يتضمن نظام التبريد السائل بأكمله مكونات مثل ألواح التبريد السائل، ووسائط التبريد السائل، والمضخات، وأنابيب المياه، والمشعات. وبشكل عام، يوضح الجدول التالي الخصائص الحرارية الفيزيائية لسوائل العمل المبردة بالسائل الشائعة الاستخدام:
من الجدول أعلاه، يمكن ملاحظة أن اختيار وسط التبريد السائل له تأثير ثابت على كفاءة تبديد الحرارة للنظام بأكمله. دون تغيير الظروف الأخرى، يجب إعطاء الأولوية للوسائط التي تلبي المتطلبات البيئية (الارتفاع، درجة الحرارة المحيطة، إلخ) وتكون منخفضة التكلفة. ومع ذلك، فإن صفيحة التبريد السائل هي أيضًا جزء مهم من نظام تبديد حرارة التبريد السائل، وهي مكون التبادل الحراري لنظام التبريد السائل. لديها بنية أخدود تبادل حراري داخلي، وهي قناة التدفق. الاختلافات في تصميم قناة التدفق الداخلية لها تأثير كبير على كفاءة نقل الحرارة للنظام بأكمله، وهناك متغيرات مهمة متضمنة. لذلك، لن نناقش وسط التبريد السائل. دعونا نأخذ الماء النقي كمثال لتحليل أفكار التصميم والتحسين لقناة تدفق صفيحة التبريد السائل.
في التصميم الهيكلي لألواح التبريد السائلة، يجب مراعاة النقاط التالية:
متطلبات أداء نقل الحرارة: تحت ضبط معدل التدفق والفرق في درجة حرارة الماء الداخل والخارج، يتم تحقيق هدف ارتفاع درجة حرارة مصدر الحرارة، وكذلك هدف المقاومة الحرارية للمبرد، ومتطلبات أداء نقل الحرارة؛ القوة و
متطلبات الضغط: قد تتطلب بعض المشاريع تعليمات خاصة بشأن ضغط السطح وحالة الإجهاد الكلية للوحة التبريد السائلة نظرًا لبيئة الاستخدام ومتطلبات التركيب داخل النظام.
متطلبات مقاومة التآكل: سيتأثر التدفق طويل الأمد لسائل التبريد في القناة بدرجة الحرارة العالية، مما سيؤدي إلى تفاقم تلف المواد المعدنية، وحتى الانسداد، ويؤثر على كفاءة تبديد الحرارة؛
متطلبات منع التسرب: يمكن تحقيق تدابير منع التسرب من خلال تصميم غطاء اللوحة، والسطحين العلوي والسفلي، وشرائط منع التسرب، وحتى طرق اللحام الاحتكاكي أو اللحام بالنحاس. متطلبات التكلفة المنخفضة: يجب تقليل التكاليف الناتجة عن ضغط المضخة، وساعات العمل، وما إلى ذلك، من خلال مراعاة جوانب جدوى الإنتاج والمعالجة، واختيار المواد، وتعقيد العملية، ومقاومة التدفق، والمقاومة الحرارية، وما إلى ذلك. ولتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه، يجب مراعاة اعتبارات تصميم شاملة من حيث المواد، والتصميم الهيكلي، وطرق التصنيع، وغيرها من الجوانب.
تؤثر مادة صفيحة التبريد السائل على أداء نقل الحرارة بين مجرى الماء ومياه التبريد. استخدام مواد ذات موصلية حرارية عالية في تصنيع صفيحة التبريد السائل يُقلل بفعالية من المقاومة الحرارية الكلية للنظام. يوضح الجدول أدناه الخصائص الشائعة للمواد، والتي يمثلها الألومنيوم والنحاس:
تُعدّ سبائك الألومنيوم، باعتبارها أكثر مواد تبديد الحرارة شيوعًا، ذات مزايا عديدة، منها الموصلية الحرارية العالية، والكثافة المنخفضة، وسهولة التشكيل، ومقاومة التآكل، والخصائص الفيزيائية والميكانيكية الممتازة. وقد نضجت عملية مقاومة التآكل في قطاعات الألومنيوم، مما يضمن الاستخدام الموثوق طويل الأمد لألواح التبريد المائي. وتُستخدم في صناعة مشتتات الحرارة المصنوعة من الألومنيوم في المنتجات الإلكترونية مواد من سلسلتي 50 و60، مثل AL5051606016063، والتي تتميز بموصلية حرارية عالية، ومقاومة للتآكل، وسهولة التشكيل. وهي مناسبة لعمليات الأنودة والتصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) للقنوات المعقدة.
