كيفية تصميم لوحة التبريد السائل؟
1. تحديد متطلبات التصميم بوضوح
قبل تصميم صفيحة تبريد سائل، من الضروري توضيح سيناريوهات تطبيقها ومتطلباتها الخاصة. على سبيل المثال، عند تصميم صفيحة تبريد سائل لتبديد حرارة الشريحة الإلكترونية، من الضروري فهم استهلاك الشريحة للطاقة، وتوليد الحرارة، ودرجة حرارة التشغيل المحيطة، وأقصى درجة حرارة تشغيل مسموح بها لدرجة حرارة وصلة الشريحة، وتركيب سائل التبريد، ودرجة حرارة دخوله، ومعدل تدفقه، وغيرها من المعايير. عند استخدامها لتبديد حرارة بطاريات المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة، يجب مراعاة تصميم حزمة البطارية، وخصائص توليد الحرارة أثناء الشحن والتفريغ، ونطاق درجة حرارة التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، يجب الانتباه إلى عوامل مثل محدودية مساحة التركيب، وميزانية التكلفة، وموثوقية عملية الإنتاج. لوحة تبريد سائلةs، والتوافق مع الأنظمة الأخرى. تناقش هذه المقالة إنتاج ومعالجة قنوات التدفق القائمة على ألواح باردة متكاملة. مخطط تصميم عملية إضافة أنبوب من النحاس ولوحة من الألومنيومسيتم مناقشة ذلك مجددًا في المستقبل. إذًا، كيف نصمم لوحة تبريد سائلة؟
2،اختر المواد المناسبة
سبيكة الألومنيوم 6063 أو 6061 هي مادة معدنية شائعة الاستخدام في الصفائح المبردة بالسائل نظرًا لكثافتها المنخفضة وموصليتها الحرارية الجيدة (يتمتع الألومنيوم النقي بموصلية حرارية تبلغ حوالي 237 واط / (م · كلفن)، بينما تتمتع سبيكة الألومنيوم بموصلية حرارية تتراوح بين 180-230 واط / (م · كلفن) حسب تركيبها)، وقوتها المتوسطة وسهولة معالجتها وتشكيلها وتكلفتها المنخفضة نسبيًا. تتراوح الموصلية الحرارية للألومنيوم ADC12 المنتج بعملية الصب بالقالب بين 90-110 واط / (م · كلفن)، والتي تتميز بسهولة معالجتها وانخفاض تكلفتها. تتميز مادة النحاس بموصلية حرارية فائقة (مع موصلية حرارية تبلغ حوالي 401 واط / (م · كلفن))، ولكنها تتميز بكثافة أعلى وتكلفتها العالية. يمكن اختيارها عندما تكون متطلبات تبديد الحرارة عالية للغاية وتسمح المساحة والتكلفة بذلك.
3. تصميم هيكل قناة التدفق
(1) شكل قناة التدفق
تشمل الأشكال الشائعة لقنوات التدفق القنوات المتوازية، والقنوات السربنتينية، والقنوات المتشعبة. تتميز قنوات التدفق المتوازية ببنية بسيطة ومقاومة منخفضة نسبيًا لتدفق السوائل، مما يجعلها مناسبة لمصادر الحرارة ذات التوزيع الموحد نسبيًا لكثافة تدفق الحرارة. أما قنوات التدفق السربنتينية، فتزيد من زمن بقاء السوائل في الصفائح المبردة بالسوائل، مما يُحسّن كفاءة نقل الحرارة، مع تمتعها بمقاومة تدفق أعلى. أما قنوات الأصابع الشوكية، فتُوزّع السوائل بالتساوي على مناطق مختلفة، وتُحسّن تبديد الحرارة على مصادر الحرارة غير المتجانسة.
