Forschung zum Design einer Flüssigkeitskühlplatte mit Spiralströmungskanal für eine 1200-W-Wärmequelle

Im Wärmeableitungssystem von 1200-W-Leistungsgeräten weisen herkömmliche gerade Kanalplatten häufig Probleme wie lokale Wärmestauung und geringe Wärmeaustauscheffizienz auf. Dieses Design zielt auf eine Laufradplatte mit den Abmessungen 150 mm × 150 mm und einer Dicke von 25 mm ab, die einer Wärmequelle mit einem Durchmesser von 140 mm entspricht. Durch die Optimierung des Flüssigkeitsflusses durch einen spiralförmigen Strömungskanal wird eine gleichmäßige Wärmeübertragung und effiziente Wärmeableitung von der Wärmequelle erreicht, wodurch die Anforderungen an die Wärmeableitung für einen langfristig stabilen Betrieb des Geräts erfüllt werden. Design mit Rührreibschweißen Verfahren mit Bodenplatte und Deckplatte

Mit der „Anpassung an die Wärmequelle und Optimierung des Strömungsfeldes“ als Kern werden die Schlüsselparameter des spiralförmigen Strömungskanals bestimmt, um eine genaue Übereinstimmung mit den Wärmeableitungsanforderungen der 1200-W-Wärmequelle und den Abmessungen der Laufradplatte zu gewährleisten:

Die Breite des Strömungskanals ist auf 8 mm eingestellt, die Tiefe beträgt 18 mm (eine Plattendicke von 7 mm ist reserviert, um die strukturelle Festigkeit zu gewährleisten). Die Länge eines einkreisigen Strömungskanals beträgt ungefähr 439.6 mm (berechnet basierend auf dem Durchmesser der Wärmequelle von 140 mm), bei insgesamt 2.5 Kreisen ergibt sich eine Gesamtlänge des Strömungskanals von etwa 1099 mm.

Ein konstanter Steigungswinkel von 15° wird gewählt, um den Strömungswiderstand und die Wärmeaustauschkontaktfläche auszugleichen. Ein zu kleiner Steigungswinkel führt tendenziell zu Flüssigkeitsstagnation, während ein zu großer Steigungswinkel die Wärmeaustauschzeit verkürzt. Ein 15°-Winkel ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeübertragung der von der 1200-W-Wärmequelle erzeugten Wärme entlang des Strömungskanals ohne lokale Ansammlung.

Einlass und Auslass befinden sich jeweils an den gegenüberliegenden Ecken der Laufradplatte (20 mm vom Rand entfernt). Der Einlassdurchmesser beträgt 10 mm und der Auslassdurchmesser 12 mm und ist mit herkömmlichen Wärmeableitungsflüssigkeitsleitungen kompatibel. Gleichzeitig werden Interferenzen zwischen den Einlass- und Auslassflüssigkeiten vermieden und die Stabilität des Strömungsfelds gewährleistet.

• Maximierte Wärmeaustauschfläche: Im Vergleich zu geraden Kanälen gleicher Größe vergrößert der Spiralströmungskanal die Wärmeaustauschfläche um etwa 60 %, wodurch er den Heizbereich der Wärmequelle mit 140 mm Durchmesser vollständig erreichen und die von der 1200-W-Leistung erzeugte Wärme schnell absorbieren kann.

• Keine toten Zonen im Strömungsfeld: Der Spiralpfad ermöglicht der Flüssigkeit (z. B. Kühlflüssigkeit) einen „Spiralkreislauf“ innerhalb der 25 mm dicken Platte, wodurch das Problem des „Kurzschlussflusses“ gerader Kanäle vermieden wird. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Temperatur im 140 mm großen Wärmequellenbereich, wobei die Temperaturdifferenz auf 5 °C begrenzt bleibt.

•Strukturelle Kompatibilität: Die Außenmaße von 150 mm × 150 mm können direkt an den Installationsraum der meisten Geräte der 1200-W-Klasse angepasst werden. Die Dicke von 25 mm sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmeableitungseffizienz und Gerätekompaktheit, ohne dass zusätzliche Anpassungen an der Gerätestruktur erforderlich sind.

Beim Betrieb der 1200-W-Wärmequelle wird die Wärme durch Wärmeleitung auf den Laufradkörper übertragen. Die Flüssigkeit (z. B. Wärmeleitöl oder Kühlflüssigkeit) fließt im spiralförmigen Strömungskanal mit einem Steigungswinkel von 15° durch den Strömungskanal. Über die gesamte Länge des Strömungskanals von 1099 mm nimmt sie durch konvektiven Wärmeaustausch kontinuierlich Wärme auf. Gleichzeitig verstärkt die Spiralstruktur des spiralförmigen Strömungskanals den Turbulenzeffekt der Flüssigkeit und erhöht so die Wärmeaustauscheffizienz im Vergleich zur laminaren Strömung um ca. 40 %. Dies sorgt für eine schnelle Abkühlung der 1200-W-Wärmequelle und stellt sicher, dass die Temperatur der Kernkomponenten des Geräts innerhalb des sicheren Bereichs bleibt.

Um die Machbarkeit des Entwurfs weiter zu überprüfen, können die folgenden zwei Aspekte durchgeführt werden:

1. Simulationsüberprüfung: Verwenden Sie eine Simulationssoftware für numerische Strömungsdynamik (CFD) Ansys 2022 R1 um das Strömungsfeld und das Temperaturfeld unter der 1200-W-Wärmequelle zu simulieren und zu überprüfen, ob die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im spiralförmigen Strömungskanal (es wird empfohlen, sie auf 0.8–1.2 m/s zu regeln) und die maximale Temperatur im Wärmequellenbereich die Konstruktionsziele erfüllen.

2. Physikalische Prüfung: Fertigen Sie eine Probe einer Laufradplatte mit Spiralströmungskanal und den Abmessungen 150 × 150 × 25 mm, statten Sie sie mit einer simulierten Wärmequelle mit 140 mm Durchmesser und 1200 W aus, testen Sie die Wärmeableitungseffizienz bei unterschiedlichen Strömungsraten, vergleichen Sie den Kühleffekt mit der herkömmlichen Laufradplatte mit geradem Kanal und optimieren Sie die Strömungskanaldetails.

Dieses Design basiert auf den drei Kernbedingungen einer 1200-W-Wärmequelle: der Größe der Laufradplatte von 150 × 150 × 25 mm und dem Durchmesser der Wärmequelle von 140 mm. Durch die Parameteroptimierung und das strukturelle Design des spiralförmigen Strömungskanals wird ein Gleichgewicht zwischen Wärmeaustauschfläche, Strömungsfeldstabilität und struktureller Kompatibilität auf begrenztem Raum erreicht. Es bietet eine effiziente und kompakte Wärmeableitungslösung für Geräte der 1200-W-Klasse und liefert gleichzeitig referenzierbare Parameter und Ideen für die Strömungskanalgestaltung von Laufradplatten ähnlicher Größe.