액체 냉각판의 열전달 성능은 주로 대류 열전달 계수와 열원 표면 온도의 균일성과 관련이 있습니다.
액체 냉각판의 열전달이 충분히 빠른지, 표면 온도가 균일한지, 국부적인 온도차가 큰지 여부는 모두 액체 냉각판의 성능을 판단하는 지표입니다.
그림에서 보듯이, 시중에 판매되는 수냉판에 내부 유로 핀을 설계하면 물의 흐름과 방열 표면의 접촉 면적이 늘어날 뿐만 아니라 대류 흐름 속도도 빨라져 대류 열전달 계수가 커져 방열에 더 유리해집니다.
수냉판 내부의 유동 채널 폭을 조절함으로써 대류 열전달 계수를 향상시킬 수 있습니다. 폭이 좁을수록 냉각수 유량이 높아지고 자연 대류 열전달 계수가 높아집니다. 채널 폭을 직접 변경하는 것 외에도 채널에 여러 겹의 핀을 추가하여 더 좁은 마이크로 채널을 형성하고 방열 면적을 늘릴 수도 있습니다.
열원 표면 온도의 균일성을 개선하는 것은 흐름 채널 레이아웃 설계를 최적화하는 것으로 시작할 수 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 그림 1을 최적화한 후, 그림 2의 온도 차이는 5% 감소한 반면, 열 전달 효율은 39% 증가했습니다. 따라서 공정 레이아웃 설계를 최적화하면 열 전달을 강화하고 온도 균일성을 개선할 수 있습니다.
열 발산 시뮬레이션
ANSYS Workbench 플랫폼을 사용하여 액체 냉각판의 열 발산을 시뮬레이션하는 전체 프로세스를 소개합니다. 다음은 다양한 채널 구조를 가진 네 가지 버전의 액체 냉각판 A, B, C, D의 시뮬레이션 결과를 통해 액체 냉각판의 최적화 설계를 설명합니다. 먼저, 하단 플레이트 온도 클라우드 맵을 비교합니다.
모델을 통해 A 버전 액체 냉각판의 핀이 더 넓고 불연속적인 것을 알 수 있습니다. B 버전 액체 냉각판의 핀은 좁고 불연속적입니다. C 버전 액체 냉각판의 핀은 너비가 고르지 않고 끝이 넓고 가운데가 좁으며 역시 불연속적입니다. D 버전 액체 냉각판은 너비가 좁고 연속적입니다.
온도 클라우드 맵을 해당 지점 온도와 비교함으로써, 4번째 버전 액체 냉각판의 온도는 IGBT 보드의 접촉 부분에서 비교적 균일하다는 것을 알 수 있습니다. 차이가 크지는 않지만, 핀 폭이 더 넓은 A와 C의 전체 온도는 여전히 핀 폭이 더 좁은 B와 D보다 약간 낮습니다. 그리고 전반적으로 C는 가장 좋은 온도 효과를 가지고 있는 반면, D는 높은 국부 온도와 최악의 전체 온도 효과를 가지고 있습니다(바텀 플레이트의 다른 쪽과 커버 플레이트의 온도 클라우드 맵도 비슷한 결과를 보여줍니다). 가시 온도는 핀의 폭과 관련이 있습니다.
그런 다음 흐름 채널 내부의 속도 클라우드 맵을 비교합니다.
핀 폭이 넓은 채널 A와 C의 유속은 일반적으로 핀 폭이 좁은 채널 B와 D보다 더 높은 것을 볼 수 있습니다. 핀이 넓을수록 물의 유속이 빠르고 냉각 효과가 더 좋습니다.
그러나 물의 흐름을 위한 공간도 있어야 합니다. A의 흐름 채널 모서리에 기둥이 있고 핀의 너비가 균일하기 때문에 전체 흐름 속도는 C보다 빠릅니다.
그러나 연속 핀 D는 일부 영역에서 매우 낮거나 정체된 흐름 속도를 갖는 반면 불연속 핀 A, B, C는 그러한 상황이 없습니다. 따라서 속도 클라우드 맵에 따르면 A는 더 나은 효과를 갖는 반면 D는 더 나쁜 효과를 갖는 것을 볼 수 있습니다.
속도 벡터 단면도를 통해 관찰하고 비교하세요.
D의 국소적 중단을 제외하고 나머지 3개의 수냉판의 유동 채널의 속도 벡터는 매우 연속적이고 정상적임을 알 수 있습니다. 따라서 불연속 핀의 결과는 연속 핀의 결과보다 좋습니다.
또한 다른 후처리 이미지를 사용하여 다른 물리량을 관찰하고 분석, 비교, 최적화할 수 있는데, 여기서는 더 이상 설명하지 않습니다. 위의 세 가지 분석을 바탕으로 A와 C가 비교적 양호하지만 실제 처리 상황과 비용을 고려하여 추가 조정이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
요약
이 예는 주로 핀의 폭과 모양의 차이를 최적화에 활용하고, 물론, 흐름 채널의 폭과 모양과 다른 디자인도 최적화를 위해 변경할 수 있으며, 자연스럽게 다른 결과가 나옵니다. 그러나 디자인과 관계없이 처리 절차와 비용의 영향도 고려해야 합니다.
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