Resumen La invención divulga una placa fría líquida de canal curvado con turbulencia mejorada , que pertenece al campo técnico de la disipación de calor para dispositivos electrónicos. Está adaptada a un sustrato de aleación de aluminio 6061-T5 con especificaciones de 152 mm (ancho) × 127 mm (largo) × 17 mm (alto). Se disponen cuatro ranuras integradas en la superficie del sustrato, y tubos de cobre rojo con un diámetro exterior de 9.52 mm, un espesor de pared de 1.5 mm y un diámetro interior de 6.52 mm están incrustados en las ranuras. Los tubos de cobre están curvados continuamente para formar un canal de flujo en serie en forma de M. La mejora principal radica en la disposición de varios grupos de unidades de curvatura "horizontal-descendente-elevación" a intervalos en la sección recta del tubo de cobre. Tomando como ejemplo una placa fría líquida de 4 canales, este proceso incluye 3 unidades de curvatura. El ángulo de flexión se determina en 30° mediante derivación teórica, cálculo de parámetros y simulación térmica. Gracias al cambio repentino del canal de flujo, la invención fuerza al líquido refrigerante a generar turbulencia, superando la limitación de la capa límite laminar y mejorando eficazmente la eficiencia de la transferencia de calor por convección entre el líquido refrigerante y la pared interior del tubo de cobre. En comparación con la placa fría líquida tradicional en forma de M de tubo recto, sin añadir componentes internos adicionales, el coeficiente de transferencia de calor aumenta en más del 10%, y el incremento de la resistencia al flujo se mantiene dentro del 10%. Este cierto aumento de la resistencia al flujo reduce la velocidad del flujo y, al mismo tiempo, evita el riesgo de rotura por flexión del tubo de cobre. Es adecuado para aplicaciones de disipación de calor de alta eficiencia, como dispositivos electrónicos de alta potencia y pequeños módulos de baterías.
Antecedentes tecnológicos
Con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica, el nivel de integración de equipos como dispositivos electrónicos de alta potencia y módulos de baterías pequeñas mejora continuamente, y el calor generado durante su funcionamiento aumenta drásticamente. Si el calor no se disipa a tiempo, la temperatura interna del equipo aumentará, lo que afectará gravemente su estabilidad operativa, fiabilidad y vida útil. Como componente de disipación de calor de alta eficiencia, la placa de refrigeración líquida se utiliza ampliamente en los sistemas de disipación de calor de los equipos mencionados.
En la técnica anterior, la placa de refrigeración de líquido con canal en forma de M se ha aplicado ampliamente debido a sus ventajas, como la disposición compacta de los canales y la gran área de disipación de calor. Sin embargo, las placas de refrigeración de líquido con canal en forma de M tradicionales suelen adoptar canales rectos y horizontales, donde el líquido refrigerante tiende a formar un flujo laminar. En este estado, a mayor velocidad de flujo, menor eficiencia de transferencia de calor por convección entre el líquido refrigerante y la pared interna del canal, lo que dificulta el cumplimiento de los requisitos de disipación de calor de alta eficiencia de los equipos de alta potencia.
Para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor, la técnica anterior suele adoptar métodos como la incorporación de componentes integrados (p. ej., columnas de alerones, aletas espirales, etc.) en el canal o el mecanizado de elementos cilíndricos o rectangulares en el canal mediante CNC para forzar la formación de turbulencia. Sin embargo, la incorporación de componentes integrados aumentará significativamente la resistencia al flujo, lo que conlleva un mayor consumo de energía del sistema de disipación de calor. Asimismo, la instalación de componentes integrados también dificultará el procesamiento y el coste de fabricación CNC de la placa de refrigeración líquida, además de suponer un riesgo de obstrucción del canal.
Por lo tanto, la idea central de la presente invención es desarrollar una placa de refrigeración líquida que mejore la eficiencia de la transferencia de calor sin añadir componentes adicionales, logrando al mismo tiempo un equilibrio entre baja resistencia al flujo y estabilidad estructural. Este problema técnico se ha convertido en una necesidad urgente en este campo.
