तरल शीतलन प्लेटों के लिए सर्पिल प्रवाह चैनलों पर अनुसंधान

सीमित स्थान में उच्च शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स को ठंडा करने की प्रक्रिया में उत्पन्न होने वाली ऊष्मा अपव्यय संबंधी चुनौतियों को ध्यान में रखते हुए , इस शोधपत्र में उच्च शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स को ठंडा करने के लिए तरल शीतलन प्लेटों के सर्पिल प्रवाह चैनलों पर शोध किया गया है। इसमें 120 मिमी × 50 मिमी × 20 मिमी आयाम वाली यू-प्रकार की तरल शीतलन प्लेट का डिज़ाइन तैयार किया गया है। 100 वाट तापन शक्ति और 1 लीटर/मिनट की कम प्रवाह दर की कार्यशील परिस्थितियों में चिकने सीधे प्रवाह चैनलों और सर्पिल प्रवाह चैनलों के बीच तुलनात्मक अध्ययन किया गया है।

परिणामों से पता चलता है कि सर्पिल प्रवाह चैनल प्रभावी रूप से लैमिनर प्रवाह अवस्था को तोड़ सकता है और अशांत ऊष्मा स्थानांतरण को बढ़ा सकता है। शीतलन प्लेट का अधिकतम सतह तापमान 49.61℃ से घटकर 41.9℃ हो जाता है, जिससे ऊष्मा अपव्यय दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है, जबकि दाब अंतर केवल लगभग 0.1MPa होता है।

दबाव में कमी, तापन शक्ति और प्रवाह दर के बीच मिलान संबंध को अनुकूलित करके, यह कोल्ड प्लेट डिज़ाइन उच्च घनत्व वाले अनुप्रयोगों में उन्नत थर्मल प्रबंधन प्रणालियों के लिए एक प्रभावी कॉम्पैक्ट शीतलन समाधान प्रदान करता है।

खोजशब्दों

यू-आकार की शीतलन प्लेट; सर्पिल प्रवाह चैनल; लैमिनर ब्रेकडाउन; टर्बुलेंट एन्हांसमेंट; कम प्रवाह दर; सघन ऊष्मा अपव्यय

1. परिचय

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लघुकरण, उच्च शक्ति और उच्च एकीकरण की प्रवृत्ति के साथ, घटकों की ऊष्मा प्रवाह घनत्व में तेजी से वृद्धि हुई है। चिकने प्रवाह चैनलों वाली पारंपरिक तरल शीतलन प्लेटें कम प्रवाह दर और छोटे आयतन की स्थितियों में स्थिर लैमिनर प्रवाह को आसानी से बनाए रखती हैं, जिसके परिणामस्वरूप मोटी तापीय सीमा परतें और कम ऊष्मा स्थानांतरण दक्षता होती है। प्रवाह चैनल संरचना का अनुकूलन शीतलन प्रदर्शन को बेहतर बनाने का मुख्य तरीका बन गया है।

अपनी अनूठी कुंडलित संरचना के साथ सर्पिल प्रवाह चैनल, द्रव प्रवाह को बाधित कर सकता है, समतल सीमा परत को नष्ट कर सकता है और अशांति उत्पन्न कर सकता है, जिससे अत्यधिक दबाव में वृद्धि किए बिना ऊष्मा विनिमय दक्षता में सुधार होता है। यह शोधपत्र एक कॉम्पैक्ट यू-प्रकार की शीतलन प्लेट को अनुसंधान वस्तु के रूप में लेता है, 100W ऊष्मा भार और 1 लीटर/मिनट प्रवाह दर के तहत चिकने और सर्पिल प्रवाह चैनलों के ऊष्मा अपव्यय प्रदर्शन की तुलना करता है, धागे की पिच और ऊंचाई के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित करता है, और कॉम्पैक्ट शीतलन परिदृश्यों में सर्पिल चैनलों के अनुप्रयोग लाभों को स्पष्ट करता है।

2. अनुसंधान डिजाइन और पैरामीटर सेटिंग

2.1 मॉडल डिजाइन

यू-टाइप लिक्विड कूलिंग प्लेट की कुल लंबाई 120 मिमी, चौड़ाई 50 मिमी और ऊंचाई 20 मिमी है, जो उच्च तापीय चालकता वाले एल्यूमीनियम मिश्र धातु से बनी है। प्रवाह चैनल को यू-आकार में बनाया गया है ताकि यह हीटिंग क्षेत्र को पूरी तरह से कवर कर सके। कंट्रोल ग्रुप में एक चिकनी सीधी दीवार वाला प्रवाह चैनल इस्तेमाल किया गया है, जबकि टेस्ट ग्रुप में द्रव विक्षोभ को बढ़ाने के लिए प्रवाह चैनल के अंदर एक थ्रेडेड स्पाइरल संरचना का उपयोग किया गया है।

2.2 काम करने की स्थिति

सिमुलेशन की स्थितियाँ व्यावहारिक निम्न-प्रवाह अनुप्रयोगों के अनुसार निर्धारित की जाती हैं:

• ताप क्षमता: 100W

• शीतलक: विआयनीकृत जल

• प्रवेश प्रवाह दर: 1 लीटर/मिनट

• परिवेश का तापमान: 25℃

2.3 मूल्यांकन संकेतक

प्रदर्शन का मूल्यांकन तीन प्रमुख संकेतकों द्वारा किया जाता है: शीतलन प्लेट का अधिकतम सतह तापमान, ऊष्मा अपव्यय दक्षता और सिस्टम दबाव अंतर। दबाव में कमी सीधे प्रवाह प्रतिरोध और पंप की बिजली खपत को दर्शाती है, जो कम प्रवाह वाली प्रणालियों में महत्वपूर्ण है।

