Abstract
Pour répondre aux exigences de dissipation thermique des appareils haute puissance de 500 W, cette étude conçoit un tube en cuivre de type M à quatre canaux plaque de refroidissement liquideSur la base d'une plaque de base de 127 mm × 152 mm × 15.2 mm, quatre ensembles de canaux d'écoulement de type M sont constitués de tubes en cuivre de 9.52 mm de diamètre extérieur et de 1.24 mm d'épaisseur. Associés à une plaque de base en alliage d'aluminium 6063 et à un débit de liquide de refroidissement de 4 L/min, ils permettent d'atteindre une résistance thermique cible de 0.02 °C/W à une température ambiante de 35 °C, et la température maximale de surface de la plaque de refroidissement liquide est maintenue dans la plage de 44.6 °C ± 2 °C. Cet article détaille la conception de la topologie des canaux d'écoulement, la logique de correspondance des paramètres et le processus de vérification des performances, fournissant ainsi une référence technique. solution de conception thermique pour une dissipation thermique efficace des appareils haute puissance.
1. Contexte de conception et exigences de base
Avec le développement des composants électroniques de puissance vers une intégration et une densité de puissance élevées, la dissipation thermique des composants de 500 W (tels que les modules onduleurs industriels et les alimentations pour drivers de LED haute puissance) est devenue un facteur clé limitant la fiabilité des systèmes. Les plaques de refroidissement liquide traditionnelles à un ou deux canaux ont du mal à respecter l'exigence de résistance thermique de seulement 0.02 °C/W en raison d'une couverture insuffisante des canaux et d'une efficacité d'échange thermique limitée, et sont sujettes à des points chauds locaux. Cette conception doit respecter les indicateurs clés suivants :
•Contraintes structurelles : La plaque de base de la plaque de refroidissement liquide a une dimension de 127 mm × 152 mm (s'adaptant à la disposition d'installation de la plupart des appareils haute puissance) et une épaisseur de 15.2 mm (équilibrant la résistance structurelle et l'espace d'intégration du canal d'écoulement) ; le matériau de la plaque de base est un alliage d'aluminium 6063.
• Objectifs de performance : Dans des conditions de puissance de dissipation thermique de 500 W, de température ambiante de 35 ℃ et de débit de liquide de refroidissement de 4 L/min, la résistance thermique totale ≤ 0.02 ℃/W, la température de surface maximale ≤ 46.6 ℃ et la température de surface minimale ≥ 42.6 ℃.
• Conception de canal d'écoulement : les structures à quatre canaux sont construites à l'aide de tubes en cuivre de type M pour obtenir une distribution uniforme du liquide de refroidissement dans la plaque de base et éliminer les points chauds locaux.
2. Structure et paramètres clés Conception de la plaque de refroidissement liquide
2.1 Structure de la plaque de base et choix des matériaux
En tant que composant principal du support de la source de chaleur et de la conduction thermique, la conception de la plaque de base doit équilibrer la conductivité thermique et la faisabilité du traitement :
Dimensions et usinage : La plaque de base rectangulaire de 127 mm × 152 mm est fixée à une épaisseur de 15.2 mm. Quatre jeux de rainures d'encastrement de type M pour tubes en cuivre sont usinés par fraisage CNC. La largeur de la rainure correspond au diamètre extérieur du tube en cuivre (9.52 mm), avec une tolérance de ± 0.03 mm (afin d'assurer un ajustement parfait entre le tube et la plaque de base et de réduire la résistance thermique de contact). La profondeur de la rainure est de 8 mm (une épaisseur de 7.2 mm étant réservée au support de la plaque de base pour éviter toute déformation sous contrainte).
Propriétés du matériau : L'alliage d'aluminium 6063 a été sélectionné, avec une conductivité thermique d'environ 201 W/(m·K) (supérieure à celle de l'alliage d'aluminium 6061) et une densité de 2.7 g/cm³. Il allie légèreté et conductivité thermique élevée, et sa résistance à la corrosion de surface peut être améliorée par anodisation, ce qui le rend adapté aux conditions de refroidissement liquide à long terme.
2.2 Conception des tubes en cuivre à quatre canaux de type M
Le canal d'écoulement de type M est le cœur pour obtenir un échange de chaleur uniforme et une faible résistance thermique, et sa structure topologique et ses paramètres doivent correspondre avec précision aux exigences de dissipation de chaleur :
Paramètres de base des tubes en cuivre : des tubes en cuivre d'un diamètre extérieur de 9.52 mm et d'une épaisseur de paroi de 1.24 mm ont été sélectionnés (la conductivité thermique du cuivre rouge est de 401 W/(m·K), bien supérieure à celle de l'alliage d'aluminium, ce qui peut réduire la résistance thermique de la paroi du tube). Le diamètre intérieur calculé du tube en cuivre est de 9.52 – 2 × 1.24 = 7.04 mm, et la section transversale d'un canal est d'environ 38.9 mm².
