تصميم واختبار أداء تبديد الحرارة بمستوى 500 واط للوحة التبريد السائل رباعية القنوات المدمجة في أنبوب نحاسي من النوع M

الملخص

لتلبية متطلبات تبديد الحرارة للأجهزة عالية الطاقة بقدرة 500 وات، صممت هذه الدراسة أنبوبًا نحاسيًا من النوع M بأربع قنوات لوحة تبريد سائلةبناءً على أبعاد لوحة القاعدة ١٢٧ مم × ١٥٢ مم × ١٥.٢ مم، صُممت أربع مجموعات من قنوات التدفق من النوع M باستخدام أنابيب نحاسية بقطر خارجي ٩.٥٢ مم وسمك جدار ١.٢٤ مم. وبدمجها مع لوحة قاعدة من سبيكة الألومنيوم ٦٠٦٣ ومعدل تدفق سائل تبريد ٤ لترات/دقيقة، يتم تحقيق مقاومة حرارية مستهدفة تبلغ ٠.٠٢ درجة مئوية/واط عند درجة حرارة محيطة ٣٥ درجة مئوية، ويتم التحكم في أقصى درجة حرارة لسطح لوحة التبريد السائل ضمن نطاق ٤٤.٦ درجة مئوية ± ٢ درجة مئوية. تتناول هذه الورقة بالتفصيل تصميم طوبولوجيا قناة التدفق، ومنطق مطابقة المعاملات، وعملية التحقق من الأداء، مقدمةً مرجعًا هندسيًا. حل التصميم الحراري لتبديد الحرارة بكفاءة للأجهزة عالية الطاقة.

مع تطور أجهزة إلكترونيات الطاقة نحو التكامل العالي وكثافة الطاقة العالية، أصبحت مشكلة تبديد الحرارة في الأجهزة ذات قدرة 500 واط (مثل وحدات العاكس الصناعية وإمدادات الطاقة عالية الطاقة لمشغلات LED) عاملاً رئيسياً يحد من موثوقية النظام. يصعب على ألواح التبريد السائل التقليدية أحادية/ثنائية القناة تلبية متطلبات المقاومة الحرارية المنخفضة التي تصل إلى 0.02 درجة مئوية/واط، وذلك بسبب عدم كفاية تغطية قنوات التدفق وضعف كفاءة التبادل الحراري، كما أنها عرضة لنقاط ساخنة محلية. يجب أن يحقق هذا التصميم المؤشرات الأساسية التالية:

• القيود الهيكلية: تبلغ أبعاد اللوحة الأساسية للوحة التبريد السائل 127 مم × 152 مم (تتكيف مع تخطيط تركيب معظم الأجهزة عالية الطاقة) وسمك 15.2 مم (موازنة القوة الهيكلية ومساحة تضمين قناة التدفق)؛ مادة اللوحة الأساسية هي سبيكة الألومنيوم 6063.

•أهداف الأداء: في ظل ظروف طاقة تبديد الحرارة 500 وات، ودرجة حرارة محيطة 35 درجة مئوية، ومعدل تدفق سائل التبريد 4 لتر/دقيقة، والمقاومة الحرارية الإجمالية ≤0.02 درجة مئوية/واط، ودرجة حرارة السطح القصوى ≤46.6 درجة مئوية، ودرجة حرارة السطح الدنيا ≥42.6 درجة مئوية.

• تصميم قناة التدفق: يتم إنشاء الهياكل ذات الأربع قنوات باستخدام أنابيب نحاسية من النوع M لتحقيق توزيع موحد للسائل المبرد في اللوحة الأساسية والقضاء على النقاط الساخنة المحلية.

2.1 هيكل اللوحة الأساسية واختيار المواد

باعتبارها المكون الأساسي لتحمل مصدر الحرارة والتوصيل الحراري، فإن تصميم اللوحة الأساسية يحتاج إلى تحقيق التوازن بين التوصيل الحراري وإمكانية المعالجة:

الأبعاد والمعالجة: صُممت صفيحة القاعدة المستطيلة مقاس 127 مم × 152 مم بسُمك 15.2 مم. وُضعت أربع مجموعات من أخاديد تضمين أنابيب النحاس "من النوع M" باستخدام آلة التفريز CNC. يطابق عرض الأخدود القطر الخارجي لأنبوب النحاس (9.52 مم)، مع تفاوت مُتحكم فيه في حدود ±0.03 مم (لضمان إحكام الالتحام بين أنبوب النحاس وصفيحة القاعدة وتقليل المقاومة الحرارية للتلامس). يبلغ عمق الأخدود 8 مم (مع الاحتفاظ بسُمك 7.2 مم كدعامة لصفيحة القاعدة لتجنب تشوه الإجهاد).