(2) حجم القناة
يؤثر عرض وارتفاع وتباعد قنوات التدفق بشكل كبير على أداء تبديد الحرارة للوحة التبريد السائل. يمكن أن يزيد حجم القناة الأصغر من مساحة التلامس بين السائل وجدار القناة، مما يحسن كفاءة نقل الحرارة، ولكنه سيزيد من مقاومة التدفق واستهلاك طاقة المضخة. بشكل عام، يمكن اختيار عرض قناة التدفق بين 6-15 مم، والارتفاع بين 2-10 مم، ويتم تحديد التباعد بين قنوات التدفق وفقًا للاحتياجات الفعلية وعمليات التصنيع. بالنسبة للرقائق ذات كثافة الطاقة العالية التي تتطلب مساحة تلامس محلية صغيرة ولكن نقل حرارة عالي في اللوحات المبردة بالسائل، يلزم تصميم قناة دقيقة لقنوات التدفق المحلية. على سبيل المثال، تبلغ مساحة تلامس شريحة وحدة معالجة الرسومات GB200 من Nvidia حوالي 50 × 50 مم، وتتطلب قنوات التدفق المبردة بالسائل زعانف نحاسية عالية الكثافة للتبادل الحراري.
4. التحليل الحراري وتحسين المحاكاة
استخدم برامج تحليل حراري احترافية مثل ANSYS Fluent لإجراء محاكاة رقمية على صفيحة التبريد السائل المُصممة. أدخل الحمل الحراري لمصدر الحرارة، والمعلمات الفيزيائية للسائل (مثل الكثافة، والسعة الحرارية النوعية، والتوصيل الحراري، إلخ)، وشروط التدفق الحدية (مثل معدل التدفق، وسرعة التدفق، إلخ)، ومحاكاة توزيع درجة الحرارة وخصائص تدفق السائل داخل صفيحة التبريد السائل. من خلال تحليل المحاكاة، يمكن تحديد مشاكل مثل النقاط الساخنة والتدفق غير المتساوي في التصميم، ويمكن تحسين بنية صفيحة التبريد السائل، مثل تعديل شكل قناة التدفق وتغيير موضع المدخل والمخرج، لتحقيق تأثير أفضل في تبديد الحرارة.
5. اختيار عملية التصنيع
(1) عملية لحام لوحة التبريد السائل
بالنسبة لألواح سبائك الألومنيوم المبردة بالسائل، يُعدّ اللحام بالتفريغ عملية تصنيع شائعة. بوضع مادة اللحام بين الصفائح وصهرها عند درجة حرارة وضغط معينين، يتم توصيل الصفائح معًا لتشكيل قناة تدفق. يضمن اللحام بالتفريغ جودة اللحام ويقلل من عيوب مثل الأكسدة والمسامية. تنقسم مواد اللحام بالتفريغ عمومًا إلى نوعين: الألومنيوم بالكامل والنحاس بالكامل.
تُستخدم مواد اللحام القائمة على السيليكون والألومنيوم (مثل سبيكة Al Si، بدرجة انصهار تتراوح بين 577 و615 درجة مئوية تقريبًا) بشكل شائع في جميع عمليات اللحام الفراغي للألومنيوم. عادةً ما تُضبط درجة حرارة اللحام بين 580 و620 درجة مئوية، وهي أعلى بقليل من درجة انصهار مواد اللحام. ونظرًا لإجرائها في بيئة خالية من التفريغ، لا حاجة لغاز حماية إضافي. يمنع التفريغ أكسدة الألومنيوم، ويعزز تبليل اللحام وترابطه بالانتشار.
تُستخدم مواد لحام النحاس والفوسفور أو النحاس والفضة بشكل شائع في جميع عمليات لحام النحاس الفراغي (مثل سبيكة النحاس والفوسفور، التي تتراوح درجة انصهارها بين 710 و800 درجة مئوية)، وتتراوح درجة حرارة اللحام بين 750 و900 درجة مئوية. على الرغم من أن هذه العملية تُجرى في بيئة فراغية، إلا أن بعض العمليات تتطلب استخدام غاز النيتروجين عالي النقاء (نقاء ≥ 99.99%) كغاز وقائي، مما يُقلل من أكسدة النحاس ويضمن موثوقية اللحام.
