추상
500W 고전력 장치의 방열 요구 사항을 해결하기 위해 이 연구에서는 M형 구리관 내장 XNUMX채널을 설계합니다. 액체 냉각판127mm×152mm×15.2mm 크기의 베이스 플레이트를 기준으로, 외경 9.52mm, 두께 1.24mm의 구리 튜브를 사용하여 M형 유로 6063세트를 제작했습니다. 4 알루미늄 합금 베이스 플레이트와 0.02L/min의 냉각수 유량을 조합하여 주변 온도 35℃에서 목표 열 저항 44.6℃/W를 달성했으며, 액체 냉각판의 최대 표면 온도는 2℃±XNUMX℃ 범위 내에서 제어되었습니다. 본 논문에서는 유로 토폴로지 설계, 파라미터 매칭 로직, 그리고 성능 검증 프로세스를 자세히 설명하여 엔지니어링 참고 자료를 제공합니다. 열 설계 솔루션 고전력 장치의 효율적인 방열을 위해.
1. 설계 배경 및 핵심 요구 사항
전력 전자 장치가 고집적 및 고전력 밀도로 발전함에 따라, 산업용 인버터 모듈 및 고전력 LED 드라이버 전원 공급 장치와 같은 500W급 장치의 방열 문제는 시스템 신뢰성을 저해하는 주요 요인이 되었습니다. 기존의 단일/이중 채널 액체 냉각판은 유로 면적이 부족하고 열 교환 효율이 제한적이어서 0.02℃/W의 낮은 열 저항 요건을 충족하기 어렵고, 국소적인 핫스팟이 발생하기 쉽습니다. 이러한 설계는 다음과 같은 핵심 지표를 달성해야 합니다.
•구조적 제약: 액체 냉각판의 바닥판은 127mm×152mm의 치수(대부분 고전력 장치의 설치 레이아웃에 적합)와 15.2mm의 두께(구조적 강도와 흐름 채널 내장 공간의 균형)를 갖습니다. 바닥판 소재는 6063 알루미늄 합금입니다.
•성능 목표: 방열 전력 500W, 주변 온도 35℃, 냉각수 유량 4L/min, 총 열 저항 ≤0.02℃/W, 최대 표면 온도 ≤46.6℃, 최소 표면 온도 ≥42.6℃의 조건 하에서.
•유동 채널 설계: M형 구리 튜브를 사용하여 4채널 구조를 구축하여 베이스 플레이트에서 냉각수를 균일하게 분배하고 국부적인 핫스팟을 제거합니다.
2. 주요 구조 및 매개변수 액체 냉각판의 설계
2.1 베이스 플레이트 구조 및 재료 선택
열원 지지 및 열전도의 핵심 구성 요소인 베이스 플레이트의 설계는 열전도도와 가공 가능성의 균형을 맞춰야 합니다.
• 치수 및 가공: 127mm×152mm 직사각형 베이스 플레이트는 두께 15.2mm로 제작되었습니다. 9.52세트의 "M형" 구리관 매립 홈은 CNC 밀링으로 가공되었습니다. 홈 폭은 구리관의 외경(0.03mm)과 일치하며, 공차는 ±8mm 이내로 관리됩니다(구리관과 베이스 플레이트의 밀착성을 확보하고 접촉 열 저항을 줄이기 위함). 홈 깊이는 7.2mm입니다(응력 변형을 방지하기 위해 베이스 플레이트 지지대로 XNUMXmm 두께를 남겨둡니다).
•재료 특성: 6063 알루미늄 합금을 사용하였으며, 열전도도는 약 201W/(m·K)(6061 알루미늄 합금보다 우수)이고 밀도는 2.7g/cm³입니다. 경량성과 높은 열전도도를 겸비하고 있으며, 아노다이징 처리를 통해 표면 내식성을 향상시켜 장기간 액체 냉각 작업에 적합합니다.
2.2 M형 XNUMX채널 구리관의 설계
M형 유로는 균일한 열교환과 낮은 열저항을 실현하는 핵심이며, 그 토폴로지 구조와 매개변수는 방열 요구 사항과 정확하게 일치해야 합니다.