خصائص المادة: تم اختيار سبيكة الألومنيوم 6063، التي تتميز بموصلية حرارية تبلغ حوالي 201 واط/متر·كلفن (متفوقة على سبيكة الألومنيوم 6061) وكثافة 2.7 غ/سم³. تجمع هذه السبائك بين خفة الوزن والموصلية الحرارية العالية، ويمكن تحسين مقاومتها للتآكل السطحي من خلال المعالجة بالأكسدة، مما يجعلها مناسبة لظروف التبريد السائل طويلة الأمد.

2.2 تصميم أنابيب النحاس رباعية القنوات من النوع M

قناة التدفق من النوع M هي القلب لتحقيق تبادل حراري موحد ومقاومة حرارية منخفضة، ويجب أن تتوافق بنيتها الطوبولوجية ومعلماتها بدقة مع متطلبات تبديد الحرارة:

المعايير الأساسية لأنابيب النحاس: تم اختيار أنابيب نحاسية بقطر خارجي 9.52 مم وسمك جدار 1.24 مم (الموصلية الحرارية للنحاس الأحمر 401 واط/م·ك، وهي أعلى بكثير من الموصلية الحرارية لسبائك الألومنيوم، مما يُقلل من المقاومة الحرارية لجدار الأنبوب). القطر الداخلي المحسوب لأنبوب النحاس هو 9.52 – 2 × 1.24 = 7.04 مم، ومساحة المقطع العرضي للقناة الواحدة حوالي 38.9 مم².

طوبولوجيا قنوات التدفق من النوع M: تتكون مجموعة واحدة من قنوات التدفق من النوع M من "ثلاثة أجزاء مستقيمة + انحناءتين". يتناسب طول الأجزاء المستقيمة مع عرض صفيحة القاعدة (يبلغ طول الجزء المستقيم الأفقي 3 مم، وطول الجزء الرأسي الموصل 2 مم). رُتبت أربع مجموعات من أنابيب النحاس من النوع M بالتساوي على طول صفيحة القاعدة (بمسافة 120 مم) لتكوين أربع قنوات مستقلة. تتركز مداخل ومخارج قنوات التدفق على نفس الجانب القصير من صفيحة القاعدة (بمسافة 15 مم)، مما يُسهّل ربطها بنظام التبريد السائل الخارجي، ويُجنّب تأثير فرق درجة الحرارة بين المداخل والمخارج على تبديد الحرارة الموضعي.

مزايا القنوات الأربع: مقارنةً بالقنوات المزدوجة، توزع القنوات الأربع معدل التدفق الإجمالي البالغ 4 لترات/دقيقة بالتساوي على لتر واحد/دقيقة لكل قناة. وبفضل تصميم قناة التدفق M متعدد الطيات، يغطي سائل التبريد أكثر من 1% من مساحة اللوحة الأساسية، مما يزيد مساحة التبادل الحراري بشكل ملحوظ (تبلغ مساحة التبادل الحراري الإجمالية حوالي 95 متر مربع)، مع تجنب الزيادة الحادة في فقدان الضغط الناتج عن معدل التدفق المرتفع للغاية في قناة واحدة.

2.3 مطابقة سائل التبريد ومعدل التدفق

تؤثر الخصائص الفيزيائية ومعدل تدفق سائل التبريد بشكل مباشر على كفاءة نقل الحرارة الحملية، والتي يجب أن تتكيف بدقة مع الهيكل ذي الأربع قنوات:

اختيار سائل التبريد: يُستخدم محلول مختلط من ٥٠٪ ماء منزوع الأيونات + ٥٠٪ إيثيلين جليكول. عند درجة حرارة ٢٥ درجة مئوية، تبلغ اللزوجة الحركية له حوالي ١.٠ × ١٠⁻⁶م²/ثانية، وموصليته الحرارية حوالي ٠.٤٥ واط/(م·ك). يتميز بمقاومته للتآكل (مناسب لحالات تلامس النحاس والألومنيوم)، ودرجة تجمده منخفضة (-٣٥ درجة مئوية)، ودرجة غليانه عالية (١٠٨ درجة مئوية)، ويمكنه العمل بثبات لفترة طويلة عند درجة حرارة محيطة ٣٥ درجة مئوية.

