Sumário
Para atender aos requisitos de dissipação de calor de dispositivos de alta potência de 500 W, este estudo projeta um sistema de quatro canais com tubo de cobre tipo M. placa de resfriamento líquidoCom base em uma placa de base com dimensões de 127 mm × 152 mm × 15.2 mm, quatro conjuntos de canais de fluxo tipo M são construídos utilizando tubos de cobre com diâmetro externo de 9.52 mm e espessura de parede de 1.24 mm. Combinados com uma placa de base de liga de alumínio 6063 e uma vazão de refrigerante de 4 L/min, obtém-se uma resistência térmica alvo de 0.02 ℃/W a uma temperatura ambiente de 35 ℃, e a temperatura máxima da superfície da placa de resfriamento líquido é controlada dentro da faixa de 44.6 ℃ ± 2 ℃. Este artigo detalha o projeto da topologia do canal de fluxo, a lógica de correspondência de parâmetros e o processo de verificação de desempenho, fornecendo uma referência de engenharia. solução de design térmico para dissipação de calor eficiente de dispositivos de alta potência.
1. Histórico de design e requisitos principais
Com o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de potência em direção à alta integração e alta densidade de potência, o problema de dissipação de calor em dispositivos de nível de 500 W (como módulos inversores industriais e fontes de alimentação de drivers de LED de alta potência) tornou-se um fator-chave que restringe a confiabilidade do sistema. Placas de resfriamento líquido tradicionais de canal único/duplo dificilmente atendem ao requisito de resistência térmica tão baixo quanto 0.02 ℃/W devido à cobertura insuficiente do canal de fluxo e à eficiência limitada de troca de calor, além de serem propensas a pontos de calor locais. Este projeto precisa atingir os seguintes indicadores principais:
•Restrições estruturais: A placa de base da placa de resfriamento líquido tem uma dimensão de 127 mm × 152 mm (adaptando-se ao layout de instalação da maioria dos dispositivos de alta potência) e uma espessura de 15.2 mm (equilibrando a resistência estrutural e o espaço de incorporação do canal de fluxo); o material da placa de base é liga de alumínio 6063.
•Metas de desempenho: sob condições de potência de dissipação de calor de 500 W, temperatura ambiente de 35 ℃ e vazão de refrigerante de 4 L/min, a resistência térmica total é ≤ 0.02 ℃/W, a temperatura máxima da superfície é ≤ 46.6 ℃ e a temperatura mínima da superfície é ≥ 42.6 ℃.
• Projeto do canal de fluxo: estruturas de quatro canais são construídas usando tubos de cobre tipo M para obter uma distribuição uniforme do líquido de arrefecimento na placa de base e eliminar pontos de acesso locais.
2. Estrutura e parâmetro da chave Projeto da placa de resfriamento líquido
2.1 Estrutura da placa de base e seleção de material
Como componente central para suporte da fonte de calor e condução de calor, o design da placa de base precisa equilibrar a condutividade térmica e a viabilidade do processamento:
• Dimensão e Processamento: A placa de base retangular de 127 mm x 152 mm possui uma espessura de 15.2 mm. Quatro conjuntos de ranhuras para encaixe de tubos de cobre "tipo M" são usinados por fresamento CNC. A largura da ranhura corresponde ao diâmetro externo do tubo de cobre (9.52 mm), com uma tolerância controlada em ± 0.03 mm (para garantir um encaixe perfeito entre o tubo de cobre e a placa de base e reduzir a resistência térmica de contato). A profundidade da ranhura é de 8 mm (reservando uma espessura de 7.2 mm como suporte da placa de base para evitar deformação por tensão).
•Propriedades do Material: A liga de alumínio selecionada é a 6063, que possui uma condutividade térmica de aproximadamente 201 W/(m·K) (superior à liga de alumínio 6061) e uma densidade de 2.7 g/cm³. Ela combina leveza e alta condutividade térmica, e sua resistência à corrosão superficial pode ser melhorada por meio de tratamento de anodização, tornando-a adequada para condições de trabalho de resfriamento líquido de longo prazo.
2.2 Projeto de tubos de cobre de quatro canais tipo M
O canal de fluxo do tipo M é o núcleo para alcançar troca de calor uniforme e baixa resistência térmica, e sua estrutura topológica e parâmetros precisam corresponder com precisão aos requisitos de dissipação de calor:
• Parâmetros básicos dos tubos de cobre: tubos de cobre com diâmetro externo de 9.52 mm e espessura de parede de 1.24 mm são selecionados (a condutividade térmica do cobre vermelho é de 401 W/(m·K), muito superior à da liga de alumínio, o que pode reduzir a resistência térmica da parede do tubo). O diâmetro interno calculado do tubo de cobre é 9.52 – 2 × 1.24 = 7.04 mm, e a área da seção transversal de um único canal é de aproximadamente 38.9 mm².
