Nghiên cứu về các kênh dẫn dòng xoắn ốc cho tấm làm mát bằng chất lỏng trong hệ thống làm mát thiết bị điện tử công suất cao, nhằm giải quyết các thách thức về tản nhiệt của... làm mát thiết bị điện tử công suất cao Trong không gian hạn chế, bài báo này thiết kế một kiểu chữ U. tấm lạnh chất lỏng Với kích thước 120mm × 50mm × 20mm. Một nghiên cứu so sánh được tiến hành giữa các kênh dẫn dòng thẳng trơn và các kênh dẫn dòng xoắn ốc trong điều kiện hoạt động với công suất gia nhiệt 100W và lưu lượng thấp 1L/phút.
Kết quả cho thấy kênh dẫn dòng xoắn ốc có thể phá vỡ hiệu quả trạng thái dòng chảy tầng và tăng cường truyền nhiệt hỗn loạn. Nhiệt độ bề mặt tối đa của tấm làm mát giảm từ 49.61℃ xuống 41.9℃, cải thiện đáng kể hiệu quả tản nhiệt, trong khi chênh lệch áp suất chỉ khoảng 0.1MPa.
Bằng cách tối ưu hóa mối quan hệ tương ứng giữa độ giảm áp suất, công suất gia nhiệt và lưu lượng, điều này thiết kế tấm lạnh cung cấp một cách hiệu quả giải pháp làm mát nhỏ gọn nâng cao quản lý nhiệt hệ thống trong các ứng dụng mật độ cao.
Từ khóa
Tấm tản nhiệt hình chữ U; kênh dẫn dòng xoắn ốc; sự phá vỡ dòng chảy tầng; tăng cường dòng chảy rối; lưu lượng thấp; tản nhiệt nhỏ gọn
1. Giới thiệu
Với xu hướng thu nhỏ, công suất cao và tích hợp cao trong thiết bị điện tử, mật độ thông lượng nhiệt của các linh kiện đã tăng lên nhanh chóng. Các tấm làm mát bằng chất lỏng truyền thống với các kênh dẫn dòng trơn tru dễ dàng duy trì dòng chảy tầng ổn định trong điều kiện lưu lượng thấp và thể tích nhỏ, dẫn đến lớp biên nhiệt dày và hiệu suất truyền nhiệt thấp. Tối ưu hóa cấu trúc kênh dẫn dòng đã trở thành phương pháp cốt lõi để cải thiện hiệu suất làm mát.
Kênh dẫn dòng xoắn ốc, với cấu trúc xoắn ốc độc đáo, có thể làm nhiễu loạn dòng chảy chất lỏng, phá vỡ lớp biên chảy tầng và tạo ra sự nhiễu loạn, cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt mà không làm tăng quá mức tổn thất áp suất. Bài báo này lấy tấm làm mát hình chữ U nhỏ gọn làm đối tượng nghiên cứu, so sánh hiệu suất tản nhiệt của kênh dẫn dòng trơn và kênh dẫn dòng xoắn ốc dưới tải nhiệt 100W và lưu lượng 1L/phút, tập trung vào ảnh hưởng của bước xoắn và chiều cao, đồng thời làm rõ những ưu điểm ứng dụng của kênh dẫn dòng xoắn ốc trong các kịch bản làm mát nhỏ gọn.
2. Thiết kế nghiên cứu và thiết lập tham số
2.1 Thiết kế mô hình
Tấm tản nhiệt chất lỏng hình chữ U có kích thước tổng thể là dài 120mm, rộng 50mm và cao 20mm, được làm bằng hợp kim nhôm có độ dẫn nhiệt cao. Kênh dẫn dòng được bố trí theo hình chữ U để bao phủ toàn bộ khu vực gia nhiệt. Nhóm đối chứng sử dụng kênh dẫn dòng có thành thẳng trơn, trong khi nhóm thử nghiệm sử dụng cấu trúc xoắn ốc có ren bên trong kênh dẫn dòng để tăng cường sự nhiễu loạn chất lỏng.
2.2 Điều kiện làm việc
Các điều kiện mô phỏng được thiết lập theo các ứng dụng thực tế có lưu lượng thấp:
• Công suất làm nóng: 100W
• Chất làm mát: nước khử ion
• Lưu lượng đầu vào: 1L/phút
• Nhiệt độ môi trường: 25℃
2.3 Các chỉ số đánh giá
Hiệu suất được đánh giá bằng ba chỉ số chính: nhiệt độ bề mặt tối đa của tấm làm mát, hiệu suất tản nhiệt và chênh lệch áp suất hệ thống. Độ giảm áp suất phản ánh trực tiếp sức cản dòng chảy và công suất tiêu thụ của bơm, điều này rất quan trọng trong các hệ thống lưu lượng thấp.
3. Cơ chế tản nhiệt của các kênh dẫn dòng xoắn ốc
Trong các kênh thẳng, nhẵn, chất lỏng duy trì dòng chảy tầng ổn định ở lưu lượng thấp. Dòng chảy ổn định dọc theo trục, tạo thành một lớp biên nhiệt dày và liên tục, giúp hạn chế đáng kể sự dẫn nhiệt và đối lưu.
Cấu trúc sợi xoắn ốc bên trong kênh xoắn ốc tạo ra sự nhiễu loạn tiếp tuyến liên tục lên chất lỏng, làm thay đổi phân bố vận tốc và phá vỡ lớp biên chảy tầng, thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ dòng chảy tầng sang dòng chảy rối. Trong điều kiện dòng chảy rối, sự trộn lẫn mạnh mẽ của các cụm vi mô chất lỏng làm mỏng lớp biên và giảm điện trở nhiệt. Đồng thời, cấu trúc xoắn ốc làm tăng diện tích trao đổi nhiệt thực tế. Kết hợp lại, những hiệu ứng này cải thiện đáng kể hiệu suất truyền nhiệt trong điều kiện lưu lượng thấp.
