Comment concevoir et optimiser des canaux à plaques refroidies à l'eau pour une efficacité maximale

 

L'ensemble du système de refroidissement liquide comprend des composants tels que la plaque de refroidissement liquide, le fluide de refroidissement liquide, la pompe, les tuyaux et le radiateur.

 

De manière générale, les propriétés thermophysiques des fluides de refroidissement liquides couramment utilisés sont présentées dans le tableau ci-dessous :

 

▲ Propriétés de refroidissement liquide

 

Le tableau ci-dessus montre clairement que le choix du fluide de refroidissement liquide a un impact fixe sur l'efficacité de refroidissement de l'ensemble du système. Sans modifier les autres conditions, la priorité doit être donnée aux supports peu coûteux qui répondent aux exigences environnementales (telles que l'altitude et la température ambiante).

 

Cependant, la plaque refroidie par eau constitue également un élément crucial du système de refroidissement liquide. En tant que composant d'échange thermique du système de refroidissement liquide, il contient des canaux d'échange thermique, c'est-à-dire des chemins d'écoulement. La conception de ces chemins d'écoulement internes peut affecter de manière significative l'efficacité de l'échange thermique de l'ensemble du système, avec une variabilité considérable.

 

Par conséquent, aujourd’hui, nous ne discuterons pas des fluides de refroidissement liquides, mais, en utilisant l’eau pure comme exemple, nous analyserons l’approche de conception et d’optimisation des chemins d’écoulement des plaques refroidies par eau.

 

Lors de la conception de la structure à plaques refroidies à l’eau, les facteurs suivants doivent être pris en compte :

 

• Exigences de performances d’échange thermique :Sous le débit défini et la différence de température entre l'eau d'entrée et de sortie, obtenez l'augmentation de température souhaitée de la source de chaleur et l'objectif de dissipation thermique du radiateur, répondant ainsi aux exigences de performance.
• Exigences de résistance et de pression :Dans certains projets, en raison des exigences environnementales d'utilisation ou d'installation au sein du système, des instructions spécifiques sont données concernant la pression de surface et les conditions de contrainte globales de la plaque refroidie à l'eau.
• Résistance à la corrosion :Le fluide de refroidissement liquide circule dans le canal pendant des périodes prolongées, et les températures élevées peuvent accélérer la dégradation des matériaux métalliques, entraînant potentiellement des blocages ayant un impact sur l'efficacité du refroidissement.
• Prévention des fuites :La conception de la plaque de recouvrement, des surfaces supérieure et inférieure, des bandes d'étanchéité et même des méthodes de soudage doivent empêcher les fuites.
• Rentabilité :Réduire les coûts liés à des facteurs tels que la faisabilité de la production, la sélection des matériaux, la complexité du processus, la résistance à l'écoulement et la résistance à la chaleur, tout en minimisant la pression de la pompe et le temps de travail.

 

Pour répondre aux exigences ci-dessus, des considérations de conception approfondies doivent être prises en compte concernant les matériaux, la structure et les méthodes de fabrication.

 

 

I Sélection du matériau de la plaque refroidie à l'eau

 

Le matériau de la plaque refroidie à l'eau affecte les performances d'échange thermique entre le canal et l'eau de refroidissement. Des matériaux à haute conductivité thermique doivent être utilisés pour les plaques refroidies à l'eau afin de réduire efficacement la résistance thermique globale du système. Les matériaux courants comme l’aluminium et le cuivre présentent les propriétés suivantes :

 

▲ Propriétés des matériaux

 

Les alliages d'aluminium, en tant que matériau de refroidissement le plus couramment utilisé, présentent des avantages tels qu'une conductivité thermique élevée, une faible densité, une bonne usinabilité, une excellente résistance à la corrosion et des propriétés physiques et mécaniques favorables.

 

Le processus de protection contre la corrosion des profilés en aluminium est bien établi, garantissant une utilisation fiable à long terme des plaques refroidies par eau.

 

Les dissipateurs thermiques en aluminium utilisés dans les produits électroniques sont généralement fabriqués à partir d'alliages des séries 50 ou 60, tels que AL5051, 60601 et 6063. Ces matériaux offrent une excellente conductivité thermique, résistance à la corrosion, usinabilité et conviennent à l'anodisation et au traitement CNC de canaux d'écoulement complexes. .

 

Cette étude se concentre sur l'approche de conception et d'optimisation des chemins d'écoulement à plaques refroidies à l'eau, en supposant des débits prédéterminés et des exigences de base en matière de chute de pression.

