ملخص: يكشف هذا الاختراع عن لوحة تبريد سائلة ذات قناة منحنية مُحسّنة للاضطراب ، والتي تندرج ضمن المجال التقني لتبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية. وهي مُصممة لتناسب ركيزة من سبائك الألومنيوم 6061-T5 بأبعاد 152 مم (عرض) × 127 مم (طول) × 17 مم (ارتفاع). تُرتب أربعة أخاديد مُدمجة على سطح الركيزة، وتُدمج داخلها أنابيب نحاسية حمراء بقطر خارجي 9.52 مم، وسُمك جدار 1.5 مم، وقطر داخلي 6.52 مم. تنحني الأنابيب النحاسية بشكل متواصل لتشكيل سلسلة من قنوات التدفق على شكل حرف M. يكمن التحسين الأساسي في ترتيب عدة مجموعات من وحدات الانحناء "الأفقية-السفلية-الرافعة" على فترات منتظمة في الجزء المستقيم من الأنبوب النحاسي. فعلى سبيل المثال، تتضمن لوحة التبريد السائلة ذات الأربع قنوات ثلاث وحدات انحناء. وقد حُددت زاوية الانحناء بـ 30 درجة من خلال الاشتقاق النظري، وحساب المعلمات، والمحاكاة الحرارية. بفضل التغيير المفاجئ في مسار التدفق، يُجبر هذا الابتكار سائل التبريد على تكوين اضطراب، مما يكسر قيود الطبقة الحدية الصفائحية، ويعزز بشكل فعال كفاءة انتقال الحرارة بالحمل بين سائل التبريد والجدار الداخلي لأنبوب النحاس. بالمقارنة مع لوحة التبريد السائلة التقليدية ذات الأنبوب المستقيم على شكل حرف M، ودون إضافة أي مكونات داخلية إضافية، يزداد معامل انتقال الحرارة بأكثر من 10%، مع التحكم في زيادة مقاومة التدفق ضمن نطاق 10%. هذه الزيادة الطفيفة في مقاومة التدفق تُبطئ من سرعة التدفق، وفي الوقت نفسه تتجنب خطر انحناء أنبوب النحاس. يُناسب هذا الابتكار تطبيقات تبديد الحرارة عالية الكفاءة، مثل الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة ووحدات البطاريات الصغيرة.
التكنولوجيا الخلفية
مع التطور السريع للتكنولوجيا الإلكترونية، يتحسن مستوى تكامل المعدات، مثل الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة ووحدات البطاريات الصغيرة، باستمرار، مما يؤدي إلى زيادة حادة في الحرارة المتولدة أثناء تشغيلها. إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة في الوقت المناسب، سترتفع درجة الحرارة الداخلية للمعدات، مما يؤثر سلبًا على استقرارها التشغيلي وموثوقيتها وعمرها الافتراضي. تُستخدم الألواح المبردة السائلة على نطاق واسع في أنظمة تبديد الحرارة لهذه المعدات، باعتبارها مكونًا عالي الكفاءة لتبديد الحرارة.
في التقنيات السابقة، شاع استخدام لوحة التبريد السائل ذات القناة على شكل حرف M نظرًا لمزاياها، مثل تصميم القناة المدمج ومساحة تبديد الحرارة الكبيرة. مع ذلك، تعتمد لوحات التبريد السائل التقليدية ذات القناة على شكل حرف M في الغالب على قنوات مستقيمة وأفقية، حيث يميل سائل التبريد إلى تكوين تدفق صفائحي. في حالة التدفق الصفائحي، كلما زادت سرعة التدفق، انخفضت كفاءة انتقال الحرارة بالحمل بين سائل التبريد والجدار الداخلي للقناة، مما يصعب معه تلبية متطلبات تبديد الحرارة عالية الكفاءة للمعدات عالية الطاقة.
لتحسين كفاءة نقل الحرارة، تعتمد التقنيات السابقة عادةً على أساليب مثل إضافة مكونات مدمجة (مثل أعمدة التوجيه، والزعانف الحلزونية، وما إلى ذلك) في القناة، أو تشكيل أشكال أسطوانية أو مستطيلة في القناة باستخدام آلات CNC لتحفيز تكوين الاضطراب. ومع ذلك، فإن إضافة هذه المكونات المدمجة تزيد بشكل ملحوظ من مقاومة التدفق، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة لنظام تبديد الحرارة. في الوقت نفسه، يزيد تركيب هذه المكونات من صعوبة المعالجة وتكلفة تصنيع لوحة التبريد السائل باستخدام آلات CNC، كما يُشكل خطر انسداد القناة.
لذا، تتمثل الفكرة الأساسية لهذا الاختراع في تطوير لوحة تبريد سائلة قادرة على تحسين كفاءة نقل الحرارة دون إضافة مكونات داخلية إضافية، مع تحقيق توازن بين مقاومة التدفق المنخفضة والاستقرار الهيكلي. وقد بات هذا الأمر يمثل مشكلة تقنية ملحة تتطلب حلاً في هذا المجال.
نتائج التحليل باستخدام برنامج المحاكاة الحرارية Ansys 2022 R1 Icepak
1. تم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد وفقًا لأبعاد 152 مم × 127 مم × 17 مم وتم حفظه بتنسيق *.stp.
2. تم فتح برنامج CDM لاستخراج قنوات التدفق.