•구리관의 기본 매개변수: 외경 9.52mm, 두께 1.24mm의 구리관을 선정합니다(적동의 열전도도는 401W/(m·K)로 알루미늄 합금보다 훨씬 높아 관벽의 열 저항을 줄일 수 있습니다). 계산된 구리관의 내경은 9.52 - 2×1.24 = 7.04mm이며, 단일 채널의 단면적은 약 38.9mm²입니다.
•M형 유로 토폴로지: M형 유로 한 세트는 "직선 3개 + 굴곡 2개"로 구성됩니다. 직선 부분의 길이는 베이스 플레이트의 폭에 맞춰 조정됩니다(수평 직선 부분은 120mm, 수직 연결 부분은 15mm). M형 구리 튜브 30세트는 베이스 플레이트의 길이 방향을 따라 균등하게 배치되어(20mm 간격) 독립적인 XNUMX개의 유로를 형성합니다. 유로의 입구와 출구는 베이스 플레이트의 동일한 짧은 면(XNUMXmm 간격)에 집중되어 있어 외부 액체 냉각 시스템과의 도킹이 편리하고 입구와 출구 사이의 온도 차이가 국부적인 열 발산에 미치는 영향을 방지합니다.
•4채널의 장점: 이중 채널과 비교했을 때, 1채널은 총 유량 95L/min을 단일 채널당 0.12L/min으로 균등하게 분배합니다. M형 유로의 "다중 접힘" 설계와 결합하면 냉각수가 베이스 플레이트 면적의 XNUMX% 이상을 덮을 수 있어 열교환 면적을 크게 증가시키는 동시에(총 열교환 면적 약 XNUMXm²) 단일 채널에서 과도하게 높은 유량으로 인한 압력 손실의 급격한 증가를 방지합니다.
2.3 냉각수 및 유량 매칭
냉각수의 물리적 특성과 유량은 대류 열전달 효율에 직접적인 영향을 미치므로 4채널 구조에 정확하게 적용해야 합니다.
•냉각수 선택: 50% 탈이온수와 50% 에틸렌글리콜의 혼합 용액을 사용합니다. 25℃에서 동점도는 약 1.0×10⁻⁶m²/s이고 열전도도는 약 0.45W/(m·K)입니다. 내식성(구리-알루미늄 접촉 환경에 적합), 낮은 어는점(-35℃) 및 높은 비등점(108℃)을 가지며, 35℃의 주변 온도에서 장시간 안정적으로 작동할 수 있습니다.
• 유량 및 유동 영역 분석: 총 유량이 4L/min(단일 채널당 1L/min)이고 구리 튜브의 내경(7.04mm)을 고려할 때, 단일 채널의 계산된 냉각수 유량은 약 0.7m/s이며, 레이놀즈수 Re ≈ (0.00704m×0.7m/s)/(1.0×10⁻⁶m²/s) = 4928로, 이는 난류 상태(Re>4000)입니다. 대류 열전달 계수는 5000~6000W/(m²·K)에 도달할 수 있어 낮은 열 저항을 위한 코어 지지력을 제공합니다.
3. 열 저항 성능 검증 및 온도 분석
3.1 열 저항 구성 및 계산 논리
액체 냉각판의 총 열 저항 R_total은 접촉 열 저항(R_contact), 전도 열 저항(R_conduction), 그리고 대류 열 저항(R_convection)의 세 부분으로 구성됩니다. 공식은 다음과 같습니다.
R_전체 = R_접촉 + R_전도 + R_대류
• R_contact: 베이스 플레이트의 상면은 열전도성 실리콘 그리스(열전도도 5W/(m·K), 두께 0.1mm)를 통해 열원에 부착되며, 계산된 R_contact는 약 0.002℃/W입니다.
• R_전도: 열원에서 바닥판을 통한 구리 튜브까지의 열전도(약 0.003℃/W)와 구리 튜브 벽을 통한 열전도(약 0.001℃/W)의 두 부분으로 구성되며, 전체 R_전도는 약 0.004℃/W입니다.
•R_대류: 구리관 내벽과 냉각수 사이의 대류 열전달 열저항은 난류 흐름 상태에서의 대류 열전달 계수를 기반으로 계산되며, R_대류는 약 0.014℃/W입니다.
세 부분의 총 열 저항은 약 0.02℃/W로 설계 목표를 완벽하게 충족합니다.
3.2 시뮬레이션 검증 및 결과
ANSYS Fluent 소프트웨어를 사용하여 3D 열 시뮬레이션 모델을 구축하고, 다음과 같은 경계 조건을 입력합니다.