Topologie des canaux d'écoulement de type M : Un ensemble unique de canaux d'écoulement de type M est composé de « 3 segments droits + 2 coudes ». La longueur des segments droits est adaptée à la largeur de la plaque de base (le segment droit horizontal mesure 120 mm de long et le segment de connexion vertical 15 mm de long). Quatre ensembles de tubes en cuivre de type M sont disposés uniformément le long de la plaque de base (avec un espacement de 30 mm) pour former quatre canaux indépendants. Les entrées et sorties des canaux d'écoulement sont concentrées sur le même côté court de la plaque de base (avec un espacement de 20 mm), ce qui facilite l'intégration au système de refroidissement liquide externe et évite l'impact des différences de température entre les entrées et les sorties sur la dissipation thermique locale.
Avantages des quatre canaux : Comparés aux canaux doubles, les quatre canaux répartissent uniformément le débit total de 4 L/min à 1 L/min par canal. Grâce à la conception à pliage multiple du canal d'écoulement de type M, le liquide de refroidissement peut couvrir plus de 95 % de la surface de la plaque de base, augmentant ainsi considérablement la surface d'échange thermique (environ 0.12 m² au total), tout en évitant la forte augmentation des pertes de charge due à un débit trop élevé dans un seul canal.
2.3 Correspondance du liquide de refroidissement et du débit
Les propriétés physiques et le débit du liquide de refroidissement affectent directement l'efficacité du transfert de chaleur par convection, qui doit être adaptée avec précision à la structure à quatre canaux :
Choix du liquide de refroidissement : Solution mixte composée de 50 % d'eau déionisée et de 50 % d'éthylène glycol. À 25 °C, sa viscosité cinématique est d'environ 1.0 × 10⁻⁶ m²/s et sa conductivité thermique d'environ 0.45 W/(m·K). Il présente une résistance à la corrosion (adapté aux contacts cuivre-aluminium), un point de congélation bas (-35 °C) et un point d'ébullition élevé (108 °C), et peut fonctionner de manière stable et durable à une température ambiante de 35 °C.
Analyse du débit et du régime d'écoulement : avec un débit total de 4 L/min (1 L/min par canal) et le diamètre intérieur du tube en cuivre (7.04 mm), le débit de liquide de refroidissement calculé dans un canal est d'environ 0.7 m/s, et le nombre de Reynolds Re ≈ (0.00704 m × 0.7 m/s)/(1.0 × 10⁻⁶ m²/s) = 4928 4000, ce qui correspond à un écoulement turbulent (Re > 5000 6000). Le coefficient de transfert de chaleur par convection peut atteindre XNUMX XNUMX à XNUMX XNUMX W/(m²·K), ce qui assure une faible résistance thermique.
3. Vérification des performances de résistance thermique et analyse de la température
3.1 Composition de la résistance thermique et logique de calcul
La résistance thermique totale (R_total) de la plaque de refroidissement liquide se compose de trois éléments : la résistance thermique de contact (R_contact), la résistance thermique de conduction (R_conduction) et la résistance thermique de convection (R_convection). Sa formule est la suivante :
R_total = R_contact + R_conduction + R_convection
•R_contact : La surface supérieure de la plaque de base est fixée à la source de chaleur via de la graisse silicone thermoconductrice (conductivité thermique 5 W/(m·K), épaisseur 0.1 mm), et le R_contact calculé est d'environ 0.002℃/W.
•R_conduction : Elle comprend deux parties : la conduction thermique de la source de chaleur au tube en cuivre à travers la plaque de base (environ 0.003℃/W) et la conduction thermique à travers la paroi du tube en cuivre (environ 0.001℃/W), avec une R_conduction totale d'environ 0.004℃/W.
• R_convection : La résistance thermique de transfert de chaleur par convection entre la paroi intérieure du tube en cuivre et le liquide de refroidissement est calculée sur la base du coefficient de transfert de chaleur par convection dans l'état d'écoulement turbulent, et R_convection est d'environ 0.014℃/W.
La résistance thermique totale des trois parties est d'environ 0.02℃/W, ce qui répond pleinement à l'objectif de conception.
