כיצד לעצב ולייעל ערוצי לוחות מקוררים במים ליעילות מרבית

 

מערכת הקירור הנוזלית כולה כוללת רכיבים כגון לוח הקירור הנוזלי, מצע הקירור הנוזלי, משאבה, צינורות ורדיאטור.

 

באופן כללי, המאפיינים התרמופיזיים של נוזלי קירור נוזליים הנפוצים מוצגים בטבלה שלהלן:

 

▲ תכונות קירור נוזלי

 

מהטבלה לעיל, ברור שלבחירת מדיום הקירור הנוזלי יש השפעה קבועה על יעילות הקירור של המערכת כולה. מבלי לשנות תנאים אחרים, יש לתת עדיפות למדיה בעלות נמוכה העומדת בדרישות הסביבה (כגון גובה וטמפרטורת הסביבה).

 

עם זאת, הצלחת המקוררת במים היא גם חלק מכריע ממערכת הקירור הנוזלית. כמרכיב חילופי החום של מערכת הקירור הנוזלי, הוא מכיל תעלות חילופי חום, כלומר נתיבי זרימה. התכנון של נתיבי זרימה פנימיים אלה יכול להשפיע באופן משמעותי על יעילות חילופי החום של המערכת כולה, עם שונות ניכרת.

 

לכן, היום לא נדון באמצעי קירור נוזלי, אלא במקום זאת, באמצעות מים טהורים כדוגמה, ננתח את גישת התכנון והאופטימיזציה של מסלולי זרימת לוחות מקוררים במים.

 

בתכנון מבנה הצלחת המקורר במים, יש לקחת בחשבון את הגורמים הבאים:

 

• דרישות ביצועים של החלפת חום:תחת קצב הזרימה והפרש הטמפרטורה שנקבעו בין מי הכניסה והיציאה, השג את עליית הטמפרטורה הרצויה של מקור החום ויעד פיזור החום של הרדיאטור, תוך עמידה בדרישות הביצועים.
• דרישות חוזק ולחץ:בפרויקטים מסוימים, עקב שימוש סביבתי או דרישות התקנה בתוך המערכת, ניתנות הנחיות ספציפיות עבור לחץ פני השטח ותנאי הלחץ הכוללים של הצלחת המקוררת במים.
• עמידות בפני קורוזיה:אמצעי הקירור הנוזלי זורם בתעלה לתקופות ממושכות, וטמפרטורות גבוהות עלולות להאיץ את השפלה של חומרי מתכת, מה שעלול להוביל לחסימות המשפיעות על יעילות הקירור.
• מניעת דליפות:עיצוב לוחית הכיסוי, המשטחים העליונים והתחתונים, פסי האיטום ואפילו שיטות הריתוך אמורים למנוע דליפה.
• עלות-תועלת:הפחתת עלויות מגורמים כמו היתכנות ייצור, בחירת חומרים, מורכבות התהליך, עמידות בזרימה ועמידות בחום, תוך מזעור לחץ המשאבה וזמן העבודה.

 

כדי לעמוד בדרישות הנ"ל, יש לעשות שיקולי תכנון מקיפים לגבי חומרים, מבנה ושיטות ייצור.

 

 

I בחירת חומרי לוחות מקוררים במים

 

החומר של הצלחת המקוררת במים משפיע על ביצועי חילופי החום בין התעלה למי הקירור. יש להשתמש בחומרים עם מוליכות תרמית גבוהה עבור לוחות מקוררים במים כדי להפחית ביעילות את ההתנגדות התרמית הכוללת של המערכת. חומרים נפוצים כמו אלומיניום ונחושת מציגים את התכונות הבאות:

 

▲ מאפייני החומר

 

לסגסוגות האלומיניום, כחומר הקירור הנפוץ ביותר, יש יתרונות כמו מוליכות תרמית גבוהה, צפיפות נמוכה, יכולת עיבוד טובה, עמידות מצוינת בפני קורוזיה ותכונות פיזיות ומכניות טובות.

 

תהליך ההגנה מפני קורוזיה עבור פרופילי אלומיניום מבוסס היטב, מה שמבטיח שימוש אמין לאורך זמן בפלטות מקוררות מים.

 

גופי קירור מאלומיניום המשמשים במוצרים אלקטרוניים עשויים בדרך כלל מסגסוגות מסדרות 50 או 60, כגון AL5051, 60601 ו-6063. חומרים אלו מציעים מוליכות תרמית מצוינת, עמידות בפני קורוזיה, יכולת עיבוד, ומתאימים לאלגון ועיבוד CNC של תעלות זרימה מורכבות .

 

מחקר זה מתמקד בגישת התכנון והאופטימיזציה של מסלולי זרימת לוחות מקוררים במים, בהנחה של קצבי זרימה קבועים מראש ודרישות ירידה בלחץ בסיסיות.

