Mit der zunehmenden Integration, Komplexität und Intelligenz von Stromversorgungsgeräten steigt die Anzahl der Komponenten ständig an und auch die Leistungsdichte der Komponenten verbessert sich deutlich.
Wenn die Wärmestromdichte des Kühlers 0,1 W/㎡ überschreitet, kann eine normale Luftkühlung den Wärmeableitungsbedarf nicht mehr erfüllen, und die meisten Lösungen verwenden Flüssigkeitskühlung zur Wärmeableitung. Im Vergleich zur herkömmlichen Selbstkühlung und Luftkühlung bietet die Flüssigkeitskühlung die Vorteile einer starken Wärmeableitungskapazität, Abdichtung und Staubschutz sowie flexibler Nutzung und wird häufig zur Wärmeableitung von Stromprodukten verwendet.
Das Funktionsprinzip der Flüssigkeitskühlung besteht darin, die von Hochleistungselektronikkomponenten auf der Oberfläche der flüssigkeitsgekühlten Platte abgegebene Wärme durch das Kühlmittel abzuführen, das durch die in der Platte verarbeiteten Strömungskanäle fließt, wodurch die Wärmeableitung der gesamten Ausrüstung erreicht wird. Als Kernkomponente des Flüssigkeitskühlsystems bestimmt die Wärmeableitungsleistung der Flüssigkeitskühlplatte direkt die Gesamtleistung des Kühlsystems.
In diesem Artikel wurden drei gängige Strömungskanäle für flüssigkeitsgekühlte Platten experimentell getestet und analysiert. Außerdem wurden die Wärmeableitungsfähigkeiten von gerippten flüssigkeitsgekühlten Platten, zylindrischen flüssigkeitsgekühlten Platten und flüssigkeitsgekühlten Platten mit eingebetteten Kupferrohren verglichen.
1. Designmodell und zugehörige Parameter der Flüssigkeitskühlplatte
In diesem Artikel werden drei Arten von Flüssigkeitskühlplatten beschrieben: Flüssigkeitskühlplatten mit Rippen, Flüssigkeitskühlplatten mit zylindrischen Rippen und Flüssigkeitskühlplatten mit eingebetteten Kupferrohren. Die Außenmaße der flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte betragen 300 mm × 227 mm × 22 mm und das Material ist eine Aluminiumlegierung 6063.
Nach Erfahrung der Ingenieure beträgt die Dicke von Rippen im Allgemeinen 1,5 bis 3 mm. Da die Bearbeitung zu dünner Rippen schwierig ist und Vakuumlöten eine bestimmte Rippendicke erfordert, um sie mit der hinteren Abdeckplatte zu verbinden, wird eine Rippendicke von 2 mm gewählt. Um einen übermäßigen Strömungswiderstand zu vermeiden, wird der Nettorippenabstand auf 3 mm eingestellt (im Allgemeinen gilt ein Zahndickenabstand von 1:1 als Grenze der Rippendichte).
Nach Erfahrung der Ingenieure beträgt die Rippenhöhe im Allgemeinen 5 bis 10 mm. Wenn man bedenkt, dass je kürzer die Rippen sind, desto kleiner der Strömungsquerschnitt, desto höher die Strömungsgeschwindigkeit und desto größer der Strömungswiderstand ist, wird die Rippenhöhe innerhalb eines vernünftigen Konstruktionsbereichs auf 8 mm festgelegt.
Der Durchmesser des Zylinders beträgt nach Erfahrungswerten im Allgemeinen 3 bis 5 mm. Da die schmalste Stelle des Kanals nur 20 mm breit ist, beträgt der Zylinderdurchmesser 3 mm, um sicherzustellen, dass sich in Breitenrichtung des schmalen Kanals zwei Zylinder befinden. Der Mindestabstand zwischen den Zylindern beträgt 3 mm und die Säulenhöhe ebenfalls 8 mm.
Die eingebettete Flüssigkeitskühlplatte aus Kupferrohr besteht aus einem Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einer Wandstärke von 1 mm, das in die Flüssigkeitskühlplatte eingebettet und dann abgeflacht und fixiert wird. Zwischen dem Kupferrohr und der Flüssigkeitskühlplatte wird Epoxidharzkleber eingefüllt, um den thermischen Kontaktwiderstand zu verringern.
Abmessungen von gerippten und zylindrischen Flüssigkeitskühlplattenstrukturen
Abmessungen von eingebetteten Flüssigkeitskühlplattenstrukturen aus Kupferrohren
Interner Strömungskanal der gerippten Flüssigkeitskühlplatte
Interner Strömungskanal einer zylindrischen Flüssigkeitskühlplatte
Die Dicke des flüssigkeitsgekühlten Kühlplattensubstrats beträgt einheitlich 10 mm. Dadurch kann der Diffusionswärmewiderstand vollständig reduziert und ein Durchbrechen der Schrauben durch den Wasserkanal vermieden werden.