3.2 Vérification et résultats de la simulation
Le logiciel ANSYS Fluent est utilisé pour construire un modèle de simulation thermique 3D et les conditions limites suivantes sont entrées :
•Source de chaleur : Un flux de chaleur uniforme de 500 W est appliqué sur la surface supérieure de la plaque de base (simulant la génération de chaleur d'appareils haute puissance).
•Environnement : Un environnement de convection naturelle à 35℃ (le coefficient de transfert de chaleur par rayonnement est fixé à 0.01W/(m²·K), ce qui peut être ignoré).
• Liquide de refroidissement : la température d'entrée est de 35℃, le débit total est de 4L/min et les paramètres physiques correspondent à la solution mixte eau-éthylène glycol à 50 %.
Les résultats de la simulation montrent que :
• Performances de résistance thermique : la résistance thermique totale de la plaque de refroidissement liquide est de 0.019 ℃/W, ce qui est inférieur à la valeur cible de 0.02 ℃/W et répond aux exigences de conception.
Répartition de la température : La température de surface maximale de la plaque de base est de 35 °C + 500 W × 0.019 °C/W = 44.5 °C, et la température de surface minimale est de 42.8 °C. La plage de variation de température est de 1.7 °C, ce qui se situe dans la plage cible de 44.6 °C ± 2 °C, et il n'y a pas de points chauds locaux.
• Perte de pression : la perte de pression totale des quatre canaux est de 0.65 bar, ce qui est compatible avec les pompes de refroidissement liquide industrielles conventionnelles (pression nominale de 1 à 2 bar) sans charge de consommation d'énergie supplémentaire.
3.3 Analyse de sensibilité des principaux facteurs d'influence
• Degré d'ajustement du canal d'écoulement : si un espace de 0.1 mm est présent entre le tube en cuivre et la rainure d'encastrement de la plaque de base (sans remplissage avec de la colle thermoconductrice), la résistance thermique de contact passera à 0.008 °C/W et la résistance thermique totale à 0.025 °C/W. Par conséquent, un traitement précis et un remplissage avec de la colle thermoconductrice (conductivité thermique de 10 W/(m·K)) sont nécessaires pour garantir un ajustement parfait.
Fluctuation du débit : lorsque le débit total diminue à 3 L/min, le nombre de Reynolds d'un canal diminue à 3696 4000 (état d'écoulement transitoire), le coefficient de transfert thermique par convection diminue à 0.024 47.0 W/(m²·K), la résistance thermique totale augmente à 4 °C/W et la température de surface maximale à 0.2 °C. Par conséquent, le débit doit être maintenu de manière stable dans la plage de XNUMX L/min ± XNUMX L/min.
Matériau de la plaque de base : si l'alliage d'aluminium 6061 (conductivité thermique de 180 W/(m·K)) est sélectionné par erreur, la résistance thermique conductrice augmentera à 0.005 °C/W et la résistance thermique totale à 0.021 °C/W. Bien que proche de la valeur cible, l'erreur d'uniformité de température augmentera à 2.3 °C. Par conséquent, l'alliage d'aluminium 6063 est le choix optimal.
4. Conclusions et perspectives
Le type M plaque de refroidissement liquide à quatre canaux avec tube en cuivre intégré Conçu dans cette étude, grâce à une structure de plaque de base de 127 mm × 152 mm × 15.2 mm, des tubes en cuivre rouge de type M de 9.52 mm × 1.24 mm, une plaque de base en alliage d'aluminium 6063 et un débit adapté à 4 l/min, il atteint une résistance thermique de 0.019 °C/W et une température de surface de 42.8 à 44.5 °C sous une puissance de 500 W et une température ambiante de 35 °C. Il répond pleinement aux critères de conception et peut être directement appliqué aux scénarios de dissipation thermique des appareils haute puissance de 500 W.
Les orientations d’optimisation futures peuvent se concentrer sur trois aspects :
1. Optimisation de la topologie du canal d'écoulement : modifier le canal d'écoulement de type M en un « double type M » (en ajoutant un coude supplémentaire) pour augmenter encore la zone d'échange thermique, dans le but de réduire la résistance thermique à 0.015℃/W.
2. Mise à niveau du matériau : essayez le placage de cuivre sur la surface de la plaque de base (épaisseur 50 μm) pour réduire la résistance thermique du chemin de conduction thermique entre la source de chaleur et le tube en cuivre et optimiser l'uniformité de la température.
3. Vérification de la fiabilité : effectuez un test de cycle à long terme de 1000 40 heures (cycle de température -85 ℃ ~ 50,000 ℃) pour vérifier l'impact de la corrosion du tube en cuivre et de la déformation de la plaque de base sur la résistance thermique, garantissant que la durée de vie du produit atteint plus de XNUMX XNUMX heures.
