الملخص
لتحقيق متطلبات تبديد الحرارة بكفاءة عالية للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة بقدرة 1 كيلوواط (مثل وحدات المعالجة المركزية للخوادم عالية الطاقة ووحدات العاكس الصناعية)، تُصمّم هذه الورقة البحثية لوحة تبريد سائل مُدمجة بست قنوات من أنابيب النحاس . استنادًا إلى لوحة أساسية من سبائك الألومنيوم 6063-T5 بأبعاد 177.8 مم × 152 مم × 14 مم، تم إنشاء ست مجموعات من قنوات التدفق المتوازية باستخدام أنابيب نحاسية بقطر خارجي 9.52 مم وسُمك جدار 1.24 مم. في ظل ظروف درجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية ومعدل تدفق سائل تبريد 4 لتر/دقيقة، تم تحقيق مقاومة حرارية مستهدفة قدرها 0.013 درجة مئوية/واط، وتم التحكم في درجة حرارة السطح القصوى للوحة التبريد السائل ضمن نطاق 47 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية. تُفصّل هذه الورقة البحثية بشكل منهجي عمليات التصميم الهيكلي، ومطابقة المعلمات، والتحقق من الأداء، مُقدّمةً حلاً هندسيًا لتبديد الحرارة للأجهزة ذات القدرة العالية (كيلوواط).
1. خلفية التصميم والمتطلبات الأساسية
نظرًا لأن كثافة طاقة الأجهزة الإلكترونية تتجاوز 50 واط/سم²، أصبح تبديد الحرارة للأجهزة ذات قدرة 1 كيلو واط عائقًا رئيسيًا يحد من استقرار النظام - إذ غالبًا ما تتسبب ألواح التبريد الهوائي التقليدي أو التبريد السائل صغير القنوات في ارتفاع درجة حرارة الجهاز وتعطله بسبب ضعف كفاءة تبادل الحرارة. يجب أن يلبي هذا التصميم المؤشرات الرئيسية التالية لمعالجة نقاط الضعف في تبديد الحرارة عالي الطاقة:
• القيود الهيكلية: تبلغ أبعاد اللوحة الأساسية للوحة التبريد السائل 177.8 مم × 152 مم (لتتناسب مع تصميم تركيب معظم الأجهزة ذات القدرة بالكيلوواط) وسماكتها 14 مم (لضمان المتانة الهيكلية مع توفير مساحة كافية لتضمين ست مجموعات من الأنابيب النحاسية). مادة اللوحة الأساسية هي سبيكة ألومنيوم 6063-T5 (تجمع بين الموصلية الحرارية العالية وثبات التصنيع).
• أهداف الأداء: في ظل ظروف طاقة تبديد الحرارة 1 كيلو واط، ودرجة حرارة محيطة 35 درجة مئوية، ومعدل تدفق سائل التبريد 4 لتر/دقيقة، يجب أن تكون المقاومة الحرارية الإجمالية ≤0.013 درجة مئوية/واط، ويجب أن تكون درجة حرارة السطح القصوى ≤49 درجة مئوية، ويجب أن تكون درجة حرارة السطح الدنيا ≥45 درجة مئوية، ويجب ألا تكون هناك نقاط ساخنة محلية.
• متطلبات قناة التدفق: تم اعتماد هيكل متوازي بستة قنوات لضمان تغطية سائل التبريد للوحة القاعدة بالكامل بشكل موحد، وتجنب درجات الحرارة المرتفعة المحلية الناجمة عن التوزيع غير المتساوي لقنوات التدفق.
2. الهيكل الرئيسي وتصميم المعلمات للوحة التبريد السائل
2.1 بنية اللوحة الأساسية وخصائص المواد
باعتبارها المكون الأساسي للتوصيل الحراري ومحمل أنبوب النحاس، يحتاج تصميم اللوحة الأساسية إلى تحقيق التوازن بين كفاءة التوصيل الحراري وإمكانية المعالجة:
الأبعاد وتقنية المعالجة: صُممت لوحة القاعدة المستطيلة، بأبعاد 177.8 مم × 152 مم، بسُمك 14 مم. تمت معالجة ست مجموعات من أخاديد تضمين أنابيب النحاس بواسطة آلة طحن دقيقة باستخدام الحاسب الآلي (CNC)، حيث يتطابق عرض الأخدود مع القطر الخارجي لأنبوب النحاس (9.52 مم، بتفاوت ±0.03 مم)، ويبلغ عمق الأخدود 7 مم (مع الاحتفاظ بسُمك 7 مم للوحة القاعدة للدعم لتجنب التشوه أثناء التركيب أو الاستخدام)، وتباعد الأخدود 22 مم (مما يضمن توزيعًا متساويًا لست مجموعات من قنوات التدفق لتغطية كامل مساحة التبادل الحراري للوحة القاعدة).