تحليل معدل التدفق ونظام التدفق: بمعدل تدفق إجمالي يبلغ 4 لترات/دقيقة (لتر واحد/دقيقة لكل قناة)، وبالاعتماد على القطر الداخلي للأنبوب النحاسي (1 مم)، يبلغ معدل تدفق سائل التبريد المحسوب في قناة واحدة حوالي 7.04 متر/ثانية، ورقم رينولدز Re ≈ (0.7 متر × 0.00704 متر/ثانية)/(0.7 × 1.0⁻⁶ متر²/ثانية) = 10، وهو في حالة التدفق المضطرب (Re>4928). يمكن أن يصل معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري إلى 4000-5000 واط/(م²·ك)، مما يوفر دعمًا أساسيًا بمقاومة حرارية منخفضة.

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 توصيل السطح العلوي للوحة القاعدة بمصدر الحرارة من خلال شحم السيليكون الموصل للحرارة (الموصلية الحرارية 5 وات/(م·ك)، السُمك 0.1 مم)، ويتم حساب R_contact وهو ما يقرب من 0.002 درجة مئوية/واط.

• التوصيل الحراري: يتضمن جزأين - التوصيل الحراري من مصدر الحرارة إلى أنبوب النحاس من خلال اللوحة الأساسية (حوالي 0.003 درجة مئوية/واط) والتوصيل الحراري من خلال جدار أنبوب النحاس (حوالي 0.001 درجة مئوية/واط)، مع إجمالي توصيل حراري يبلغ حوالي 0.004 درجة مئوية/واط.

•R_convection: يتم حساب مقاومة انتقال الحرارة بالحمل الحراري بين الجدار الداخلي لأنبوب النحاس والمبرد على أساس معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري في حالة التدفق المضطرب، وR_convection يساوي تقريبًا 0.014℃/W.

تبلغ المقاومة الحرارية الإجمالية للأجزاء الثلاثة حوالي 0.02℃/W، وهو ما يلبي هدف التصميم بالكامل.

3.2 التحقق من المحاكاة والنتائج

يتم استخدام برنامج ANSYS Fluent لبناء نموذج محاكاة حراري ثلاثي الأبعاد، ويتم إدخال الشروط الحدودية التالية:

• مصدر الحرارة: يتم تطبيق تدفق حراري موحد بقوة 500 وات على السطح العلوي للوحة القاعدة (محاكاة توليد الحرارة للأجهزة عالية الطاقة).

•البيئة: بيئة الحمل الحراري الطبيعية 35 درجة مئوية (يتم ضبط معامل نقل الحرارة الإشعاعي على 0.01 واط / (م² · كلفن)، والذي يمكن تجاهله).

•المبرد: درجة حرارة المدخل 35 درجة مئوية، ومعدل التدفق الإجمالي 4 لتر/دقيقة، والمعلمات الفيزيائية تتطابق مع محلول مختلط من الماء والإيثيلين جليكول بنسبة 50%.

وتظهر نتائج المحاكاة أن:

• أداء المقاومة الحرارية: تبلغ المقاومة الحرارية الإجمالية للوحة التبريد السائلة 0.019 درجة مئوية/واط، وهي أقل من القيمة المستهدفة البالغة 0.02 درجة مئوية/واط وتلبي متطلبات التصميم.

توزيع درجة الحرارة: أقصى درجة حرارة لسطح اللوحة الأساسية هي 35 درجة مئوية + 500 واط × 0.019 درجة مئوية/واط = 44.5 درجة مئوية، وأدنى درجة حرارة للسطح هي 42.8 درجة مئوية. يتراوح نطاق تذبذب درجة الحرارة بين 1.7 درجة مئوية، وهو ضمن النطاق المستهدف وهو 44.6 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية، ولا توجد نقاط ساخنة محلية.

