전력 장비의 통합, 복잡성, 지능화가 증가함에 따라 구성 요소의 수도 꾸준히 증가하고 있으며, 구성 요소의 전력 밀도도 크게 향상되고 있습니다.
라디에이터의 열유속 밀도가 0.1W/㎡를 초과하면 일반적인 공랭으로는 더 이상 방열 요구 사항을 충족할 수 없으며 대부분의 솔루션은 방열을 위해 액체 냉각을 사용합니다. 기존의 자체 냉각 및 공랭과 비교할 때 액체 냉각은 강력한 열 전달 용량, 밀봉 및 먼지 방지, 유연한 사용의 장점이 있으며 전력 제품의 방열에 널리 사용됩니다.
액체 냉각의 작동 원리는 액체 냉각판 표면에 배치된 고전력 전자 부품에서 방출되는 열을 판 내부에서 처리된 흐름 채널을 통해 흐르는 냉각수로 제거하여 전체 장비의 방열을 달성하는 것입니다. 액체 냉각 시스템의 핵심 구성 요소인 액체 냉각판의 방열 성능은 냉각 시스템의 전체 성능을 직접 결정합니다.
이 논문에서는 실험을 통해 세 가지 일반적인 액체 냉각판 흐름 채널을 시험하고 분석했으며, 핀이 달린 액체 냉각판, 원통형 액체 냉각판 및 구리 튜브가 내장된 액체 냉각판의 열 발산 능력을 비교했습니다.
1. 액체 냉각판의 설계 모델 및 관련 매개변수
이 글에서는 세 가지 유형의 액체 냉각판을 설계합니다. 핀 핀 액체 냉각판, 원통형 핀 액체 냉각판, 임베디드 구리 튜브 액체 냉각판입니다. 액체 냉각 냉각판의 외부 치수는 300mm × 227mm × 22mm이고 재료는 6063 알루미늄 합금입니다.
엔지니어링 경험에 따르면, 핀 핀의 두께는 일반적으로 1.5~3mm입니다. 가공이 너무 얇다는 점을 고려하면 진공 브레이징은 후면 커버 플레이트와 연결하기 위해 특정 핀 두께가 필요하므로 2mm의 핀 두께를 선택합니다. 과도한 흐름 저항을 피하기 위해 순 핀 간격은 3mm로 설정됩니다(일반적으로 1:1의 이빨 두께 이빨 간격이 핀 밀도의 한계로 간주됩니다).
엔지니어링 경험에 따르면 핀 높이는 일반적으로 5~10mm입니다. 핀이 짧을수록 유동 단면적이 작아지고 유동 속도가 높아지고 유동 저항이 커지므로 합리적인 설계 범위 내에서 핀 높이는 8mm로 설정됩니다.
실린더의 직경은 엔지니어링 경험에 따라 일반적으로 3~5mm입니다. 채널 폭의 가장 좁은 부분이 20mm에 불과하다는 점을 고려하여 좁은 채널의 폭 방향에 두 개의 실린더가 있도록 실린더 직경을 3mm로 설계합니다. 실린더 사이의 최소 클리어 거리는 3mm로 설정되고 컬럼 높이도 8mm로 설정됩니다.
매립형 구리관 액체 냉각판은 외경 10mm, 벽 두께 1mm의 구리관을 액체 냉각판에 매립한 후 평평하게 펴서 고정합니다. 구리관과 액체 냉각판 사이에 에폭시 수지 접착제를 채워 접촉 열 저항을 줄입니다.
핀형 및 원통형 액체 냉각판 구조의 치수
내장형 구리관 액체 냉각판 구조의 치수
핀형 액체 냉각판의 내부 흐름 채널
원통형 액체 냉각판의 내부 흐름 채널
액체 냉각 냉각판 기판의 두께는 10mm로 균일하게 설계되어 확산 열 저항을 충분히 줄이고 나사가 수로를 뚫고 나가는 것을 방지할 수 있습니다.
액체 냉각판의 열원 분포는 아래와 같습니다. 액체 냉각 냉각판은 열을 발생시키고 흐름 채널에 고르게 배열된 5개의 모듈로 구성됩니다. 액체 냉각판 위에는 2개의 IGBT 모듈이 있으며, 각각 열 소모량은 600W입니다. 아래에는 3개의 다이오드 모듈이 있으며, 각각 열 소모량은 200W이고 총 열 소모량은 1800W입니다. 접촉 열 저항을 개선하기 위해 가열 모듈과 액체 냉각판 사이에 열 그리스를 채웁니다.
측정 시스템
다음 그림은 유량 측정, 압력 측정, 온도 측정을 포함한 이 테스트 벤치의 주요 측정 시스템을 보여줍니다.
온도 측정 지점의 배치는 그림에 나와 있습니다. 이 실험을 위해 총 8개의 온도 측정 지점이 배치되었습니다. 그 중 T1~T6은 액체 냉각판에 배치되고, 나머지 두 지점은 입구 및 출구 유체 온도를 측정하는 데 사용되며, 각각 입구 및 출구 압력계의 3방향 밸브에 배치됩니다. 물의 유입 및 유출을 측정하기 위한 온도 지점을 액체 냉각판과 분리하여 여기에 배치한 이유는 주로 액체 냉각판의 가열 시스템의 영향을 받지 않기 위한 것입니다.
테스트 및 데이터 분석
이 연구에서는 세 가지 유형의 액체 냉각판을 테스트하여 표 1, 2, 3에 표시된 대로 테스트 데이터를 얻었습니다.
시험 데이터 분석을 통해 동일한 유량과 입구 온도 조건에서 핀형 액체 냉각판의 각 온도 측정 지점의 온도가 가장 낮고, 그 다음으로 원통형 액체 냉각판, 매립형 구리관 액체 냉각판의 온도가 가장 높은 것으로 나타났습니다.
원통형 액체 냉각판의 평균 온도는 핀형 액체 냉각판보다 2.5도 높고, 구리 튜브가 내장된 액체 냉각판의 평균 온도는 핀형 액체 냉각판보다 8.5도 높고, 구리 튜브가 내장된 액체 냉각판의 평균 온도는 원통형 액체 냉각판보다 6도 높습니다.
표 1 핀형 액체 냉각판의 시험 데이터
표 2 원통형 액체 냉각판의 시험 데이터
표 3 내장형 구리관 액체 냉각판의 시험 데이터
결론
이 논문에서는 핀이 달린 액체 냉각판, 원통형 액체 냉각판, 내장형 구리 튜브 액체 냉각판 등 세 가지 일반적인 액체 냉각판을 실험을 통해 테스트했습니다.
시험 데이터를 분석한 결과, 동일한 작동 조건에서 핀형 액체 냉각판이 시험 온도가 가장 낮고 방열 효과가 가장 좋은 것으로 나타났습니다. 원통형 액체 냉각판은 두 번째로, 평균 온도가 핀형 액체 냉각판보다 2.5도 더 높습니다. 구리관형 액체 냉각판은 시험 온도가 가장 높고 방열 효과가 가장 낮았으며, 평균 온도가 핀형 액체 냉각판보다 8.5도 더 높습니다.
임베디드 튜브 액체 냉각판의 방열 효과는 낮지만, 이 세 가지 유형의 액체 냉각판 중에서 가공 비용이 가장 낮습니다. 열 설계 허용치의 전제 하에 구리 튜브 임베디드 액체 냉각판을 사용하면 비용을 절감할 수 있습니다.
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