2) الاحتكاك يحدث لحام
لحام التحريك الاحتكاكي هو عملية ربط في الحالة الصلبة، حيث يدور رأس التحريك ويتحرك على طول السطح المراد لحامه، مما يُسبب تشوهًا بلاستيكيًا للمادة ويحقق الترابط. تتميز هذه العملية بقوة لحام عالية ومنطقة صغيرة متأثرة بالحرارة، مما يجعلها مناسبة لتصنيع ألواح عالية الجودة مبردة بالسائل. يُولّد لحام التحريك الاحتكاكي الحرارة عن طريق تدوير رأس التحريك لتليين المادة، وتتراوح درجة حرارة التلدين لسبائك الألومنيوم عادةً بين 300 و500 درجة مئوية. يتراوح ضغط اللحام عادةً بين 10 و50 كيلو نيوتن، ويزداد بازدياد سمك المادة. تتراوح سرعة رأس التحريك في الغالب بين 800 و3000 دورة في الدقيقة، وسرعة اللحام بين 0.5 و5 مم/ثانية. تُعدّ هذه العملية ربطًا في الطور الصلب، دون عيوب انصهار، وهي مناسبة للربط الفعال للمعادن غير الحديدية مثل الألومنيوم والنحاس.
6. اختبار الأداء والتحقق منه
بعد تصنيع عينة الصفائح المبردة بالسائل، يلزم إجراء اختبار أداء. استخدم مستشعرات درجة الحرارة لقياس درجة الحرارة في مواقع مختلفة، وراقب تدفق السوائل وانخفاض الضغط عبر عدادات التدفق ومستشعرات الضغط. قارن نتائج الاختبار بمتطلبات التصميم لتقييم مدى استيفاء أداء تبديد الحرارة ومقاومة التدفق للصفائح المبردة بالسائل للمتطلبات. في حال عدم استيفائها، حلل الأسباب وحسّن عملية التصميم والتصنيع. يتطلب تصميم الصفائح المبردة بالسائل دراسة شاملة لجوانب متعددة، مثل المتطلبات، والمواد، وبنية قناة التدفق، والتحليل الحراري، وعملية التصنيع، واختبار الأداء. من خلال التحسين والتحقق المستمرين، يمكن الحصول على صفائح مبردة بالسائل عالية الجودة تلبي متطلبات التطبيق العملي.
مخطط تصميم وأبعاد لوحة التبريد السائل لمصدر حرارة بقدرة 1 كيلو وات (حالة حسابية نظرية)
II. الحساب النظري للمعلمات الرئيسية
1. حساب معدل تدفق سائل التبريد
بناءً على معادلة توازن الحرارة Q = \rho q_v c_p \Delta T_{fluid}، بافتراض أن الفرق في درجة الحرارة بين مدخل ومخرج سائل التبريد \Delta T_{fluid} = 10℃ (لتجنب ارتفاع درجة الحرارة المحلية)، فإن معدل التدفق المطلوب هو:
2. تصميم قنوات التدفق وسرعة التدفق
تم اعتماد قنوات تدفق متعددة التوازي (لتقليل المقاومة). حجم قناة التدفق الواحدة: العرض (w) = 5 مم = 0.005 متر، الارتفاع (h) = 4 مم = 0.004 متر. القطر الهيدروليكي هو:
3. حساب معامل انتقال الحرارة والمساحة
رابعًا: التحقق والتعديل
وفقًا لهذا البعد، يُظهر التحقق المُحاكى أنه عند معدل تدفق 15.9 لتر/دقيقة، تبلغ مقاومة انتقال الحرارة بالحمل الحراري حوالي 0.05 درجة مئوية/واط، وتستقر درجة حرارة سطح مصدر الحرارة عند 80 درجة مئوية، ويبلغ انخفاض الضغط ≤ 0.2 ميجا باسكال، مما يُلبي متطلبات تبديد الحرارة البالغة 1 كيلوواط. في حال ضيق المساحة، يُمكن تقليل العرض إلى 100 مم وزيادة الطول إلى 180 مم للحفاظ على إجمالي مساحة انتقال الحرارة ثابتة.
