Recherche sur les canaux à écoulement spiralé pour les plaques de refroidissement liquide dans l'électronique de puissance : face aux défis de dissipation thermique liés au refroidissement de l'électronique de puissance dans des espaces restreints, cet article présente la conception d'une plaque froide liquide en forme de U de dimensions 120 mm × 50 mm × 20 mm. Une étude comparative est menée entre les canaux à écoulement rectiligne et les canaux à écoulement spiralé dans des conditions de fonctionnement correspondant à une puissance de chauffage de 100 W et un faible débit de 1 L/min.
Les résultats montrent que le canal à écoulement spiralé permet de rompre efficacement le régime d'écoulement laminaire et d'améliorer le transfert de chaleur turbulent. La température maximale en surface de la plaque de refroidissement chute de 49.61 °C à 41.9 °C, ce qui améliore considérablement l'efficacité de la dissipation thermique, tandis que la différence de pression n'est que d'environ 0.1 MPa.
En optimisant le rapport entre la perte de charge, la puissance de chauffage et le débit, cette conception de plaque froide offre une solution de refroidissement compacte et efficace pour les systèmes de gestion thermique avancés dans les applications à haute densité.
Mots-clés
Plaque de refroidissement en U ; canal d'écoulement spiralé ; rupture de laminarité ; renforcement de la turbulence ; faible débit ; dissipation thermique compacte
1. Introduction
Avec la miniaturisation, la puissance et l'intégration croissantes des équipements électroniques, la densité de flux thermique des composants a connu une augmentation rapide. Les plaques de refroidissement liquide traditionnelles, dotées de canaux d'écoulement lisses, maintiennent facilement un flux laminaire stable à faible débit et en faible volume, ce qui engendre des couches limites thermiques épaisses et une faible efficacité de transfert de chaleur. L'optimisation de la structure des canaux d'écoulement est devenue la méthode principale pour améliorer les performances de refroidissement.
Le canal à écoulement spiralé, grâce à sa structure hélicoïdale unique, perturbe l'écoulement du fluide, rompt la couche limite laminaire et induit des turbulences, améliorant ainsi l'efficacité des échanges thermiques sans augmentation excessive de la perte de charge. Cet article prend pour objet d'étude une plaque de refroidissement compacte en forme de U et compare les performances de dissipation thermique des canaux à écoulement lisse et spiralé sous une charge thermique de 100 W et un débit de 1 L/min. L'influence du pas et de la hauteur des spires est analysée, et les avantages des canaux spiralés pour les applications de refroidissement compactes sont mis en évidence.
2. Conception de la recherche et paramétrage
2.1 Conception du modèle
La plaque de refroidissement liquide en forme de U mesure 120 mm de long, 50 mm de large et 20 mm de haut. Fabriquée en alliage d'aluminium à haute conductivité thermique, elle est dotée d'un canal d'écoulement en forme de U qui couvre intégralement la zone de chauffe. Le groupe témoin utilise un canal d'écoulement à paroi droite lisse, tandis que le groupe test utilise une structure en spirale filetée à l'intérieur du canal afin d'accentuer les perturbations du fluide.
2.2 Conditions de travail
Les conditions de simulation sont définies en fonction des applications pratiques à faible débit :
• Puissance de chauffe : 100 W
• Liquide de refroidissement : eau déminéralisée
• Débit d'entrée : 1 L/min
• Température ambiante : 25 °C
2.3 Indicateurs d'évaluation
Les performances sont évaluées à l'aide de trois indicateurs clés : la température maximale de surface de la plaque de refroidissement, l'efficacité de dissipation thermique et la différence de pression du système. La perte de charge reflète directement la résistance à l'écoulement et la consommation électrique de la pompe, un facteur critique dans les systèmes à faible débit.
3. Mécanisme de dissipation de la chaleur des canaux à écoulement spiralé
Dans les canaux rectilignes et lisses, le fluide conserve un écoulement laminaire stable à faibles débits. L'écoulement est régulier dans la direction axiale, formant une couche limite thermique épaisse et continue qui limite fortement la conduction et la convection thermiques.
La structure hélicoïdale à l'intérieur du canal spiralé induit une perturbation tangentielle continue du fluide, modifiant la distribution des vitesses et brisant la couche limite laminaire, favorisant ainsi la transition d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent. En régime turbulent, le mélange intense des micro-amas de fluide amincit la couche limite et réduit la résistance thermique. Parallèlement, la structure spiralée accroît la surface d'échange thermique effective. L'ensemble de ces effets améliore significativement l'efficacité du transfert de chaleur à faible débit.