 

 

II Types de base de chemins d'écoulement à plaques refroidies à l'eau

 

Les principaux types de chemins d'écoulement à plaques refroidies à l'eau comprennent : les canaux planaires, en forme de W, circulaires, cylindriques et en spirale d'Archimède. Voici de brèves descriptions de chacun, avec les images correspondantes :

 

▲ Image de plaque planaire refroidie à l'eau

 

▲ Image de plaque refroidie à l'eau en forme de W

 

▲ Image de plaque circulaire refroidie à l'eau

 

▲ Image de plaque cylindrique refroidie à l'eau

 

Dans l'exemple d'une plaque cylindrique refroidie à l'eau, la conception interne peut inclure des colonnes rectangulaires ou des dissipateurs thermiques allongés pour améliorer la zone de contact avec le débit d'eau.

 

▲ Image du chemin d'écoulement en spirale d'Archimède

 

En référence à cet objet physique, j'ai volontairement utilisé Solidworks pour concevoir sa structure 3D comme indiqué ci-dessous.

 

▲ Image du chemin d'écoulement à cycle unique

 

▲ Image du chemin d'écoulement à double boucle

 

Les modèles ci-dessus sont des conceptions typiques de chemins d'écoulement refroidis par eau. Ensuite, nous explorerons l’approche d’optimisation pour ces conceptions.

 

 

III Approche d'optimisation du chemin d'écoulement

 

L'approche d'optimisation des chemins d'écoulement à plaques refroidies à l'eau partage des similitudes avec l'optimisation du chemin d'écoulement d'air dans les systèmes refroidis par air.

 

Pour les solutions refroidies par air, les principes d'optimisation du chemin du flux d'air peuvent être référencés dans l'article : « Principes d'optimisation des chemins de flux d'air dans la conception thermique des produits électroniques ».

• Augmenter les circuits :Après la planification initiale de la conception du chemin d'écoulement de l'eau, les simulations numériques peuvent révéler que l'efficacité du refroidissement ne répond pas aux attentes, avec une résistance thermique plus élevée. Dans ce cas, l'augmentation du nombre de circuits (par exemple, d'un circuit simple à un circuit double ou plus) peut améliorer l'échange thermique.
• Augmentez la zone de dissipation thermique :Si l'espace de la structure interne le permet, l'ajout d'ailettes cylindriques ou rectangulaires dans des configurations décalées ou alignées peut améliorer l'optimisation du trajet d'écoulement.
• Optimiser la vitesse du débit d'eau interne :Lorsque la section transversale d'entrée est fixe, l'augmentation de la section transversale du trajet d'écoulement réduit la vitesse d'écoulement, empêchant ainsi un échange thermique rapide. Cependant, le simple fait de réduire la section transversale pour augmenter la vitesse peut conduire à une résistance à l’écoulement plus élevée.
• Équilibrer la zone refroidie à l'eau :Assurez-vous que le chemin d’écoulement couvre uniformément la surface de contact de la source de chaleur. Dans les situations où la superficie ou l’espace est limité, le chemin d’écoulement en spirale d’Archimède est une bonne option.
• Évitez les courts-circuits :Lorsque l'entrée et la sortie sont trop proches, concevez des structures nervurées dans le chemin d'écoulement pour le prolonger et distribuer l'eau sous la source de chaleur, empêchant ainsi l'eau de s'écouler directement de l'entrée à la sortie.
• Évitez une longueur de débit excessive :Dans le cas de sources de chaleur superposées verticalement, l'approche habituelle peut consister à concevoir des chemins d'écoulement de haut en bas, ou vice versa, ce qui peut provoquer une différence de température significative entre l'avant et l'arrière. Envisagez un refroidissement séparé pour chaque couche pour résoudre ce problème.
• Minimiser les courbures :Les coudes augmentent la perte de charge et la résistance à l'écoulement. Si les coudes sont inévitables, assurez des transitions douces pour réduire la chute de pression tout en augmentant la zone de dissipation thermique.

 

Au cours du processus d'optimisation, assurez-vous que la résistance à l'écoulement du système, la résistance thermique et la résistance structurelle (par exemple, la pression de surface) répondent aux exigences du projet tout en tenant compte de la faisabilité et du coût de production.

 

 

IV Méthodes de conception d'optimisation

 

• Analyse des hypothèses :Sur la base du projet original, appliquez des idées d'optimisation telles que l'augmentation de la zone de dissipation thermique, la réduction de la surface transversale ou l'ajout de circuits, et calculez les résultats théoriques.
• Simulation numérique :Sur la base de l'analyse, créez plusieurs modèles de conception de chemins d'écoulement, simulez dans les conditions requises et comparez les résultats.
• Tests expérimentaux :Construire des modèles expérimentaux et des tests pour vérifier l'analyse des hypothèses et les résultats de la simulation numérique.