• فقدان الضغط: يبلغ إجمالي فقدان الضغط للقنوات الأربع 0.65 بار، وهو متوافق مع مضخات التبريد السائل الصناعية التقليدية (الضغط المقدر 1-2 بار) دون عبء إضافي لاستهلاك الطاقة.

3.3 تحليل حساسية العوامل المؤثرة الرئيسية

درجة ملاءمة قناة التدفق: في حال وجود فجوة مقدارها 0.1 مم بين أنبوب النحاس وأخدود التضمين في اللوحة الأساسية (بدون ملء بمادة لاصقة موصلة للحرارة)، ستزداد المقاومة الحرارية للتلامس إلى 0.008 درجة مئوية/واط، وستزداد المقاومة الحرارية الكلية إلى 0.025 درجة مئوية/واط. لذلك، يلزم معالجة دقيقة وملء بمادة لاصقة موصلة للحرارة (موصلية حرارية 10 واط/متر·كلفن) لضمان ملاءمة محكمة.

تقلب معدل التدفق: عندما ينخفض ​​معدل التدفق الإجمالي إلى 3 لترات/دقيقة، ينخفض ​​رقم رينولدز لقناة واحدة إلى 3696 (حالة التدفق الانتقالي)، وينخفض ​​معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري إلى 4000 واط/متر مربع · كلفن، وتزداد المقاومة الحرارية الكلية إلى 0.024 درجة مئوية/واط، وترتفع درجة حرارة السطح القصوى إلى 47.0 درجة مئوية. لذلك، يجب الحفاظ على معدل التدفق مستقرًا ضمن نطاق 4 لترات/دقيقة ± 0.2 لتر/دقيقة.

مادة اللوحة الأساسية: في حال اختيار سبيكة ألومنيوم 6061 (موصلية حرارية 180 واط/متر·كلفن) عن طريق الخطأ، ستزداد المقاومة الحرارية الموصلة إلى 0.005 درجة مئوية/واط، وستزداد المقاومة الحرارية الكلية إلى 0.021 درجة مئوية/واط. ورغم قربها من الهدف، سيزداد خطأ تجانس درجة الحرارة إلى 2.3 درجة مئوية. لذلك، تُعد سبيكة ألومنيوم 6063 الخيار الأمثل.

النوع M لوحة تبريد سائلة رباعية القنوات مدمجة في أنبوب نحاسي صُمم هذا المنتج في هذه الدراسة، باستخدام هيكل صفيحة قاعدة بأبعاد 127 مم × 152 مم × 15.2 مم، وأنابيب نحاسية حمراء من النوع M بأبعاد 9.52 مم × 1.24 مم، وصفيحة قاعدة من سبيكة الألومنيوم 6063، ومعدل تدفق 4 لترات/دقيقة، مما يحقق مقاومة حرارية تبلغ 0.019 درجة مئوية/واط، ودرجة حرارة سطح تتراوح بين 42.8 و44.5 درجة مئوية تحت ظروف طاقة 500 واط ودرجة حرارة محيطة 35 درجة مئوية. يتوافق هذا المنتج تمامًا مع معايير التصميم، ويمكن تطبيقه مباشرةً على سيناريوهات تبديد الحرارة للأجهزة عالية الطاقة بقدرة 500 واط.

يمكن أن تركز اتجاهات التحسين المستقبلية على ثلاثة جوانب:

1. تحسين طوبولوجيا قناة التدفق: تعديل قناة التدفق من النوع M إلى "نوع M مزدوج" (إضافة انحناء آخر) لزيادة مساحة تبادل الحرارة بشكل أكبر، بهدف تقليل المقاومة الحرارية إلى 0.015 درجة مئوية/واط.

2. ترقية المواد: حاول طلاء النحاس على سطح اللوحة الأساسية (سمك 50 ميكرومتر) لتقليل المقاومة الحرارية لمسار التوصيل الحراري بين مصدر الحرارة وأنبوب النحاس وتحسين توحيد درجة الحرارة.

3. التحقق من الموثوقية: قم بإجراء اختبار دورة طويلة الأمد لمدة 1000 ساعة (دورة درجة الحرارة -40 درجة مئوية ~ 85 درجة مئوية) للتحقق من تأثير تآكل أنبوب النحاس وتشوه اللوحة الأساسية على المقاومة الحرارية، مما يضمن أن يصل عمر المنتج إلى أكثر من 50,000 ساعة.