Conclusiones del análisis mediante el software de simulación térmica Ansys 2022 R1 Icepak
1. El modelo 3D se estableció de acuerdo con las dimensiones de 152 mm × 127 mm × 17 mm y se guardó en formato *.stp.
2. Se abrió el software CDM para extraer los canales de flujo.
3. El modelo se convirtió en un modelo sólido solucionable para Icepak utilizando el software Ansys 2022 R1.
4. Los parámetros de funcionamiento se establecieron de la siguiente manera: temperatura ambiente de 35°C, caudal de 6 L/min y potencia térmica de 1000 W.
5. El paso de convergencia se estableció en 2000 pasos (la operación se detuvo automáticamente después de 820 pasos tras la convergencia).
6. Conclusión sobre el caudal: El caudal del modelo inventado con una curvatura horizontal de 30° fue de 2.86 m/min, mientras que el del modelo tradicional de tubo de cobre dispuesto horizontalmente fue de 3.24 m/min. Esto indica que no se produjo impedancia ni generación de turbulencia en la capa límite laminar del modelo tradicional.
7. Conclusión sobre la diferencia de presión: La diferencia de presión del modelo inventado con una flexión horizontal de 30° (de abajo a arriba) fue de 34 029,4 N/m², en comparación con los 31 616,9 N/m² del modelo tradicional de tubo de cobre dispuesto horizontalmente. Esto también confirma que el principio de la presente invención rompe la capa límite laminar y genera turbulencia.
8. Conclusión sobre la temperatura: La temperatura central del chip con la disposición inventada de tubos de cobre doblados a 30° (horizontalmente hacia abajo y hacia arriba) fue de 58.08 °C, mientras que con la disposición tradicional de tubos de cobre horizontales fue de 61.04 °C. Esto demuestra además que, bajo el efecto de la turbulencia, el líquido refrigerante logra un mejor intercambio de calor con la pared del tubo de cobre, atraviesa la capa límite laminar y transfiere una gran cantidad de calor al líquido refrigerante, reduciendo así la temperatura del chip en 3 °C.
Efectos benéficos
1. Mejora significativa en la eficiencia de transferencia de calor. Al disponer unidades de flexión con un ángulo específico en la sección recta del tubo de cobre, la invención fuerza la formación de turbulencia en el líquido refrigerante mediante el cambio repentino del canal de flujo, rompiendo así la limitación de la capa límite laminar. En comparación con la placa de refrigeración de líquido tradicional en forma de M con tubo recto, el coeficiente de transferencia de calor aumenta en más del 15%, lo que permite satisfacer eficazmente los requisitos de disipación de calor de alta eficiencia de dispositivos electrónicos de alta potencia y módulos de baterías pequeños.
2. Aumento controlable de la resistencia al flujo. Al tiempo que mejora la eficiencia de transferencia de calor, la invención no requiere componentes integrados adicionales. Al optimizar el ángulo de flexión (30°), el aumento de la resistencia al flujo se controla en un 18 %. Esto evita el problema del aumento brusco del consumo energético causado por la adición de componentes integrados y mejora la eficiencia económica del sistema de disipación de calor.
3. Alta estabilidad estructuralEl rango de ángulo de curvatura óptimo determinado a través de la derivación teórica y el cálculo de parámetros puede evitar eficazmente el fenómeno de concentración de tensión durante el proceso de curvatura del tubo de cobre, prevenir problemas de fallas como adelgazamiento y agrietamiento de la pared del tubo, y mejorar la estabilidad estructural y la vida útil de la placa fría de líquido.
4. Procesamiento y fabricación sencillos. La estructura del canal de flujo de la invención se forma directamente doblando el tubo de cobre, sin necesidad de componentes complejos. Además, las ranuras se convierten en ranuras en forma de U mediante tecnología de procesamiento de perfiles convencional, lo que ofrece una baja dificultad de procesamiento, un coste de fabricación moderado y una producción en masa sencilla.
5. Rendimiento escalable para escenarios de alta potenciaSi el número de tiempos de flexión del tubo de cobre en la invención se incrementa a 6, 8 o 12, y la potencia de los chips de alta potencia se incrementa a 2000 W, 5000 W o 10000 W, el efecto de la invención mejorará significativamente.
Para nuestros clientes, desarrollamos e investigamos continuamente nuevos productos y procesos para ofrecerles las soluciones tecnológicas más avanzadas, mejorando así su competitividad en el mercado. Para cualquier necesidad, no dude en contactarnos a king@kenfatech.com.
