كيفية تصميم وتحسين قنوات الألواح المبردة بالماء لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة

 

يشتمل نظام التبريد السائل بالكامل على مكونات مثل لوحة التبريد السائل، ووسط التبريد السائل، والمضخة، والأنابيب، والمبرد.

 

وبشكل عام، فإن الخصائص الفيزيائية الحرارية لسوائل التبريد السائلة شائعة الاستخدام موضحة في الجدول أدناه:

 

▲ خصائص التبريد السائل

 

يتضح من الجدول أعلاه أن اختيار وسط التبريد السائل له تأثير ثابت على كفاءة التبريد للنظام بأكمله. ودون تغيير الشروط الأخرى، ينبغي إعطاء الأولوية للوسائط منخفضة التكلفة التي تلبي المتطلبات البيئية (مثل الارتفاع ودرجة الحرارة المحيطة).

 

ومع ذلك، فإن اللوحة المبردة بالماء تعد أيضًا جزءًا مهمًا من نظام التبريد السائل. وباعتباره مكون التبادل الحراري لنظام التبريد السائل، فإنه يحتوي على قنوات التبادل الحراري، أي مسارات التدفق. يمكن أن يؤثر تصميم مسارات التدفق الداخلي بشكل كبير على كفاءة التبادل الحراري للنظام بأكمله، مع تباين كبير.

 

لذلك، لن نناقش اليوم وسائط التبريد السائلة، ولكن بدلاً من ذلك، باستخدام الماء النقي كمثال، سنقوم بتحليل نهج التصميم والتحسين لمسارات تدفق الألواح المبردة بالماء.

 

عند تصميم هيكل اللوحة المبردة بالماء، يجب مراعاة العوامل التالية:

 

• متطلبات أداء التبادل الحراري:في ظل معدل التدفق المحدد وفرق درجة الحرارة بين الماء الداخل والخارج، يمكنك تحقيق ارتفاع درجة الحرارة المرغوب فيه لمصدر الحرارة وهدف تبديد الحرارة للمبرد، مما يلبي متطلبات الأداء.
• متطلبات القوة والضغط:في بعض المشاريع، نظرًا للاستخدام البيئي أو متطلبات التثبيت داخل النظام، يتم إعطاء تعليمات محددة للضغط السطحي وظروف الإجهاد العامة للوحة المبردة بالماء.
• مقاومة التآكل:يتدفق وسط التبريد السائل عبر القناة لفترات طويلة، ويمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع تدهور المواد المعدنية، مما قد يؤدي إلى انسدادات تؤثر على كفاءة التبريد.
• منع التسرب:يجب أن يمنع تصميم لوحة الغطاء والأسطح العلوية والسفلية وشرائط الختم وحتى طرق اللحام التسرب.
• فعالية التكلفة:تقليل التكاليف من عوامل مثل جدوى الإنتاج، واختيار المواد، وتعقيد العملية، ومقاومة التدفق، ومقاومة الحرارة، مع تقليل ضغط المضخة ووقت العمل.

 

لتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه، يجب مراعاة اعتبارات التصميم الشاملة فيما يتعلق بالمواد والهيكل وطرق التصنيع.

 

 

أنا اختيار المواد لوحة مبردة بالماء

 

تؤثر مادة اللوحة المبردة بالماء على أداء التبادل الحراري بين القناة ومياه التبريد. يجب استخدام مواد التوصيل الحراري العالية للألواح المبردة بالماء لتقليل المقاومة الحرارية الشاملة للنظام بشكل فعال. المواد الشائعة مثل الألومنيوم والنحاس تظهر الخصائص التالية:

 

▲ خصائص المواد

 

تتميز سبائك الألومنيوم، باعتبارها مادة التبريد الأكثر استخدامًا، بمزايا مثل الموصلية الحرارية العالية، والكثافة المنخفضة، وقابلية التصنيع الجيدة، والمقاومة الممتازة للتآكل، والخصائص الفيزيائية والميكانيكية الملائمة.

 

إن عملية الحماية من التآكل لمقاطع الألمنيوم راسخة، مما يضمن الاستخدام الموثوق به على المدى الطويل للألواح المبردة بالماء.

 

عادةً ما يتم تصنيع المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم المستخدمة في المنتجات الإلكترونية من سبائك سلسلة 50 أو 60، مثل AL5051 و60601 و6063. توفر هذه المواد موصلية حرارية ممتازة، ومقاومة للتآكل، وقابلية للتصنيع، كما أنها مناسبة للأكسدة والمعالجة باستخدام الحاسب الآلي لقنوات التدفق المعقدة. .

 

تركز هذه الدراسة على نهج التصميم والتحسين لمسارات تدفق الألواح المبردة بالماء، بافتراض معدلات تدفق محددة مسبقًا ومتطلبات انخفاض الضغط الأساسية.

