Investigación sobre canales de flujo espiral para placas de refrigeración líquida en refrigeración de electrónica de alta potencia, con el objetivo de abordar los desafíos de disipación de calor. Refrigeración de componentes electrónicos de alta potencia En espacios limitados, este artículo diseña un tipo U. plato frío líquido con dimensiones de 120 mm × 50 mm × 20 mm. Se realiza un estudio comparativo entre canales de flujo rectos lisos y canales de flujo en espiral bajo condiciones de funcionamiento de 100 W de potencia de calentamiento y un caudal bajo de 1 L/min.
Los resultados demuestran que el canal de flujo en espiral puede romper eficazmente el estado de flujo laminar y mejorar la transferencia de calor turbulenta. La temperatura máxima de la superficie de la placa de refrigeración disminuye de 49.61 ℃ a 41.9 ℃, lo que mejora significativamente la eficiencia de disipación de calor, mientras que la diferencia de presión es de tan solo unos 0.1 MPa.
Al optimizar la relación de correspondencia entre la caída de presión, la potencia de calentamiento y el caudal, esto diseño de placa fría Proporciona una eficaz solución de refrigeración compacta para avanzado gestión térmica sistemas en aplicaciones de alta densidad.
PALABRAS CLAVE
Placa de refrigeración en forma de U; canal de flujo en espiral; ruptura laminar; mejora de la turbulencia; bajo caudal; disipación de calor compacta.
1. Introducción
Con la tendencia a la miniaturización, la alta potencia y la alta integración en los equipos electrónicos, la densidad de flujo de calor de los componentes ha aumentado rápidamente. Las placas de refrigeración líquida tradicionales con canales de flujo lisos mantienen fácilmente un flujo laminar estable en condiciones de bajo caudal y volumen reducido, lo que resulta en capas límite térmicas gruesas y una baja eficiencia de transferencia de calor. La optimización de la estructura del canal de flujo se ha convertido en el método fundamental para mejorar el rendimiento de la refrigeración.
El canal de flujo en espiral, con su singular estructura helicoidal, puede perturbar el flujo del fluido, destruir la capa límite laminar e inducir turbulencia, mejorando la eficiencia del intercambio de calor sin un aumento excesivo de la caída de presión. Este artículo toma como objeto de estudio una placa de refrigeración compacta en forma de U, compara el rendimiento de disipación de calor de canales de flujo lisos y en espiral bajo una carga térmica de 100 W y un caudal de 1 L/min, se centra en la influencia del paso y la altura de la rosca, y aclara las ventajas de aplicación de los canales en espiral en escenarios de refrigeración compactos.
2. Diseño de la investigación y configuración de parámetros
2.1 Diseño del modelo
La placa de refrigeración líquida en forma de U tiene unas dimensiones de 120 mm de largo, 50 mm de ancho y 20 mm de alto, y está fabricada en aleación de aluminio de alta conductividad térmica. El canal de flujo presenta una disposición en forma de U para cubrir completamente la zona de calentamiento. El grupo de control utiliza un canal de flujo liso de paredes rectas, mientras que el grupo de prueba emplea una estructura espiral roscada en el interior del canal para optimizar la turbulencia del fluido.
2.2 Condiciones de trabajo
Las condiciones de simulación se establecen de acuerdo con aplicaciones prácticas de bajo caudal:
• Potencia de calentamiento: 100 W
• Refrigerante: agua desionizada
• Caudal de entrada: 1 L/min
• Temperatura ambiente: 25℃
2.3 Indicadores de evaluación
El rendimiento se evalúa mediante tres indicadores clave: temperatura máxima de la superficie de la placa de refrigeración, eficiencia de disipación de calor y diferencia de presión del sistema. La caída de presión refleja directamente la resistencia al flujo y el consumo de energía de la bomba, lo cual es fundamental en sistemas de bajo caudal.
3. Mecanismo de disipación de calor de los canales de flujo en espiral
En canales rectos y lisos, el fluido mantiene un flujo laminar estable a bajas velocidades de flujo. El flujo es constante a lo largo del eje, formando una capa límite térmica gruesa y continua que limita considerablemente la conducción y la convección del calor.
La estructura helicoidal dentro del canal espiral impone una perturbación tangencial continua al fluido, modifica la distribución de velocidad y rompe la capa límite laminar, promoviendo la transición del flujo laminar a la turbulencia. En condiciones turbulentas, la intensa mezcla de microcúmulos de fluido adelgaza la capa límite y reduce la resistencia térmica. Al mismo tiempo, la estructura espiral aumenta el área real de intercambio de calor. En conjunto, estos efectos mejoran significativamente la eficiencia de la transferencia de calor en condiciones de bajo caudal.
