電力設備の統合、複雑化、インテリジェント化が進むにつれて、部品の数も増え続け、部品の電力密度も大幅に向上しています。
ラジエーターの熱流密度が0.1W/㎡を超えると、通常の空冷では放熱要件を満たすことができなくなり、ほとんどのソリューションでは放熱に液体冷却を使用します。従来の自己冷却や空冷と比較して、液体冷却は、強力な熱容量、密閉性と防塵性、柔軟な使用などの利点があり、電力製品の放熱に広く使用されています。
液体冷却の動作原理は、液体冷却プレートの表面に配置された高出力電子部品から放出される熱を、プレート内部に加工された流路を流れる冷媒によって除去し、機器全体の放熱を実現することです。液体冷却システムの中核部品として、液体冷却プレートの放熱性能は、冷却システム全体の性能を直接決定します。
この記事では、実験を通じて 3 つの一般的な液冷プレートの流路をテストおよび分析し、フィン付き液冷プレート、円筒形液冷プレート、銅管埋め込み液冷プレートの放熱能力を比較しました。
1. 液体冷却プレートの設計モデルと関連パラメータ
この記事では、フィン付き液体冷却プレート、円筒形フィン付き液体冷却プレート、埋め込み銅管液体冷却プレートの 3 種類の液体冷却プレートを設計します。液体冷却プレートの外形寸法は 300mm × 227mm × 22mm で、材質は 6063 アルミニウム合金です。
エンジニアリングの経験によると、フィン付きフィンの厚さは一般的に1.5〜3mmです。薄すぎると機械加工が難しく、真空ろう付けではリアカバープレートと接続するために一定のフィン厚さが必要であるため、フィンの厚さは2mmが選択されます。過度の流れ抵抗を避けるために、正味のフィン間隔は3mmに設定されています（一般的に、歯厚歯間隔1：1がフィン密度の限界と見なされます）。
エンジニアリングの経験によると、フィンの高さは一般的に5〜10mmです。フィンが短いほど、流れの断面積が小さくなり、流速が上がり、流れの抵抗が大きくなることを考慮して、合理的な設計範囲内で、フィンの高さは8mmに設定されています。
シリンダーの直径は、エンジニアリングの経験に基づいて、一般的に3〜5mmです。チャネル幅の最も狭い部分でも20mmしかないことを考慮して、狭いチャネルの幅方向に2つのシリンダーがあることを保証するために、シリンダー直径は3mmに設計されています。シリンダー間の最小クリア距離は3mmに設定され、柱の高さも8mmに設定されています。
埋め込み銅管液冷プレートは、外径10mm、肉厚1mmの銅管を液冷プレートに埋め込み、平らにならして固定します。銅管と液冷プレートの間にエポキシ樹脂接着剤を充填し、接触熱抵抗を低減します。
フィン付きおよび円筒形の液体冷却プレート構造の寸法
埋め込み銅管液体冷却プレート構造の寸法
フィン付き液体冷却プレートの内部流路
円筒形液体冷却プレートの内部流路
液冷式コールドプレート基板の厚さは均一に10mmに設計されており、拡散熱抵抗を十分に低減し、ネジが水路を突き破るのを防ぎます。
液体冷却プレートの熱源分布を以下に示します。液体冷却プレートは、流路上に均等に配置された熱を発生する 5 つのモジュールで構成されています。液体冷却プレートの上には 2 つの IGBT モジュールがあり、それぞれの熱消費量は 600W です。下には 3 つのダイオード モジュールがあり、それぞれの熱消費量は 200W で、合計熱消費量は 1800W です。接触熱抵抗を改善するために、加熱モジュールと液体冷却プレートの間にはサーマル グリースが充填されています。
測定システム
このテストベンチの主な測定システムは、流量測定、圧力測定、温度測定など、次の図に示されています。
温度測定点の配置を図に示します。この実験では合計 8 つの温度測定点を配置しました。そのうち、T1 から T6 は液体冷却プレート上に配置され、他の 2 つのポイントは入口および出口の流体温度を測定するために使用され、それぞれ入口および出口圧力計の三方弁上に配置されています。水の流入と流出を測定するための温度ポイントを液体冷却プレートから離してここに配置したのは、主に液体冷却プレート上の加熱システムの影響を受けないようにするためです。
テストとデータ分析
これにより、3 種類の液体冷却プレートがテストされ、表 1、2、3 に示すようなテスト データが得られました。
試験データの分析により、同じ流量と入口温度の条件下では、フィン付き液体冷却プレートの各温度測定点の温度が最も低く、次に円筒形液体冷却プレート、埋め込み銅管液体冷却プレートの温度が最も高いことがわかりました。
円筒形液体冷却プレートの平均温度はフィン付き液体冷却プレートの平均温度より 2.5 度高く、銅管埋め込み液体冷却プレートの平均温度はフィン付き液体冷却プレートの平均温度より 8.5 度高く、銅管埋め込み液体冷却プレートの平均温度は円筒形液体冷却プレートの平均温度より 6 度高くなります。
表1 フィン付き液体冷却プレートの試験データ
表2 円筒形液体冷却板の試験データ
表3 埋め込み銅管液体冷却プレートのテストデータ
結論
この記事では、フィン付き液冷プレート、円筒形液冷プレート、埋め込み銅管液冷プレートの 3 つの一般的な液冷プレートを実験でテストしました。
試験データを分析した結果、同じ動作条件下では、フィン付き液冷プレートの試験温度が最も低く、放熱効果が最も優れていることがわかりました。円筒形液冷プレートは2番目で、平均温度はフィン付き液冷プレートより2.5度高く、銅管型液冷プレートは試験温度が最も高く、放熱効果が最も悪く、平均温度はフィン型液冷プレートより8.5度高くなっています。
埋め込み管式液冷プレートは放熱効果は劣りますが、加工コストはこれら3種類の液冷プレートの中で最も低くなっています。熱設計余裕を前提に、銅管埋め込み式液冷プレートを使用するとコストを削減できます。
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