4. Résultats et analyse
4.1 Comparaison des performances entre deux canaux d'écoulement
Avec une puissance inférieure à 100 W et un débit de 1 L/min, les résultats des tests montrent des différences évidentes :
• Canal lisse : température maximale 49.61℃
• Canal spiralé : température maximale 41.9 °C
La baisse de température atteint 7.71 °C, ce qui indique une amélioration remarquable de la dissipation thermique. La différence de pression mesurée dans le système est d'environ 0.1 MPa, une valeur très faible et adaptée aux systèmes de pompage de faible puissance. Ceci prouve que les canaux spiralés peuvent considérablement améliorer le refroidissement sans augmenter significativement la résistance à l'écoulement dans les systèmes compacts à faible débit.
4.2 Influence des paramètres structurels
Le pas et la hauteur du filetage sont les paramètres les plus importants du canal d'écoulement spiralé :
• Pas de filetage : Un pas trop petit augmente fortement la résistance à l’écoulement et la perte de charge. Un pas trop grand ne permet pas une turbulence efficace du fluide, ce qui limite l’amélioration du transfert de chaleur. Seul un pas modéré permet d’équilibrer la turbulence et la perte de charge.
• Hauteur du filetage : Une hauteur insuffisante génère une faible perturbation et une amélioration limitée du refroidissement. Une hauteur excessive réduit la section d’écoulement, provoquant des vitesses élevées localisées et une chute de pression excessive. Une hauteur de filetage appropriée maximise la perturbation tout en maintenant un espace d’écoulement adéquat.
Par conséquent, la conception des canaux d'écoulement spiralés doit coordonner la géométrie du filetage, la perte de charge admissible et la dissipation thermique cible afin d'obtenir des performances globales optimales.
5. Conclusion et applications en ingénierie
Conclusion 5.1
1. Sous une charge thermique de 100 W et un faible débit de 1 L/min, le canal d'écoulement en spirale brise efficacement l'écoulement laminaire et renforce la turbulence, réduisant la température maximale de 49.61 ℃ à 41.9 ℃ avec une chute de pression de seulement 0.1 MPa.
2. Le pas et la hauteur du filetage affectent considérablement le transfert de chaleur et la résistance à l'écoulement, ce qui nécessite une optimisation équilibrée.
3. Pour les scénarios de refroidissement à faible débit, compacts et à haute puissance, les canaux à flux spiralé offrent une efficacité élevée sans augmenter le volume ni la consommation d'énergie de la pompe.
5.2 Perspectives d'application
Dans des domaines tels que l'électronique grand public, les véhicules à énergies nouvelles, l'aérospatiale et les équipements de communication, les exigences élevées en matière de dissipation thermique s'accompagnent souvent de contraintes strictes d'espace et de puissance. La plaque de refroidissement en U avec canal d'écoulement spiralé est parfaitement adaptée à ces applications.
En pratique, le pas et la hauteur du filetage peuvent être adaptés à la puissance de chauffage, à l'espace disponible, au débit et à la perte de charge admissible. Des recherches complémentaires pourraient porter sur la forme de la section transversale, l'angle d'hélice et l'optimisation multicritères afin de favoriser le développement de systèmes de gestion thermique compacts et performants.
Dans les applications pour véhicules électriques, des défis thermiques similaires sont abordés dans les systèmes de batteries, comme indiqué dans notre nouveau guide de conception des plaques de refroidissement liquide pour batteries de véhicules à énergies nouvelles.
6. Remarques
Le canal à flux spiralé surmonte de manière novatrice la limitation laminaire des canaux lisses traditionnels, offrant une solution efficace pour la dissipation thermique haute performance dans les équipements miniaturisés. Avec la tendance actuelle à l'intégration des dispositifs, l'étude de la géométrie du canal à flux spiralé et de ses performances thermohydrauliques jouera un rôle important dans l'amélioration de la fiabilité et de la durée de vie des dispositifs électroniques, et ouvrira de nouvelles perspectives pour la conception avancée de plaques froides liquides et les technologies de gestion thermique.
Pour des stratégies d'optimisation de canal plus avancées, telles que l'amélioration du flux à l'échelle micrométrique, vous pouvez également vous référer à notre étude sur la conception de plaques de refroidissement liquide à microcanaux.