4. Resultados y Análisis
4.1 Comparación del rendimiento entre dos canales de flujo
Con una potencia inferior a 100 W y un caudal de 1 L/min, los resultados de las pruebas muestran diferencias evidentes:
• Canal liso: temperatura máxima 49.61 ℃
• Canal espiral: temperatura máxima 41.9 ℃
La caída de temperatura alcanza los 7.71 °C, lo que indica una notable mejora en la disipación de calor. La diferencia de presión del sistema medida es de aproximadamente 0.1 MPa, un valor muy bajo e idóneo para sistemas de bombeo de baja potencia. Esto demuestra que los canales en espiral pueden mejorar considerablemente la refrigeración sin aumentar significativamente la resistencia al flujo en sistemas compactos de bajo caudal.
4.2 Influencia de los parámetros estructurales
El paso de rosca y la altura de la rosca son los parámetros más importantes del canal de flujo en espiral:
• Paso de rosca: Un paso demasiado pequeño aumenta considerablemente la resistencia al flujo y la caída de presión. Un paso demasiado grande no permite una buena turbulencia del fluido, lo que resulta en una escasa mejora de la transferencia de calor. Solo un paso moderado puede equilibrar la turbulencia y la pérdida de presión.
• Altura de la rosca: Una altura insuficiente genera poca perturbación y una mejora limitada en la refrigeración. Una altura excesiva reduce el área de flujo, provocando alta velocidad localizada y una caída de presión excesiva. Una altura de rosca adecuada maximiza la perturbación manteniendo un espacio de flujo suficiente.
Por lo tanto, el diseño de los canales de flujo en espiral debe coordinar la geometría de la rosca, la caída de presión admisible y la disipación de calor objetivo para lograr un rendimiento general óptimo.
5. Conclusión y aplicación en ingeniería
Conclusión 5.1
1. Con una carga térmica de 100 W y un caudal bajo de 1 L/min, el canal de flujo en espiral rompe eficazmente el flujo laminar y refuerza la turbulencia, reduciendo la temperatura máxima de 49.61 ℃ a 41.9 ℃ con una caída de presión de tan solo 0.1 MPa.
2. El paso y la altura de la rosca afectan significativamente tanto a la transferencia de calor como a la resistencia al flujo, lo que requiere una optimización equilibrada.
3. Para escenarios de refrigeración de bajo caudal, compactos y de alta potencia, los canales de flujo en espiral proporcionan una alta eficiencia sin aumentar el volumen ni el consumo de energía de la bomba.
5.2 Perspectivas de aplicación
En sectores como la electrónica de consumo, los vehículos de nueva energía, la industria aeroespacial y los equipos de comunicación, la alta demanda de disipación de calor suele ir acompañada de estrictas limitaciones de espacio y potencia. La placa de refrigeración en forma de U con canal de flujo en espiral resulta muy adecuada para este tipo de aplicaciones.
En el diseño práctico, el paso y la altura de la rosca se pueden personalizar según la potencia de calentamiento, el espacio disponible, el caudal y la caída de presión admisible. La investigación futura podría incluir la forma de la sección transversal, el ángulo de hélice y la optimización multiobjetivo para apoyar el desarrollo de sistemas compactos de gestión térmica de alto rendimiento.
En las aplicaciones de vehículos eléctricos, se abordan desafíos térmicos similares en los sistemas de baterías, como se analiza en nuestro placa de refrigeración líquida para baterías de vehículos de nueva energía guía de diseño.
6. Observaciones
El canal de flujo en espiral supera de forma innovadora la limitación laminar de los canales lisos tradicionales, ofreciendo una solución eficaz para la disipación de calor de alto rendimiento en equipos miniaturizados. Con la tendencia actual de integración de dispositivos, el estudio de la geometría del canal de flujo en espiral y su rendimiento termohidráulico desempeñará un papel importante en la mejora de la fiabilidad y la vida útil de los dispositivos electrónicos, y proporcionará nuevas direcciones para el desarrollo de soluciones avanzadas. diseño de placa fría líquida y gestión térmica Tecnologías.
Para estrategias de optimización de canales más avanzadas, como la mejora del flujo a microescala, también puede consultar nuestro estudio sobre placa de refrigeración líquida de microcanal design.