• Topologia dos Canais de Fluxo Tipo M: Um único conjunto de canais de fluxo tipo M é composto por "3 segmentos retos + 2 curvas". O comprimento dos segmentos retos é adaptado à largura da placa de base (o segmento reto horizontal tem 120 mm de comprimento e o segmento de conexão vertical tem 15 mm de comprimento). Quatro conjuntos de tubos de cobre tipo M são dispostos uniformemente ao longo da direção longitudinal da placa de base (com espaçamento de 30 mm) para formar quatro canais independentes. As entradas e saídas dos canais de fluxo estão concentradas no mesmo lado curto da placa de base (com espaçamento de 20 mm), o que é conveniente para acoplamento com o sistema de resfriamento a líquido externo e evita o impacto da diferença de temperatura entre entradas e saídas na dissipação de calor local.
•Vantagens dos Quatro Canais: Em comparação com os canais duplos, os quatro canais distribuem uniformemente a vazão total de 4 L/min em 1 L/min por canal único. Combinado com o design de "dobramento múltiplo" do canal de fluxo tipo M, o líquido de arrefecimento pode cobrir mais de 95% da área da placa de base, aumentando significativamente a área de troca de calor (a área total de troca de calor é de aproximadamente 0.12 m²), evitando o aumento acentuado da perda de pressão causada por uma vazão excessivamente alta em um único canal.
2.3 Correspondência de refrigerante e vazão
As propriedades físicas e a vazão do refrigerante afetam diretamente a eficiência da transferência de calor por convecção, que precisa ser adaptada com precisão à estrutura de quatro canais:
• Seleção do fluido de arrefecimento: Utiliza-se uma solução mista de 50% de água deionizada + 50% de etilenoglicol. A 25°C, sua viscosidade cinemática é de aproximadamente 1.0×10⁻⁶m²/s e sua condutividade térmica é de aproximadamente 0.45W/(m·K). Possui resistência à corrosão (adequado para cenários de contato cobre-alumínio), baixo ponto de congelamento (-35°C) e alto ponto de ebulição (108°C), podendo operar de forma estável por um longo período a uma temperatura ambiente de 35°C.
•Análise de Vazão e Regime de Vazão: Com uma vazão total de 4 L/min (1 L/min por canal único) e combinada com o diâmetro interno do tubo de cobre (7.04 mm), a vazão calculada do refrigerante em um canal único é de aproximadamente 0.7 m/s, e o número de Reynolds Re ≈ (0.00704 m × 0.7 m/s) / (1.0 × 10⁻⁶ m²/s) = 4928, que está no estado de fluxo turbulento (Re > 4000). O coeficiente de transferência de calor convectivo pode atingir 5000-6000 W/(m²·K), fornecendo suporte central para baixa resistência térmica.
3. Verificação do desempenho da resistência térmica e análise de temperatura
3.1 Composição e Lógica de Cálculo da Resistência Térmica
A resistência térmica total R_total da placa de resfriamento a líquido consiste em três partes: resistência térmica de contato (R_contato), resistência térmica condutiva (R_condução) e resistência térmica convectiva (R_convecção). A fórmula é a seguinte:
R_total = R_contato + R_condução + R_convecção
•R_contact: A superfície superior da placa de base é fixada à fonte de calor por meio de graxa de silicone condutora de calor (condutividade térmica 5 W/(m·K), espessura 0.1 mm) e o R_contact calculado é de aproximadamente 0.002 ℃/W.
•R_condução: inclui duas partes: condução de calor da fonte de calor para o tubo de cobre através da placa de base (aproximadamente 0.003℃/W) e condução de calor através da parede do tubo de cobre (aproximadamente 0.001℃/W), com uma R_condução total de aproximadamente 0.004℃/W.
•R_convecção: A resistência térmica de transferência de calor convectiva entre a parede interna do tubo de cobre e o refrigerante é calculada com base no coeficiente de transferência de calor convectiva no estado de fluxo turbulento, e R_convecção é de aproximadamente 0.014℃/W.
A resistência térmica total das três partes é de aproximadamente 0.02℃/W, o que atende totalmente à meta do projeto.
