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作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字B站同名个人微信yanshanYH
985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。
熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。
专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。
更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~本期给大家带来的是关于液冷板流道设计与优化思路研究内容希望对大家有帮助。
整个液冷散热系统包含液冷板、液冷介质、泵、水管散热器等部件。
一般来说常用的液冷工质的热物理属性如下表所示由上表可以看出液冷介质的选取对整个系统的散热效率影响是固定的在其他条件不改变的情况下优先考虑满足环境条件需要海拔、环境温度等成本低的介质。
然而液冷板也是液冷散热系统中的重要一环是液冷系统的换热部件内部具有换热槽结构即流道。
其内部流道设计差异对整个系统的换热效率影响很大存在很大变数。
所以今天我们不讨论液冷的介质今天就以纯水为例分析水冷板的流道设计与优化思路。
在水冷板的结构设计中需要考虑以下几点换热性能要求流速、进出水温差设定情况下实现热源的温升目标以及散热器热阻目标其换热性能的要求强度、压力要求有些项目因为使用环境、处于系统内部的安装要求会对水冷板表面压力整体受力情况作特别说明。
防腐蚀要求液冷介质长期在流道流动受到高温影响会加剧金属材料的破坏甚至是堵塞影响散热效能防泄漏要求盖板、上下端面的设计密封条甚至是焊接方式等设计都能实现防泄漏的手段低成本要求从生产加工可行性、材料选取、工序复杂度流阻、热阻等维度减少泵压力工时等带来的成本。
为了满足以上要求需要从材料、结构设计、制造方法等方面进行综合设计考量。
冷板材料选取冷板的材料影响水道与冷却水的换热性能采用高导热系数的材料制作冷板能够有效减少系统总体热阻。
常见以铝、铜为代表的材料属性如下表所示铝合金作为最常用的散热材料其具有导热系数高、密度小、加工性能好、抗腐蚀性能好、物理和力学性能好等优点。
铝制型材的防腐蚀工艺成熟能够保证水冷板的长时间可靠使用。
电子产品所采用的铝制散热片的材料为
60系列例如AL5051606016063等其具有良好的导热特性良好的抗腐蚀性能、加工性能适合阳极氧化适合CNC加工出比较复杂的流道。
关于实际项目需要多大的流量评估之前的文章中有介绍这里不赘述感兴趣的可查看原文关于
7KW水冷板热设计仿真技术直播知识点回顾这里研究的是在确定好水流量基本的压降要求等需求前提条件下水冷板流道设计与优化的思路、方法。
冷板流道基本样式冷板流道样式主要分为平面、W式、环状、圆柱、阿基米德螺旋水道等。
下面分别按图示进行简要说明平面型如下图所示图片来源微电子散热模组流道设计与散热效能之研究平面水冷板实体图W式水冷板实体图环状水冷板实体图圆柱水冷板实体图这里是拿圆柱型水冷板做典型案例内部还可以是矩形截面的柱子或长条形散热片作为增强水流的接触面积。
阿基米德螺旋水道实体图图片来源于网络如介意请联系删除参考这个实物用solidworks将其三维结构设计出来如下图所示单循环水道双循环水道通过多种组合还可以达到很多意想不到的效果因为其它原因这里就不过多阐述感兴趣的可以自行发挥如果有项目设计需求或技术支持可以联系我yanshanYH。
以上是比较典型的几种水冷流道设计下面我们看看关于其优化设计的思路。
流道优化思路水冷板的流道优化设计思路、原则其实和风冷的风道优化设计有比较相似的地方对于风冷的散热方案设计风道优化设计原则可参考文章关于电子产品热设计风道优化的几个原则增加回路初步规划水流流道设计后通过数值仿真发现散热效率不满足要求热阻较高此时可考虑增加回路比如单循环变成双循环甚至更多增强换热增加散热面积在内部结构空间允许的情况下可以适当在流道内部增加圆柱、方形肋片等以错排、顺排方式进行优化优化内部水流速度进水口的截面积一定时内部水流流道截面积越大其速度会越小这样不利于快速换热当然也不能单纯的把截面积缩小促进流速这样会导致流阻变大均衡水冷面积尽量将流道均衡铺满经过热源的接触面在面积、空间较小的特殊情况阿基米德螺旋水道是个不错的选择避免短路进出水口很近的情况多利用水道设计的肋结构将水道延长分布于热源的正下方避免水流直接从进水口流入出水口避免水流过长在热源分布比较特殊的情况比如垂直方向分层时一般设计思路可能是流道由下而上或者由上至下进行但会导致后端温度和前端温度温差变大此时可以考虑分层单独冷却尽量减少弯道、弯道尽量圆滑过渡弯道会增加水头损失增强了内部流阻如果避免不了那尽可能将弯道圆滑过渡增强散热面积同步减少压降。
当然在做以上优化设计时需同步确认系统内部流阻、热阻、结构强度表面压力等等是否满足项目实际要求限制同时尽可能考虑生产加工的可行性以及成本。
优化设计方法假设分析在原先项目的基础上假设水道按内部增加散热面积、缩小截面积、增加回路等优化思路分别计算其理论的结果数值仿真根据分析结果建立多种水道设计模型并在要求的环境中进行仿真模拟对仿真结果进行对比分析实验测试建立实验模型和测试验证假设分析和数值仿真的结果。