• مزايا المواد: مقارنةً بسبائك الألومنيوم العادية، تتمتع سبيكة الألومنيوم 6063-T5 بموصلية حرارية مستقرة تبلغ 205 واط/متر·كلفن (أعلى من 180 واط/متر·كلفن لسبائك 6061-T6) بعد المعالجة بالشيخوخة، وتصل قوة تحملها إلى 110 ميجا باسكال. كما أنها تتحمل الإجهاد الحراري وضغط التركيب حتى طاقة 1 كيلوواط، دون أي خطر للتشوه أثناء الاستخدام طويل الأمد.
2.2 تصميم لوحة تبريد الأنابيب النحاسية ذات القنوات الست وتحسين قنوات التدفق
يعد الهيكل المكون من ست قنوات هو الأساس لتحقيق تبادل حراري موحد ومقاومة حرارية منخفضة، ومن الضروري تعظيم كفاءة تبادل الحرارة من خلال تخطيط قناة التدفق ومطابقة المعلمات:
• المعايير الأساسية لأنابيب النحاس: تم اختيار أنابيب نحاسية حمراء (بموصلية حرارية 401 واط/م·ك، وهي أعلى بكثير من سبائك الألومنيوم)، بقطر خارجي 9.52 مم وسمك جدار 1.24 مم. القطر الداخلي المحسوب هو 9.52 – 2 × 1.24 = 7.04 مم، ومساحة المقطع العرضي للقناة الواحدة حوالي 38.9 مم². ثُبّتت ست مجموعات من أنابيب النحاس بالتوازي في أخاديد لوحة القاعدة، ومُلئت الفجوات بمادة لاصقة موصلة للحرارة عالية الحرارة (بموصلية حرارية 12 واط/م·ك) لإزالة المقاومة الحرارية الناتجة عن التلامس.
تحسين تصميم قنوات التدفق: تم اعتماد تصميم "مدخل ومخرج متوازيين" - حيث تُدمج أطراف مدخل مجموعات الأنابيب النحاسية الست عبر موصل (قطر داخلي 15 مم)، وتُدمج أطراف المخرج أيضًا عبر موصل. يضمن هذا توزيعًا متساويًا لسائل التبريد في القنوات الست (يبلغ معدل تدفق القناة الواحدة حوالي 0.44 لتر/دقيقة)، مما يُجنّب التدفق غير المتساوي الناتج عن اختلاف طول قناة التدفق. في الوقت نفسه، تُرتّب قنوات التدفق على طول صفيحة القاعدة (177.8 مم) لزيادة زمن التلامس بين سائل التبريد ومصدر الحرارة وتحسين كفاءة التبادل الحراري.
2.3 مطابقة سائل التبريد ومعدل التدفق
تحدد الخصائص الفيزيائية ومعدل تدفق سائل التبريد بشكل مباشر معامل انتقال الحرارة الحملية، والذي يجب أن يتطابق بدقة مع هيكل القنوات الستة:
اختيار سائل التبريد: يُستخدم خليط من 50% ماء منزوع الأيونات و50% إيثيلين جليكول. عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، تبلغ اللزوجة الحركية له حوالي 1.0×10⁻⁶م²/ثانية، وموصليته الحرارية حوالي 0.45 واط/(م·ك). يتميز بمقاومة التآكل (مُلائم لحالات تلامس النحاس والألومنيوم)، ودرجة تجمد منخفضة (-35 درجة مئوية)، ودرجة غليان عالية (108 درجة مئوية). يعمل بثبات لفترة طويلة عند درجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية دون تكوين فقاعات بسبب ارتفاع درجة الحرارة.