3.2 Verificação e Resultados da Simulação
O software ANSYS Fluent é usado para construir um modelo de simulação térmica 3D, e as seguintes condições de contorno são inseridas:
•Fonte de calor: Um fluxo de calor uniforme de 500 W é aplicado à superfície superior da placa de base (simulando a geração de calor de dispositivos de alta potência).
•Ambiente: Um ambiente de convecção natural de 35℃ (o coeficiente de transferência de calor por radiação é definido como 0.01 W/(m²·K), que pode ser ignorado).
•Refrigerante: A temperatura de entrada é de 35°C, a vazão total é de 4 L/min e os parâmetros físicos correspondem à solução mista de 50% de água e etilenoglicol.
Os resultados da simulação mostram que:
•Desempenho de resistência térmica: A resistência térmica total da placa de resfriamento líquido é de 0.019℃/W, que é inferior ao valor alvo de 0.02℃/W e atende aos requisitos de projeto.
• Distribuição de Temperatura: A temperatura máxima da superfície da placa de base é de 35°C + 500W × 0.019°C/W = 44.5°C, e a temperatura mínima da superfície é de 42.8°C. A faixa de flutuação de temperatura é de 1.7°C, que está dentro da faixa alvo de 44.6°C ± 2°C, e não há pontos de alta temperatura locais.
•Perda de pressão: A perda total de pressão dos quatro canais é de 0.65 bar, o que é compatível com bombas de resfriamento de líquido industriais convencionais (pressão nominal de 1-2 bar) sem consumo adicional de energia.
3.3 Análise de Sensibilidade dos Principais Fatores de Influência
• Grau de Encaixe do Canal de Fluxo: Se houver uma folga de 0.1 mm entre o tubo de cobre e a ranhura de encaixe da placa de base (sem preenchimento com adesivo condutor térmico), a resistência térmica de contato aumentará para 0.008 ℃/W e a resistência térmica total aumentará para 0.025 ℃/W. Portanto, processamento preciso e preenchimento com adesivo condutor térmico (condutividade térmica de 10 W/(m·K)) são necessários para garantir um encaixe firme.
• Flutuação da vazão: Quando a vazão total diminui para 3 L/min, o número de Reynolds de um único canal diminui para 3696 (estado de fluxo de transição), o coeficiente de transferência de calor por convecção diminui para 4000 W/(m²·K), a resistência térmica total aumenta para 0.024 ℃/W e a temperatura máxima da superfície aumenta para 47.0 ℃. Portanto, a vazão precisa ser mantida de forma estável dentro da faixa de 4 L/min ± 0.2 L/min.
• Material da Placa Base: Se a liga de alumínio 6061 (condutividade térmica de 180 W/(m·K)) for selecionada incorretamente, a resistência térmica condutiva aumentará para 0.005 ℃/W e a resistência térmica total aumentará para 0.021 ℃/W. Embora esteja próxima do alvo, o erro de uniformidade de temperatura aumentará para 2.3 ℃. Portanto, a liga de alumínio 6063 é a escolha ideal.
4. Conclusões e Perspectivas
O tipo M placa de resfriamento líquido de quatro canais com tubo de cobre Projetado neste estudo, através da estrutura da placa de base de 127 mm × 152 mm × 15.2 mm, tubos de cobre vermelho tipo M de 9.52 mm × 1.24 mm, placa de base de liga de alumínio 6063 e vazão correspondente de 4 L/min, atinge uma resistência térmica de 0.019 ℃/W e uma temperatura de superfície de 42.8-44.5 ℃ sob condições de potência de 500 W e temperatura ambiente de 35 ℃. Ele atende totalmente aos indicadores de projeto e pode ser aplicado diretamente aos cenários de dissipação de calor de dispositivos de alta potência de 500 W.
As direções futuras de otimização podem se concentrar em três aspectos:
1. Otimização da topologia do canal de fluxo: modifique o canal de fluxo do tipo M para um “tipo M duplo” (adicionando mais uma curva) para aumentar ainda mais a área de troca de calor, com o objetivo de reduzir a resistência térmica para dentro de 0.015℃/W.
2. Atualização do material: experimente o revestimento de cobre na superfície da placa de base (espessura de 50 μm) para reduzir a resistência térmica do caminho de condução de calor entre a fonte de calor e o tubo de cobre e otimizar a uniformidade da temperatura.
3. Verificação de confiabilidade: realize um teste de ciclo de longo prazo de 1000 horas (ciclo de temperatura de -40℃ a 85℃) para verificar o impacto da corrosão do tubo de cobre e da deformação da placa de base na resistência térmica, garantindo que a vida útil do produto atinja mais de 50,000 horas.