 

 

II الأنواع الأساسية لمسارات تدفق الصفائح المبردة بالماء

 

تشمل الأنواع الرئيسية لمسارات تدفق الصفائح المبردة بالماء: القنوات الحلزونية المستوية، على شكل حرف W، الدائرية، الأسطوانية، والأرخميدية. وفيما يلي وصف مختصر لكل منها، مع الصور المقابلة لها:

 

▲ صورة اللوحة المستوية المبردة بالماء

 

▲ صورة اللوحة المبردة بالماء على شكل حرف W

 

▲ صورة لوحة دائرية مبردة بالماء

 

▲ صورة اللوحة الأسطوانية المبردة بالماء

 

في مثال اللوحة الأسطوانية المبردة بالماء، يمكن أن يشتمل التصميم الداخلي على أعمدة مستطيلة أو أحواض حرارة ممدودة لتعزيز منطقة الاتصال مع تدفق المياه.

 

▲ صورة مسار التدفق الحلزوني الأرخميدي

 

بالإشارة إلى هذا الكائن المادي، استخدمت أعمالًا صلبة عمدًا لتصميم هيكله ثلاثي الأبعاد كما هو موضح أدناه.

 

▲ صورة مسار التدفق ذات الدورة الواحدة

 

▲ صورة مسار التدفق ذات الحلقة المزدوجة

 

ما ورد أعلاه عبارة عن تصميمات نموذجية لمسار التدفق المبرد بالماء. بعد ذلك، سوف نستكشف النهج الأمثل لهذه التصاميم.

 

 

III نهج تحسين مسار التدفق

 

يتشابه نهج التحسين لمسارات تدفق الألواح المبردة بالماء مع تحسين مسار تدفق الهواء في الأنظمة المبردة بالهواء.

 

بالنسبة للحلول المبردة بالهواء، يمكن الرجوع إلى مبادئ تحسين مسار تدفق الهواء في المقالة: "مبادئ تحسين مسارات تدفق الهواء في التصميم الحراري للمنتجات الإلكترونية."

• زيادة الدوائر:بعد التخطيط الأولي لتصميم مسار تدفق المياه، قد تكشف عمليات المحاكاة العددية أن كفاءة التبريد لا تلبي التوقعات، مع ارتفاع المقاومة الحرارية. في هذه الحالة، زيادة عدد الدوائر (على سبيل المثال، من دوائر مفردة إلى دوائر مزدوجة أو أكثر) يمكن أن يعزز التبادل الحراري.
• زيادة منطقة تبديد الحرارة:إذا سمحت مساحة الهيكل الداخلي، فإن إضافة زعانف أسطوانية أو مستطيلة في تكوينات متداخلة أو محاذاة يمكن أن يؤدي إلى تحسين التحسين داخل مسار التدفق.
• تحسين سرعة تدفق المياه الداخلية:عندما يتم إصلاح منطقة المقطع العرضي للمدخل، فإن زيادة مساحة المقطع العرضي لمسار التدفق تقلل من سرعة التدفق، مما يعيق التبادل الحراري السريع. ومع ذلك، فإن مجرد تقليل مساحة المقطع العرضي لزيادة السرعة يمكن أن يؤدي إلى مقاومة أعلى للتدفق.
• توازن المنطقة المبردة بالمياه:تأكد من أن مسار التدفق يغطي سطح التلامس لمصدر الحرارة بالتساوي. في الحالات ذات المساحة أو المساحة المحدودة، يعد مسار التدفق الحلزوني الأرخميدي خيارًا جيدًا.
• تجنب الدوائر القصيرة:عندما يكون المدخل والمخرج قريبين للغاية، يتم تصميم هياكل ضلعية في مسار التدفق لتمديده وتوزيع المياه أسفل مصدر الحرارة، مما يمنع الماء من التدفق مباشرة من المدخل إلى المخرج.
• تجنب طول التدفق الزائد:في الحالات التي تكون فيها مصادر الحرارة ذات طبقات عمودية، قد يكون النهج المعتاد هو تصميم مسارات التدفق من الأعلى إلى الأسفل، أو العكس، مما قد يسبب اختلافًا كبيرًا في درجة الحرارة بين الأمام والخلف. فكر في تبريد منفصل لكل طبقة لحل هذه المشكلة.
• تقليل الانحناءات:تزيد الانحناءات من فقدان الرأس ومقاومة التدفق. إذا كانت الانحناءات لا يمكن تجنبها، فتأكد من التحولات السلسة لتقليل انخفاض الضغط مع زيادة مساحة تبديد الحرارة.

 

أثناء عملية التحسين، تأكد من أن مقاومة تدفق النظام، والمقاومة الحرارية، والقوة الهيكلية (على سبيل المثال، الضغط السطحي) تلبي متطلبات المشروع مع الأخذ في الاعتبار جدوى الإنتاج والتكلفة.

 

 

رابعا طرق التصميم الأمثل

 

• تحليل الفرضية:استنادًا إلى المشروع الأصلي، قم بتطبيق أفكار التحسين مثل زيادة مساحة تبديد الحرارة، أو تقليل مساحة المقطع العرضي، أو إضافة دوائر، وحساب النتائج النظرية.
• المحاكاة العددية:بناءً على التحليل، قم بإنشاء نماذج تصميم مسارات تدفق متعددة، وقم بالمحاكاة في ظل الظروف المطلوبة، وقارن النتائج.
• الاختبار التجريبي:بناء نماذج واختبارات تجريبية للتحقق من تحليل الفرضيات ونتائج المحاكاة العددية.