Die Wärmequellenverteilung der flüssigkeitsgekühlten Platte ist unten dargestellt. Die flüssigkeitsgekühlte Kühlplatte besteht aus 5 Modulen, die Wärme erzeugen und gleichmäßig auf dem Strömungskanal angeordnet sind. Über der flüssigkeitsgekühlten Platte befinden sich zwei IGBT-Module mit jeweils einem Wärmeverbrauch von 600 W; darunter befinden sich drei Diodenmodule mit jeweils einem Wärmeverbrauch von 200 W und einem Gesamtwärmeverbrauch von 1800 W. Um den thermischen Kontaktwiderstand zu verbessern, wird Wärmeleitpaste zwischen das Heizmodul und die flüssigkeitsgekühlte Platte gefüllt.
Messsystem
Das Hauptmesssystem dieses Prüfstands ist in der folgenden Abbildung dargestellt und umfasst Durchflussmessung, Druckmessung und Temperaturmessung.
Die Anordnung der Temperaturmesspunkte ist in der Abbildung dargestellt. Für dieses Experiment wurden insgesamt 8 Temperaturmesspunkte eingerichtet. Davon sind T1 bis T6 auf der Flüssigkeitskühlplatte angeordnet, und die anderen beiden Punkte dienen zur Messung der Einlass- und Auslassflüssigkeitstemperaturen, die jeweils auf den Dreiwegeventilen der Einlass- und Auslassdruckmesser angeordnet sind. Der Grund, warum die Temperaturpunkte zur Messung des Wasserzuflusses und -abflusses hier, getrennt von der Flüssigkeitskühlplatte, angeordnet sind, besteht hauptsächlich darin, eine Beeinträchtigung durch das Heizsystem auf der Flüssigkeitskühlplatte zu vermeiden.
Testen und Datenanalyse
Dabei wurden drei Arten flüssigkeitsgekühlter Platten getestet und die in den Tabellen 1, 2 und 3 dargestellten Testdaten ermittelt.
Durch die Analyse der Testdaten wurde festgestellt, dass unter denselben Bedingungen von Durchflussrate und Eingangstemperatur die Temperatur an jedem Temperaturmesspunkt der gerippten Flüssigkeitskühlplatte am niedrigsten ist, gefolgt von der zylindrischen Flüssigkeitskühlplatte, und die Flüssigkeitskühlplatte mit eingebettetem Kupferrohr hat die höchste Temperatur.
Die Durchschnittstemperatur einer zylindrischen Flüssigkeitskühlplatte ist 2,5 Grad höher als die einer gerippten Flüssigkeitskühlplatte, die Durchschnittstemperatur einer in ein Kupferrohr eingebetteten Flüssigkeitskühlplatte ist 8,5 Grad höher als die einer gerippten Flüssigkeitskühlplatte und die Durchschnittstemperatur einer in ein Kupferrohr eingebetteten Flüssigkeitskühlplatte ist 6 Grad höher als die einer zylindrischen Flüssigkeitskühlplatte.
Tabelle 1 Testdaten der gerippten Flüssigkeitskühlplatte
Tabelle 2 Testdaten der zylindrischen Flüssigkeitskühlplatte
Tabelle 3 Testdaten der eingebetteten Flüssigkeitskühlplatte aus Kupferrohr
Abschluss
In diesem Artikel wurden drei gängige flüssigkeitsgekühlte Platten experimentell getestet: gerippte flüssigkeitsgekühlte Platten, zylindrische flüssigkeitsgekühlte Platten und flüssigkeitsgekühlte Platten mit eingebetteten Kupferrohren.
Nach der Analyse der Testdaten wurde festgestellt, dass unter denselben Betriebsbedingungen die gerippte Flüssigkeitskühlplatte die niedrigste Testtemperatur und die beste Wärmeableitungswirkung hatte. Die zylindrische Flüssigkeitskühlplatte liegt mit einer um 2,5 Grad höheren Durchschnittstemperatur als die der gerippten Flüssigkeitskühlplatte auf Platz zwei. Die Flüssigkeitskühlplatte vom Kupferrohrtyp hat mit einer um 8,5 Grad höheren Durchschnittstemperatur als die der Flüssigkeitskühlplatte vom Rippentyp die höchste Testtemperatur und die schlechteste Wärmeableitungswirkung.
Obwohl die Wärmeableitungswirkung der eingebetteten Rohrflüssigkeitskühlplatte schlecht ist, sind ihre Verarbeitungskosten unter diesen drei Arten von Flüssigkeitskühlplatten am niedrigsten. Unter der Prämisse der thermischen Konstruktionstoleranz können durch die Verwendung der eingebetteten Kupferrohrflüssigkeitskühlplatte Kosten gesenkt werden.
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