minh độ tin cậy: Thực hiện thử nghiệm chu kỳ dài hạn 1000 giờ (chu kỳ nhiệt độ -40℃~85℃) để xác minh tác động của sự ăn mòn ống đồng và biến dạng tấm đế đối với khả năng chịu nhiệt, đảm bảo tuổi thọ sản phẩm đạt hơn 50,000 giờ.