يركز البحث هنا على أفكار وطرق تصميم وتحسين قنوات تدفق الصفائح المبردة بالماء، انطلاقًا من تحديد معدل تدفق الماء ومتطلبات انخفاض الضغط الأساسية. تنقسم أنماط قنوات تدفق الصفائح المبردة السائلة بشكل رئيسي إلى: مسطحة، على شكل حرف W، دائرية، أسطوانية، حلزونية أرخميدية، وغيرها. فيما يلي شرح موجز وفقًا للرسم التخطيطي.
تتميز لوحة التبريد السائل ذات قناة التدفق المستوية بعدة خصائص رئيسية. فهي توفر مسار تدفق سلسًا ومتسقًا. ويسمح تصميمها بنقل الحرارة بكفاءة عالية بفضل التلامس الجيد مع سائل التبريد. كما أنها غالبًا ما تكون بسيطة التركيب، مما يسهل عملية التصنيع، وتوفر تبريدًا موثوقًا في تطبيقات متنوعة. وكما هو موضح في الشكل أعلاه، يتميز كل من المدخل والمخرج ببنية بسيطة على كلا الجانبين.
تتميز الصفيحة المبردة السائلة، ذات قناة التدفق على شكل حرف W- S ، بالعديد من المزايا في تبريد السوائل. فمن الناحية الهيكلية، تزيد قناة التدفق على شكل حرف W من مساحة التلامس بين السائل والصفيحة المبردة، وتُطيل مسار تدفق السائل. وهذا يسمح بامتصاص الحرارة بشكل كامل، ويُحسّن كفاءة التبادل الحراري. أما من حيث تدفق السائل، فيُمكنها أن تُشكّل حالة تدفق أكثر تعقيدًا، وتُقلل من التدفق الصفائحي، وتُعزز الاضطراب، وتجعل انتقال الحرارة أكثر انتظامًا وسرعة. يُقلل هذا التصميم بشكل فعال من خطر ارتفاع درجة الحرارة الموضعي، ويجعل نظام التبريد بأكمله يعمل بثبات أكبر، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تبديدًا عاليًا للحرارة.
تتميز قناة التدفق الحلقية للوحة التبريد السائل بعدة مزايا. أولًا، يسمح تصميمها الحلقي بتدوير سائل التبريد، مُشكلاً دائرة تبريد مستقرة ومستمرة، مما يضمن إزالة الحرارة بشكل متساوٍ. يمنع هذا النقل الحراري المنتظم ارتفاع درجة الحرارة الموضعي ويحمي المكونات الإلكترونية والمعدات الأخرى الملامسة لها. علاوة على ذلك، تُحسّن قناة التدفق الحلقية من انتظام تدفق سائل التبريد، مما يقلل من عوامل عدم الاستقرار الناتجة عن الاضطراب ويُخفض مقاومة السائل، وبالتالي يزيد من كفاءة عملية التبريد. في الوقت نفسه، يتميز تصميم قناة التدفق الحلقية بالبساطة النسبية، مما يُسهّل عملية التصنيع ويُقلل التكلفة.
تعتمد صفيحة التبريد السائل خصائص قناة التدفق الحلزونية لأرخميدس ، مما يُسهم في تبديد الحرارة بكفاءة عالية. يُطيل الشكل الحلزوني مسار تدفق سائل التبريد داخل القناة، ويزيد مساحة التلامس، مما يُتيح امتصاص الحرارة بالكامل، وتحقيق تبادل حراري فعال، وخفض درجة الحرارة بشكل ملحوظ. من الناحية الميكانيكية، يُساعد هذا التصميم على توجيه سائل التبريد بسلاسة، والحد من اضطراب التدفق وتقلبات السرعة الموضعية، وبالتالي تقليل ضوضاء السائل وفقدان الضغط.