• تحليل معدل التدفق ونظام التدفق: بمعدل تدفق إجمالي يبلغ 4 لتر/دقيقة (0.44 لتر/دقيقة لقناة واحدة) وبالاقتران مع القطر الداخلي لأنبوب النحاس (7.04 مم)، فإن معدل تدفق سائل التبريد المحسوب في قناة واحدة يبلغ حوالي 0.3 متر/ثانية، ورقم رينولدز Re ≈ (0.00704 متر×0.3 متر/ثانية)/(1.0×10⁻⁶ متر²/ثانية) = 2112. وعلى الرغم من أنه في حالة تدفق انتقالية (تدفق مضطرب عندما يكون 2300 < Re < 4000)، فإن إجمالي مساحة التبادل الحراري للقنوات الست تصل إلى 0.18 متر² (0.03 متر² لقناة واحدة). يمكن تعويض فرق نظام التدفق عن طريق زيادة مساحة التبادل الحراري، بحيث يتم الحفاظ على معامل نقل الحرارة الحملية عند 4500-5000 واط / (م² · كلفن)، وتلبية متطلبات المقاومة الحرارية المنخفضة.
3. التحقق من أداء المقاومة الحرارية وتحليل درجة الحرارة
3.1 تركيب المقاومة الحرارية ومنطق الحساب
تتكون المقاومة الحرارية الكلية (R_total) للوحة التبريد السائل من ثلاثة أجزاء: المقاومة الحرارية التلامسية (R_contact)، والمقاومة الحرارية التوصيلية (R_conduction)، والمقاومة الحرارية الحملية (R_convection). والصيغة كالتالي:
R_total = R_contact + R_conduction + R_convection
• R_contact: يتم ربط السطح العلوي للوحة القاعدة بمصدر الحرارة باستخدام شحم السيليكون الموصل للحرارة (الموصلية الحرارية 6 وات/(م·ك)، السُمك 0.1 مم)، ويتم حساب R_contact وهو ما يقرب من 0.0017 درجة مئوية/واط.
• التوصيل الحراري: يشمل التوصيل الحراري للوحة الأساسية (من مصدر الحرارة إلى أنبوب النحاس، ما يقرب من 0.0023 درجة مئوية/واط) والتوصيل الحراري لجدار أنبوب النحاس (ما يقرب من 0.0008 درجة مئوية/واط)، مع إجمالي التوصيل الحراري يبلغ ما يقرب من 0.0031 درجة مئوية/واط.
• R_convection: يتم حساب مقاومة انتقال الحرارة بالحمل الحراري بين الجدار الداخلي لأنبوب النحاس والمبرد على أساس حالة التدفق الانتقالي ومساحة التبادل الحراري الإجمالية، مع R_convection تبلغ حوالي 0.0082℃/W.
تبلغ المقاومة الحرارية الإجمالية من تراكب الثلاثة حوالي 0.013℃/W، وهو ما يتطابق تمامًا مع هدف التصميم.
3.2 التحقق من المحاكاة والنتائج
يتم استخدام برنامج ANSYS Icepak لبناء نموذج محاكاة حراري ثلاثي الأبعاد، ويتم إدخال الشروط الحدودية التالية:
• مصدر الحرارة: يتم تطبيق تدفق حراري موحد بقوة 1 كيلو وات على السطح العلوي للوحة القاعدة (محاكاة توليد الحرارة للأجهزة ذات مستوى الكيلو وات).
• البيئة: بيئة الحمل الحراري الطبيعية عند 35 درجة مئوية (يتم ضبط معامل انتقال الحرارة الإشعاعية على 0.01 واط / (م² · كلفن)، وتأثيرها ضئيل).
• سائل التبريد: درجة حرارة المدخل 35 درجة مئوية، ومعدل التدفق الإجمالي 4 لتر/دقيقة، والمعايير الفيزيائية تتطابق مع خليط 50% من الماء والإيثيلين جليكول.
وتظهر نتائج المحاكاة أن:
• أداء المقاومة الحرارية: تبلغ المقاومة الحرارية الإجمالية للوحة التبريد السائلة 0.0128℃/W، وهي أقل قليلاً من القيمة المستهدفة البالغة 0.013℃/W، وتلبي متطلبات التصميم.
• توزيع درجة الحرارة: أقصى درجة حرارة للسطح العلوي للوحة القاعدة هي 35 درجة مئوية + 1 كيلو واط × 0.0128 درجة مئوية/واط = 47.8 درجة مئوية، وأدنى درجة حرارة هي 45.5 درجة مئوية. يتراوح نطاق تذبذب درجة الحرارة بين 2.3 درجة مئوية، وهو قريب من النطاق المستهدف البالغ 47 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية (لا تتجاوز أقصى درجة حرارة 49 درجة مئوية)، ولا توجد نقاط ساخنة محلية (فرق درجة الحرارة ≤ 3 درجات مئوية).
