Cách thiết kế và tối ưu hóa các kênh tấm làm mát bằng nước để đạt hiệu quả tối đa

 

Toàn bộ hệ thống làm mát bằng chất lỏng bao gồm các bộ phận như tấm làm mát bằng chất lỏng, môi trường làm mát bằng chất lỏng, máy bơm, đường ống và bộ tản nhiệt.

 

Nói chung, các đặc tính nhiệt vật lý của chất lỏng làm mát bằng chất lỏng thường được sử dụng được thể hiện trong bảng dưới đây:

 

▲ Đặc tính làm mát bằng chất lỏng

 

Từ bảng trên, có thể thấy rõ việc lựa chọn môi trường làm mát bằng chất lỏng có tác động nhất định đến hiệu quả làm mát của toàn hệ thống. Không thay đổi các điều kiện khác, cần ưu tiên cho các phương tiện giá rẻ đáp ứng yêu cầu về môi trường (chẳng hạn như độ cao và nhiệt độ môi trường).

 

Tuy nhiên, tấm làm mát bằng nước cũng là một bộ phận quan trọng của hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Là thành phần trao đổi nhiệt của hệ thống làm mát bằng chất lỏng, nó chứa các kênh trao đổi nhiệt, tức là đường dẫn dòng chảy. Thiết kế của các đường dẫn dòng chảy bên trong này có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất trao đổi nhiệt của toàn bộ hệ thống với độ biến thiên đáng kể.

 

Do đó, hôm nay chúng ta sẽ không thảo luận về phương tiện làm mát bằng chất lỏng mà thay vào đó, sử dụng nước tinh khiết làm ví dụ, chúng ta sẽ phân tích phương pháp thiết kế và tối ưu hóa đường dẫn dòng tấm làm mát bằng nước.

 

Trong thiết kế kết cấu tấm làm mát bằng nước, cần xem xét các yếu tố sau:

 

• Yêu cầu về hiệu suất trao đổi nhiệt:Theo tốc độ dòng chảy đã đặt và chênh lệch nhiệt độ giữa nước đầu vào và đầu ra, đạt được mức tăng nhiệt độ mong muốn của nguồn nhiệt và mục tiêu tản nhiệt của bộ tản nhiệt, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất.
• Yêu cầu về sức mạnh và áp lực:Trong một số dự án, do yêu cầu lắp đặt hoặc sử dụng môi trường trong hệ thống, các hướng dẫn cụ thể được đưa ra về áp suất bề mặt và điều kiện ứng suất tổng thể của tấm làm mát bằng nước.
• Chống ăn mòn:Môi trường làm mát bằng chất lỏng chảy qua kênh trong thời gian dài và nhiệt độ cao có thể đẩy nhanh quá trình xuống cấp của vật liệu kim loại, có khả năng dẫn đến tắc nghẽn ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát.
• Phòng chống rò rỉ:Thiết kế của tấm che, bề mặt trên và dưới, dải bịt kín và thậm chí cả phương pháp hàn phải ngăn ngừa rò rỉ.
• Hiệu quả chi phí:Giảm chi phí từ các yếu tố như tính khả thi của sản xuất, lựa chọn vật liệu, độ phức tạp của quy trình, khả năng chống dòng chảy và khả năng chịu nhiệt, đồng thời giảm thiểu áp suất bơm và thời gian lao động.

 

Để đáp ứng các yêu cầu trên, phải xem xét thiết kế toàn diện về vật liệu, cấu trúc và phương pháp sản xuất.

 

 

I Lựa chọn vật liệu tấm làm mát bằng nước

 

Chất liệu của tấm làm mát bằng nước ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt giữa kênh và nước làm mát. Nên sử dụng vật liệu dẫn nhiệt cao cho các tấm làm mát bằng nước để giảm hiệu quả khả năng chịu nhiệt tổng thể của hệ thống. Các vật liệu phổ biến như nhôm và đồng có các đặc tính sau:

 

▲ Tính chất vật liệu

 

Hợp kim nhôm, là vật liệu làm mát được sử dụng phổ biến nhất, có các ưu điểm như độ dẫn nhiệt cao, mật độ thấp, khả năng gia công tốt, khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và các tính chất cơ lý thuận lợi.

 

Quy trình chống ăn mòn cho các cấu hình nhôm được thiết lập tốt, đảm bảo việc sử dụng các tấm làm mát bằng nước một cách đáng tin cậy lâu dài.

 

Tản nhiệt bằng nhôm được sử dụng trong các sản phẩm điện tử thường được làm từ hợp kim dòng 50 hoặc 60, chẳng hạn như AL5051, 60601 và 6063. Những vật liệu này có tính dẫn nhiệt, chống ăn mòn, khả năng gia công tuyệt vời và phù hợp cho quá trình anod hóa và xử lý CNC các kênh dòng chảy phức tạp .

 

Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp thiết kế và tối ưu hóa đường dẫn dòng tấm làm mát bằng nước, giả định tốc độ dòng chảy được xác định trước và các yêu cầu giảm áp suất cơ bản.