 

 

II סוגים בסיסיים של מסלולי זרימת לוחות מקוררים במים

 

הסוגים העיקריים של מסלולי זרימת לוחות מקוררים במים כוללים: ערוצי ספירלה מישוריים, בצורת W, מעגליים, גליליים וערוצים ארכימדיים. להלן תיאורים קצרים של כל אחד מהם, עם תמונות מתאימות:

 

▲ תמונת לוח מקורר מים מישורית

 

▲ תמונת צלחת מקוררת מים בצורת W

 

▲ תמונת צלחת מקוררת מים מעגלית

 

▲ תמונת לוח מקורר מים גלילי

 

בדוגמה של הצלחת הגלילית מקורר מים, העיצוב הפנימי יכול לכלול עמודים מלבניים או גופי קירור מוארכים כדי לשפר את אזור המגע עם זרימת המים.

 

▲ תמונה של נתיב זרימה ספירלית ארכימדית

 

בהתייחס לאובייקט הפיזי הזה, השתמשתי בכוונה ב-solidworks כדי לעצב את המבנה התלת-ממדי שלו, כפי שמוצג להלן.

 

▲ תמונת נתיב זרימה במחזור אחד

 

▲ לולאה כפולה תמונת נתיב זרימה

 

האמור לעיל הם עיצובים טיפוסיים של נתיב זרימה מקורר מים. לאחר מכן, נחקור את גישת האופטימיזציה עבור עיצובים אלה.

 

 

III גישת אופטימיזציה של נתיב זרימה

 

גישת האופטימיזציה עבור מסלולי זרימת לוחות מקוררים במים חולקת קווי דמיון עם אופטימיזציה של נתיב זרימת אוויר במערכות מקוררות אוויר.

 

עבור פתרונות מקוררי אוויר, ניתן להתייחס לעקרונות של אופטימיזציה של נתיב זרימת האוויר במאמר: "עקרונות לאופטימיזציה של נתיבי זרימת אוויר בתכנון תרמי למוצרים אלקטרוניים".

• הגדל מעגלים:לאחר תכנון ראשוני של תכנון נתיב זרימת המים, סימולציות מספריות עשויות לגלות שיעילות הקירור אינה עומדת בציפיות, עם התנגדות תרמית גבוהה יותר. במקרה זה, הגדלת מספר המעגלים (למשל, ממעגלים בודדים למעגלים כפולים או יותר) יכולה לשפר את חילופי החום.
• הגדל את אזור פיזור החום:אם מרחב המבנה הפנימי מאפשר, הוספת סנפירים גליליים או מלבניים בתצורות מדורגות או מיושרות יכולה לשפר את האופטימיזציה בתוך נתיב הזרימה.
• מטב את מהירות זרימת המים הפנימית:כאשר שטח חתך הכניסה קבוע, הגדלת שטח החתך של נתיב הזרימה מפחיתה את מהירות הזרימה, ומפריעה לחילופי חום מהירים. עם זאת, פשוט הקטנת שטח החתך כדי להגדיל את המהירות יכולה להוביל להתנגדות זרימה גבוהה יותר.
• איזון אזור מקורר מים:ודא שמסלול הזרימה מכסה את משטח המגע של מקור החום באופן שווה. במצבים עם שטח או שטח מוגבל, נתיב הזרימה הספירלית של ארכימדים הוא אופציה טובה.
• הימנע ממעגלים קצרים:כאשר הכניסה והיציאה קרובים מדי, תכנן מבני צלעות בנתיב הזרימה כדי להאריך אותו ולפזר מים מתחת למקור החום, ולמנוע מהמים לזרום ישירות מכניסה ליציאה.
• הימנע מאורך זרימה מופרז:במקרים עם מקורות חום בעלי שכבות אנכיות, הגישה המקובלת עשויה להיות תכנון מסלולי זרימה מלמעלה למטה, או להיפך, מה שעלול לגרום להפרש טמפרטורה משמעותי בין החלק הקדמי והאחורי. שקול קירור נפרד עבור כל שכבה כדי לפתור בעיה זו.
• מזעור עיקולים:עיקולים מגבירים את אובדן הראש והתנגדות הזרימה. אם עיקולים בלתי נמנעים, הקפידו על מעברים חלקים כדי להפחית את ירידת הלחץ תוך הגדלת אזור פיזור החום.

 

במהלך תהליך האופטימיזציה, ודא שהתנגדות זרימת המערכת, התנגדות תרמית וחוזק מבני (למשל, לחץ פני השטח) עומדים בדרישות הפרויקט תוך התחשבות בהיתכנות הייצור ובעלות.

 

 

IV שיטות עיצוב אופטימיזציה

 

• ניתוח השערות:בהתבסס על הפרויקט המקורי, יישם רעיונות אופטימיזציה כגון הגדלת שטח פיזור החום, הקטנת שטח החתך או הוספת מעגלים, וחשב תוצאות תיאורטיות.
• סימולציה מספרית:בהתבסס על הניתוח, צור מודלים של עיצוב מסלולי זרימה מרובים, הדמיית בתנאים הנדרשים, והשוואה בין תוצאות.
• בדיקה נסיונית:בניית מודלים ומבחנים ניסיוניים כדי לאמת את ניתוח ההשערה ותוצאות הסימולציה המספרית.