من خلال تركيبات متنوعة، يمكن تحقيق العديد من التأثيرات غير المتوقعة. سيقوم مهندسونا بإعداد التحليل الحراري لهذه القنوات للرجوع إليها مستقبلًا. لتصميم هذه القنوات، استُخدمت أيضًا عدة تصاميم نموذجية لقنوات التبريد المائي. دعونا نلقي نظرة على أفكار تصميم تحسينها.
إضافة دوائر: بعد التخطيط الأولي لتصميم قناة تدفق السائل، كشفت المحاكاة العددية أن كفاءة تبديد الحرارة لم تكن تفي بالمتطلبات وأن المقاومة الحرارية كانت عالية. في هذه الحالة، يمكن النظر في إضافة دوائر، مثل التغيير من دورة واحدة إلى دورة مزدوجة، أو حتى أكثر، لتعزيز انتقال الحرارة؛
زيادة مساحة تبديد الحرارة: إذا سمحت المساحة الهيكلية الداخلية بذلك، يمكن إضافة أضلاع أسطوانية أو مربعة بشكل مناسب داخل قناة التدفق لتحسينها بطريقة متداخلة أو متسلسلة؛
تحسين سرعة تدفق المياه الداخلية: عندما تكون مساحة المقطع العرضي للمدخل ثابتة، كلما كبرت مساحة المقطع العرضي لقناة تدفق الماء الداخلية، انخفضت سرعتها، مما يعيق انتقال الحرارة بسرعة. وبالطبع، لا يكفي مجرد تقليل مساحة المقطع العرضي لتعزيز سرعة التدفق، إذ سيؤدي ذلك إلى زيادة مقاومته؛
منطقة تبريد المياه المتوازنة: حاول تغطية سطح تلامس مصدر الحرارة بالتساوي بقناة التدفق. في الحالات الخاصة التي تكون فيها المساحة والمساحة صغيرتين، يُعدّ ممر أرخميدس الحلزوني خيارًا جيدًا؛ تجنب الدوائر القصيرة: عندما يكون المدخل والمخرج قريبين جدًا، غالبًا ما يتم استخدام هيكل الضلع في تصميم الممر المائي لتمديد الممر المائي وتوزيعه مباشرة أسفل مصدر الحرارة، مما يتجنب تدفق المياه المباشر من المدخل إلى المخرج؛
تجنب تدفق المياه المفرط: في الحالات التي يكون فيها توزيع مصادر الحرارة خاصًا نسبيًا، مثل التوزيع الرأسي، قد يكون مفهوم التصميم العام عبارة عن قناة تدفق، من الأسفل إلى الأعلى أو من الأعلى إلى الأسفل، ولكنه قد يُسبب زيادة في فرق درجة الحرارة بين الطرفين الخلفي والأمامي. في هذه الحالة، يمكن النظر في التبريد المنفصل عن طريق التوزيع الطبقي.
حاول تقليل الانحناءات والحصول على انتقالات سلسة: تزيد الانحناءات من فقدان الضغط وتعزز مقاومة التدفق الداخلي. إذا كان ذلك لا مفر منه، فحاول جعل الانتقالات بين الانحناءات سلسة لتعزيز تبديد الحرارة وتقليل انخفاض الضغط.
بالطبع، عند إجراء تصميم التحسين المذكور أعلاه، من الضروري التأكد في نفس الوقت مما إذا كانت مقاومة التدفق الداخلي والمقاومة الحرارية والقوة الهيكلية (ضغط السطح، إلخ) للنظام تلبي المتطلبات والقيود الفعلية للمشروع، مع مراعاة جدوى الإنتاج والمعالجة قدر الإمكان، وكذلك التكلفة. بناءً على المشروع الأصلي، بافتراض أن الممر المائي مُحسَّن عن طريق زيادة مساحة تبديد الحرارة الداخلية وتقليل مساحة المقطع العرضي وزيادة الدائرة، يتم حساب النتائج النظرية بشكل منفصل؛ بناءً على نتائج التحليل، أنشئ نماذج تصميم متعددة للممر المائي وأجرِ محاكاة في البيئة المطلوبة. قارن وحلل نتائج المحاكاة، وأنشئ نماذج واختبارات تجريبية، وتحقق من نتائج تحليل الفرضيات والمحاكاة العددية. يمكن لمهندسينا في KENFA TECH الاتصال بأي تصميم تحسين.