 

 

II Các loại đường dẫn dòng tấm làm mát bằng nước cơ bản

 

Các loại đường dẫn dòng chảy dạng tấm làm mát bằng nước chính bao gồm: kênh phẳng, hình chữ W, hình tròn, hình trụ và kênh xoắn ốc Archimedean. Sau đây là mô tả ngắn gọn về từng loại, kèm theo hình ảnh tương ứng:

 

▲ Hình ảnh tấm phẳng làm mát bằng nước

 

▲ Hình ảnh tấm làm mát bằng nước hình chữ W

 

▲ Hình ảnh tấm làm mát bằng nước hình tròn

 

▲ Hình ảnh tấm làm mát bằng nước hình trụ

 

Trong ví dụ về tấm làm mát bằng nước hình trụ, thiết kế bên trong có thể bao gồm các cột hình chữ nhật hoặc tản nhiệt kéo dài để tăng cường diện tích tiếp xúc với dòng nước.

 

▲ Hình ảnh đường dẫn dòng xoắn ốc Archimedean

 

Nhắc đến đối tượng vật lý này, tôi đã cố tình sử dụng Solidworks để thiết kế cấu trúc 3D của nó như hình dưới đây.

 

▲ Hình ảnh đường dẫn dòng chảy một chu kỳ

 

▲ Hình ảnh đường dẫn dòng chảy vòng lặp đôi

 

Trên đây là những thiết kế đường dẫn dòng chảy làm mát bằng nước điển hình. Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá phương pháp tối ưu hóa cho những thiết kế này.

 

 

III Phương pháp tối ưu hóa đường dẫn luồng

 

Phương pháp tối ưu hóa đường dẫn dòng khí dạng tấm làm mát bằng nước có những điểm tương đồng với việc tối ưu hóa đường dẫn luồng không khí trong hệ thống làm mát bằng không khí.

 

Đối với các giải pháp làm mát bằng không khí, nguyên tắc tối ưu hóa đường dẫn khí có thể được tham khảo trong bài viết: “Nguyên tắc tối ưu hóa đường dẫn khí trong thiết kế nhiệt cho sản phẩm điện tử”.

• Tăng mạch:Sau khi lập kế hoạch ban đầu về thiết kế đường dẫn dòng nước, các mô phỏng số có thể cho thấy hiệu quả làm mát không đáp ứng được mong đợi, với khả năng chịu nhiệt cao hơn. Trong trường hợp này, việc tăng số lượng mạch (ví dụ, từ mạch đơn lên mạch kép hoặc nhiều hơn) có thể tăng cường trao đổi nhiệt.
• Tăng diện tích tản nhiệt:Nếu không gian cấu trúc bên trong cho phép, việc thêm các cánh tản nhiệt hình trụ hoặc hình chữ nhật theo cấu hình so le hoặc căn chỉnh có thể cải thiện khả năng tối ưu hóa trong đường dẫn dòng chảy.
• Tối ưu hóa tốc độ dòng nước bên trong:Khi diện tích mặt cắt ngang cửa vào được cố định, việc tăng diện tích mặt cắt đường dẫn dòng chảy sẽ làm giảm tốc độ dòng chảy, cản trở quá trình trao đổi nhiệt nhanh chóng. Tuy nhiên, chỉ cần giảm diện tích mặt cắt ngang để tăng tốc độ có thể dẫn đến lực cản dòng chảy cao hơn.
• Cân bằng khu vực làm mát bằng nước:Đảm bảo đường dẫn dòng chảy bao phủ đều bề mặt tiếp xúc của nguồn nhiệt. Trong những tình huống có diện tích hoặc không gian hạn chế, đường dòng chảy xoắn ốc Archimedean là một lựa chọn tốt.
• Tránh đoản mạch:Khi cửa vào và cửa ra quá gần nhau, thiết kế các kết cấu gân trong đường dẫn dòng chảy để mở rộng và phân phối nước bên dưới nguồn nhiệt, ngăn không cho nước chảy trực tiếp từ cửa vào ra cửa ra.
• Tránh độ dài dòng chảy quá mức:Trong trường hợp nguồn nhiệt được xếp theo chiều dọc, cách tiếp cận thông thường có thể là thiết kế đường dẫn dòng chảy từ trên xuống dưới hoặc ngược lại, điều này có thể gây ra chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa mặt trước và mặt sau. Hãy cân nhắc việc làm mát riêng cho từng lớp để giải quyết vấn đề này.
• Giảm thiểu uốn cong:Uốn cong làm tăng tổn thất đầu và khả năng chống dòng chảy. Nếu không thể tránh khỏi việc uốn cong, hãy đảm bảo chuyển tiếp suôn sẻ để giảm sụt áp đồng thời tăng diện tích tản nhiệt.

 

Trong quá trình tối ưu hóa, hãy đảm bảo rằng khả năng chống dòng chảy, khả năng chịu nhiệt và độ bền kết cấu của hệ thống (ví dụ: áp suất bề mặt) đáp ứng các yêu cầu của dự án đồng thời xem xét tính khả thi và chi phí sản xuất.

 

 

IV Phương pháp thiết kế tối ưu hóa

 

• Phân tích giả thuyết:Dựa trên dự án ban đầu, áp dụng các ý tưởng tối ưu hóa như tăng diện tích tản nhiệt, giảm diện tích mặt cắt hoặc thêm mạch và tính toán kết quả lý thuyết.
• Mô phỏng số:Dựa trên phân tích, tạo ra nhiều mô hình thiết kế đường dẫn dòng chảy, mô phỏng theo các điều kiện yêu cầu và so sánh kết quả.
• Thử nghiệm thực nghiệm:Xây dựng các mô hình thực nghiệm và kiểm định để kiểm chứng việc phân tích giả thuyết và kết quả mô phỏng số.