4. Kết quả và Phân tích
4.1 So sánh hiệu suất giữa hai kênh dẫn dòng
Ở công suất dưới 100W và lưu lượng 1L/phút, kết quả thử nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt:
• Kênh dẫn trơn tru: nhiệt độ tối đa 49.61℃
• Kênh xoắn ốc: nhiệt độ tối đa 41.9℃
Mức giảm nhiệt độ đạt 7.71℃, cho thấy sự cải thiện đáng kể trong khả năng tản nhiệt. Chênh lệch áp suất hệ thống đo được xấp xỉ 0.1MPa, rất thấp và phù hợp với các hệ thống bơm công suất thấp. Điều này chứng minh rằng các kênh xoắn ốc có thể tăng cường đáng kể khả năng làm mát mà không làm tăng đáng kể sức cản dòng chảy trong các hệ thống lưu lượng thấp nhỏ gọn.
4.2 Ảnh hưởng của các thông số cấu trúc
Bước ren và chiều cao ren là những thông số quan trọng nhất của kênh dẫn dòng xoắn ốc:
• Bước ren: Bước ren quá nhỏ sẽ làm tăng đáng kể sức cản dòng chảy và tổn thất áp suất. Bước ren quá lớn không thể làm nhiễu loạn dòng chảy hiệu quả, dẫn đến khả năng tăng cường truyền nhiệt yếu. Chỉ có bước ren vừa phải mới có thể cân bằng giữa sự nhiễu loạn và tổn thất áp suất.
• Chiều cao ren: Chiều cao ren không đủ sẽ tạo ra sự nhiễu động yếu và cải thiện khả năng làm mát hạn chế. Chiều cao ren quá cao sẽ làm giảm diện tích dòng chảy, gây ra vận tốc cục bộ cao và tổn thất áp suất quá mức. Chiều cao ren hợp lý sẽ tối đa hóa sự nhiễu động trong khi vẫn duy trì không gian dòng chảy đầy đủ.
Do đó, thiết kế các kênh dẫn dòng xoắn ốc phải phối hợp hình dạng ren, độ giảm áp suất cho phép và mục tiêu tản nhiệt để đạt được hiệu suất tổng thể tối ưu.
5. Kết luận và ứng dụng kỹ thuật
Kết luận 5.1
1. Với tải nhiệt 100W và lưu lượng thấp 1L/phút, kênh dẫn dòng xoắn ốc giúp phá vỡ dòng chảy tầng và tăng cường dòng chảy rối, giảm nhiệt độ tối đa từ 49.61℃ xuống 41.9℃ chỉ với độ giảm áp suất 0.1MPa.
2. Bước ren và chiều cao ren ảnh hưởng đáng kể đến cả khả năng truyền nhiệt và sức cản dòng chảy, đòi hỏi phải tối ưu hóa cân bằng.
3. Đối với các kịch bản làm mát lưu lượng thấp, nhỏ gọn và công suất cao, các kênh dẫn dòng xoắn ốc mang lại hiệu quả cao mà không làm tăng thể tích hoặc mức tiêu thụ điện năng của bơm.
5.2 Triển vọng ứng dụng
Trong các lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, xe năng lượng mới, hàng không vũ trụ và thiết bị thông tin liên lạc, nhu cầu tản nhiệt cao thường đi kèm với những hạn chế nghiêm ngặt về không gian và công suất. Tấm tản nhiệt hình chữ U với kênh dẫn dòng xoắn ốc rất phù hợp cho các ứng dụng như vậy.
Trong thiết kế thực tế, bước ren và chiều cao ren có thể được tùy chỉnh theo công suất gia nhiệt, không gian sẵn có, lưu lượng và độ sụt áp cho phép. Nghiên cứu sâu hơn có thể bao gồm hình dạng mặt cắt ngang, góc xoắn và tối ưu hóa đa mục tiêu để hỗ trợ phát triển các hệ thống quản lý nhiệt nhỏ gọn hiệu suất cao.
Trong các ứng dụng xe điện, những thách thức về nhiệt tương tự cũng được giải quyết trong hệ thống pin, như đã thảo luận trong bài viết của chúng tôi. tấm làm mát bằng chất lỏng cho pin xe năng lượng mới Hướng dẫn thiết kế.
6. Nhận xét
Kênh dẫn dòng xoắn ốc khắc phục một cách sáng tạo hạn chế về dòng chảy tầng của các kênh trơn truyền thống, mang đến giải pháp hiệu quả cho việc tản nhiệt hiệu suất cao trong các thiết bị thu nhỏ. Với xu hướng tích hợp thiết bị hiện nay, việc nghiên cứu hình học kênh dẫn dòng xoắn ốc và hiệu suất nhiệt thủy lực của nó sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của các thiết bị điện tử, đồng thời cung cấp những hướng đi mới cho các nghiên cứu tiên tiến. thiết kế tấm lạnh chất lỏng và quản lý nhiệt Công nghệ.
Để tìm hiểu thêm về các chiến lược tối ưu hóa kênh phân phối tiên tiến hơn, chẳng hạn như tăng cường lưu lượng ở quy mô vi mô, bạn cũng có thể tham khảo nghiên cứu của chúng tôi về... tấm làm mát chất lỏng vi kênh thiết kế.