3. تم تحويل النموذج إلى نموذج صلب قابل للحل لبرنامج Icepak باستخدام برنامج Ansys 2022 R1.
4. تم ضبط معايير التشغيل على النحو التالي: درجة حرارة محيطة تبلغ 35 درجة مئوية، ومعدل تدفق يبلغ 6 لتر/دقيقة، وطاقة حرارية تبلغ 1000 واط.
5. تم ضبط خطوة التقارب على 2000 خطوة (توقفت العملية تلقائيًا بعد 820 خطوة عند التقارب).
٦. استنتاج معدل التدفق: بلغ معدل تدفق النموذج المُبتكر بزاوية ٣٠ درجة (أفقي-سفلي-علوي) ٢.٨٦ متر/دقيقة، بينما بلغ معدل تدفق نموذج أنبوب النحاس التقليدي ذي الترتيب الأفقي ٣.٢٤ متر/دقيقة. يشير هذا إلى عدم وجود مقاومة أو اضطراب في الطبقة الحدية الصفائحية للنموذج التقليدي.
7. استنتاج فرق الضغط: بلغ فرق الضغط في النموذج المُبتكر ذي الانحناء الأفقي-السفلي-العلوي بزاوية 30 درجة، 34029.4 نيوتن/م²، مقارنةً بـ 31616.9 نيوتن/م² في نموذج أنبوب النحاس التقليدي ذي الترتيب الأفقي. وهذا يؤكد أيضًا أن مبدأ هذا الاختراع يكسر الطبقة الحدية الصفائحية ويُولد اضطرابًا.
٨. استنتاج درجة الحرارة: بلغت درجة الحرارة المركزية للشريحة المزودة بترتيب الأنابيب النحاسية المنحنية بزاوية ٣٠ درجة (أفقي-سفلي-علوي) ٥٨.٠٨ درجة مئوية، بينما بلغت ٦١.٠٤ درجة مئوية مع ترتيب الأنابيب النحاسية الأفقي التقليدي. وهذا يُظهر بوضوح أنه تحت تأثير الاضطراب، يحقق سائل التبريد تبادلًا حراريًا مُحسَّنًا مع جدار الأنبوب النحاسي، ويخترق الطبقة الحدية الصفائحية، وينقل كمية كبيرة من الحرارة إلى سائل التبريد، مما يُخفض درجة حرارة الشريحة بمقدار ٣ درجات مئوية.
آثار مفيدة
1. تحسين ملحوظ في كفاءة نقل الحرارة: من خلال ترتيب وحدات انحناء بزاوية محددة في الجزء المستقيم من أنبوب النحاس، يُجبر هذا الابتكار سائل التبريد على تكوين اضطراب عبر التغير المفاجئ في مسار التدفق، مما يكسر قيود الطبقة الحدية الصفائحية. وبالمقارنة مع لوحة التبريد السائل التقليدية ذات الأنبوب المستقيم على شكل حرف M، يزداد معامل نقل الحرارة بأكثر من 15%، مما يلبي بفعالية متطلبات تبديد الحرارة عالية الكفاءة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة ووحدات البطاريات الصغيرة.
٢. زيادة مقاومة التدفق قابلة للتحكم: مع تعزيز كفاءة نقل الحرارة، لا يتطلب هذا الابتكار مكونات إضافية مدمجة. من خلال تحسين زاوية الانحناء (٣٠ درجة)، يتم التحكم في زيادة مقاومة التدفق في حدود ١٨٪. وهذا يتجنب مشكلة الارتفاع الحاد في استهلاك الطاقة الناتج عن إضافة مكونات مدمجة، ويحسن الكفاءة الاقتصادية لنظام تبديد الحرارة.
3. استقرار هيكلي عالي: يمكن لنطاق زاوية الانحناء الأمثل المحدد من خلال الاشتقاق النظري وحساب المعلمات أن يتجنب بشكل فعال ظاهرة تركيز الإجهاد أثناء عملية انحناء أنبوب النحاس، ويمنع مشاكل الفشل مثل ترقق جدار الأنبوب وتشققه، ويحسن الاستقرار الهيكلي وعمر خدمة لوحة التبريد السائلة.
4. سهولة المعالجة والتصنيع: يتم تشكيل بنية قناة التدفق في هذا الاختراع مباشرةً عن طريق ثني أنبوب النحاس دون الحاجة إلى مكونات داخلية معقدة. علاوة على ذلك، تُصنع الأخاديد على شكل حرف U باستخدام تقنية معالجة التشكيل التقليدية، مما يوفر سهولة في المعالجة، وتكلفة تصنيع معتدلة، وسهولة في الإنتاج بكميات كبيرة.
5. أداء قابل للتطوير لسيناريوهات الطاقة العالية: إذا زاد عدد مرات انحناء الأنبوب النحاسي في الاختراع إلى 6 أو 8 أو 12، وزادت طاقة الرقائق عالية الطاقة إلى 2000 واط أو 5000 واط أو 10000 واط، فسوف يتحسن تأثير الاختراع بشكل كبير.
سنواصل تطوير وبحث منتجاتنا وعملياتنا الجديدة لعملائنا، لنقدم لهم أحدث الحلول التقنية المتطورة، مما يعزز قدرتهم التنافسية في السوق. لأي استفسار، يرجى مراسلتنا عبر البريد الإلكتروني king@kenfatech.com.