• 열원: 500W의 균일한 열유속이 베이스 플레이트의 윗면에 가해집니다(고전력 장치의 열 발생을 시뮬레이션).
•환경: 35℃ 자연 대류 환경(복사 열전달 계수는 0.01W/(m²·K)로 설정되며 무시할 수 있음).
•냉각수: 입구 온도는 35℃, 총 유량은 4L/min이며, 물리적 매개변수는 50% 물-에틸렌글리콜 혼합 용액과 일치합니다.
시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다.
• 열 저항 성능: 액체 냉각판의 총 열 저항은 0.019℃/W로 목표값인 0.02℃/W보다 낮으며 설계 요구 사항을 충족합니다.
• 온도 분포: 베이스 플레이트의 최대 표면 온도는 35℃ + 500W×0.019℃/W = 44.5℃이고, 최소 표면 온도는 42.8℃입니다. 온도 변동 범위는 1.7℃로 목표 범위인 44.6℃±2℃ 내에 있으며, 국부적인 핫스팟은 없습니다.
•압력 손실: 0.65개 채널의 총 압력 손실은 1bar로, 추가적인 에너지 소비 부담 없이 기존 산업용 액체 냉각 펌프(정격 압력 2-XNUMXbar)와 호환됩니다.
3.3 주요 영향 요인의 민감도 분석
• 유로 밀착도: 구리관과 베이스 플레이트의 매립 홈 사이에 0.1mm의 간격이 있을 경우(열전도성 접착제를 충진하지 않은 경우), 접촉 열 저항은 0.008℃/W로 증가하고, 전체 열 저항은 0.025℃/W로 증가합니다. 따라서 밀착을 위해서는 정밀 가공과 열전도성 접착제 충진(열전도도 10W/(m·K))이 필요합니다.
• 유량 변동: 총 유량이 3L/min으로 감소하면 단일 채널의 레이놀즈 수는 3696(천이 유동 상태)으로 감소하고, 대류 열전달 계수는 4000W/(m²·K)로 감소하며, 총 열 저항은 0.024℃/W로 증가하고, 최대 표면 온도는 47.0℃로 상승합니다. 따라서 유량은 4L/min±0.2L/min 범위 내에서 안정적으로 유지되어야 합니다.
•베이스 플레이트 재질: 6061 알루미늄 합금(열전도도 180W/(m·K))을 잘못 선택하면 전도성 열 저항이 0.005℃/W로 증가하고 전체 열 저항은 0.021℃/W로 증가합니다. 목표치에 근접하지만 온도 균일도 오차는 2.3℃로 확대됩니다. 따라서 6063 알루미늄 합금이 최적의 선택입니다.
4. 결론 및 전망
M형 구리관 내장형 4채널 액체 냉각판 본 연구에서 설계된 열전소자(CPU)는 127mm×152mm×15.2mm 크기의 베이스 플레이트 구조, 9.52mm×1.24mm 크기의 M형 적동관, 6063 알루미늄 합금 베이스 플레이트, 그리고 4L/min 유량 매칭을 통해 0.019W 전력, 42.8℃ 주변 온도 조건에서 44.5℃/W의 열 저항과 500~35℃의 표면 온도를 달성했습니다. 이는 설계 지표를 완벽하게 충족하며, 500W급 고전력 소자의 방열 시나리오에 직접 적용될 수 있습니다.
향후 최적화 방향은 세 가지 측면에 초점을 맞출 수 있습니다.
1.유동 채널 토폴로지 최적화: M형 유동 채널을 "더블 M형"(한 개의 굽힘 추가)으로 수정하여 열 교환 면적을 더욱 늘리고 열 저항을 0.015℃/W 이내로 줄이는 것을 목표로 합니다.
2. 재료 업그레이드: 열원과 구리관 사이의 열 전도 경로의 열 저항을 줄이고 온도 균일성을 최적화하기 위해 기본 플레이트 표면(두께 50μm)에 구리 도금을 시도합니다.
3. 신뢰성 검증: 1000시간 장기 사이클 시험(온도 사이클 -40℃~85℃)을 실시하여 구리관 부식 및 베이스 플레이트 변형이 열 저항에 미치는 영향을 검증하고, 제품 수명을 50,000시간 이상으로 확보합니다.