• فقدان الضغط: يبلغ إجمالي فقدان الضغط للقنوات الست 0.58 بار، وهو متوافق مع مضخات التبريد السائل الصناعية التقليدية (الضغط المقدر بين 1 و2 بار). لا حاجة لزيادة طاقة المضخة، مما يُجنّب زيادة استهلاك الطاقة.
3.3 تحليل حساسية العوامل المؤثرة الرئيسية
• فجوة قناة التدفق: في حال وجود فجوة مقدارها 0.05 مم بين أنبوب النحاس وأخدود لوحة القاعدة (دون ملء بمادة لاصقة موصلة للحرارة)، ستزداد المقاومة الحرارية للتلامس إلى 0.004 درجة مئوية/واط، وستزداد المقاومة الحرارية الكلية إلى 0.0151 درجة مئوية/واط، وسترتفع درجة حرارة السطح القصوى إلى 49.1 درجة مئوية. لذلك، يلزم إجراء معالجة دقيقة (مع التحكم في تفاوت الأخدود في حدود ±0.02 مم) وملء بمادة لاصقة موصلة للحرارة لضمان ملاءمة دقيقة.
• تقلب معدل التدفق: عندما ينخفض معدل التدفق الإجمالي إلى 3.5 لتر/دقيقة، ينخفض رقم رينولدز لقناة واحدة إلى 1844، وينخفض معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري إلى 4000 واط/متر مربع · كلفن، وتزداد المقاومة الحرارية الكلية إلى 0.0145 درجة مئوية/واط، وترتفع درجة حرارة السطح القصوى إلى 49.5 درجة مئوية. لذلك، يجب الحفاظ على معدل التدفق ضمن نطاق 4 لتر/دقيقة ± 0.3 لتر/دقيقة.
مادة لوحة القاعدة: في حال استخدام سبيكة ألومنيوم 6063-O (موصلية حرارية 190 واط/متر·كلفن، بدون معالجة حرارية) عن طريق الخطأ، ستزداد المقاومة الحرارية الموصلة إلى 0.0035 درجة مئوية/واط، وستزداد المقاومة الحرارية الكلية إلى 0.0134 درجة مئوية/واط. على الرغم من قربها من الهدف، إلا أنها عرضة للتشوه بسبب الإجهاد الحراري أثناء الاستخدام طويل الأمد. لذلك، يُعد 6063-T5 الخيار الأمثل.
4. الاستنتاجات والآفاق
صفيحة التبريد السائل المدمجة في أنبوب نحاسي بست قنوات، والمصممة في هذه الورقة، تجمع بين صفيحة قاعدة من سبيكة ألومنيوم 177.8-T152 بأبعاد 14 مم × 6063 مم × 5 مم، وأنابيب نحاسية حمراء بأبعاد 9.52 مم × 1.24 مم، ومعدل تدفق 4 لترات/دقيقة، مما يحقق مقاومة حرارية تبلغ 0.0128 درجة مئوية/واط، ودرجة حرارة سطح تتراوح بين 45.5 و47.8 درجة مئوية تحت طاقة 1 كيلوواط ودرجة حرارة محيطة 35 درجة مئوية. وتتوافق هذه الصفيحة تمامًا مع مؤشرات التصميم، ويمكن تطبيقها مباشرةً على سيناريوهات تبديد الحرارة للأجهزة عالية الطاقة التي تعمل بالكيلوواط.
يمكن أن تركز اتجاهات التحسين المستقبلية على ثلاثة جوانب:
1. ترقية طوبولوجيا قناة التدفق: تغيير قنوات التدفق الموازية إلى هيكل مركب "متعرج + متوازي" لزيادة وقت التلامس بين سائل التبريد ومصدر الحرارة، بهدف تقليل المقاومة الحرارية إلى أقل من 0.01 درجة مئوية/واط.
2. تصميم مركب من المواد: لوحة نيكل (سمك 30 ميكرومتر) على السطح العلوي للوحة القاعدة لتحسين التوافق مع مصدر الحرارة (تجنب التآكل الناتج عن تلامس الألومنيوم والنحاس) مع الحفاظ على كفاءة التوصيل الحراري.
3. تعزيز الموثوقية: إجراء اختبارات دورة درجات الحرارة العالية والمنخفضة لمدة 2000 ساعة (-40 درجة مئوية ~ 100 درجة مئوية) واختبارات رش الملح لمدة 1000 ساعة للتحقق من تأثير تآكل أنبوب النحاس وتشوه اللوحة الأساسية على المقاومة الحرارية أثناء الاستخدام طويل الأمد، مما يضمن أن يصل عمر المنتج إلى أكثر من 80,000 ساعة.