3. सर्पिल प्रवाह चैनलों की ऊष्मा अपव्यय क्रियाविधि

चिकनी सीधी नलिकाओं में, कम प्रवाह दर पर द्रव स्थिर लैमिनर प्रवाह बनाए रखता है। प्रवाह अक्षीय दिशा में स्थिर होता है, जिससे एक मोटी और निरंतर ऊष्मीय सीमा परत बनती है, जो ऊष्मा चालन और संवहन को काफी हद तक सीमित करती है।

सर्पिल चैनल के भीतर कुंडलित धागे जैसी संरचना द्रव पर निरंतर स्पर्शरेखीय विक्षोभ उत्पन्न करती है, जिससे वेग वितरण में परिवर्तन होता है और स्तरित सीमा परत टूट जाती है, जो स्तरित प्रवाह से अशांति में परिवर्तन को बढ़ावा देती है। अशांत परिस्थितियों में, द्रव के सूक्ष्म समूहों के तीव्र मिश्रण से सीमा परत पतली हो जाती है और ऊष्मीय प्रतिरोध कम हो जाता है। साथ ही, सर्पिल संरचना वास्तविक ऊष्मा विनिमय क्षेत्र को बढ़ा देती है। इन सभी प्रभावों के कारण कम प्रवाह दर की स्थिति में ऊष्मा स्थानांतरण दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है।

4. परिणाम और विश्लेषण

4.1 दो प्रवाह चैनलों के बीच प्रदर्शन तुलना

100W से कम पावर और 1L/min फ्लो रेट पर, परीक्षण परिणामों में स्पष्ट अंतर दिखाई देते हैं:

• सुचारू चैनल: अधिकतम तापमान 49.61℃

• सर्पिल चैनल: अधिकतम तापमान 41.9℃

तापमान में 7.71℃ की गिरावट दर्ज की गई, जो ऊष्मा अपव्यय में उल्लेखनीय सुधार दर्शाती है। मापा गया सिस्टम दबाव अंतर लगभग 0.1MPa है, जो बहुत कम है और कम शक्ति वाले पंप सिस्टम के लिए उपयुक्त है। इससे यह सिद्ध होता है कि सर्पिल चैनल कॉम्पैक्ट कम प्रवाह प्रणालियों में प्रवाह प्रतिरोध को काफी बढ़ाए बिना शीतलन को काफी हद तक बढ़ा सकते हैं।

4.2 संरचनात्मक मापदंडों का प्रभाव

स्पाइरल फ्लो चैनल के सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर थ्रेड पिच और थ्रेड हाइट हैं:

• थ्रेड पिच: बहुत कम पिच होने से प्रवाह प्रतिरोध और दबाव में तीव्र गिरावट आती है। बहुत अधिक पिच होने से द्रव प्रभावी ढंग से विक्षोभित नहीं हो पाता, जिसके परिणामस्वरूप ऊष्मा स्थानांतरण में कमी आती है। केवल मध्यम पिच ही अशांति और दबाव हानि को संतुलित कर सकती है।

• थ्रेड की ऊंचाई: अपर्याप्त ऊंचाई से विक्षोभ कम होता है और शीतलन में सीमित सुधार होता है। अत्यधिक ऊंचाई से प्रवाह क्षेत्र कम हो जाता है, जिससे स्थानीय उच्च वेग और अत्यधिक दबाव में गिरावट आती है। उचित थ्रेड ऊंचाई पर्याप्त प्रवाह स्थान बनाए रखते हुए विक्षोभ को अधिकतम करती है।

इसलिए, सर्पिल प्रवाह चैनलों के डिजाइन में धागे की ज्यामिति, स्वीकार्य दबाव में कमी और लक्षित ऊष्मा अपव्यय के बीच समन्वय स्थापित करना आवश्यक है ताकि समग्र रूप से सर्वोत्तम प्रदर्शन प्राप्त किया जा सके।

5. निष्कर्ष और इंजीनियरिंग अनुप्रयोग

5.1 निष्कर्ष

1. 100W के ऊष्मा भार और 1L/min की कम प्रवाह दर के तहत, सर्पिल प्रवाह चैनल प्रभावी रूप से लैमिनर प्रवाह को तोड़ता है और अशांति को मजबूत करता है, जिससे अधिकतम तापमान 49.61℃ से घटकर 41.9℃ हो जाता है, जबकि दबाव में केवल 0.1MPa की कमी आती है।

2. धागे की पिच और ऊंचाई ऊष्मा स्थानांतरण और प्रवाह प्रतिरोध दोनों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है, जिसके लिए संतुलित अनुकूलन की आवश्यकता होती है।

3. कम प्रवाह, सघन और उच्च शक्ति वाले शीतलन परिदृश्यों के लिए, सर्पिल प्रवाह चैनल आयतन या पंप बिजली की खपत बढ़ाए बिना उच्च दक्षता प्रदान करते हैं।

5.2 आवेदन की संभावनाएं

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, नई ऊर्जा वाहन, एयरोस्पेस और संचार उपकरण जैसे क्षेत्रों में, उच्च ताप अपव्यय की आवश्यकता अक्सर स्थान और बिजली की सख्त सीमाओं के साथ मौजूद होती है। सर्पिल प्रवाह चैनल वाली यू-प्रकार की शीतलन प्लेट ऐसे अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत उपयुक्त है।

व्यवहारिक डिज़ाइन में, तापन क्षमता, उपलब्ध स्थान, प्रवाह दर और स्वीकार्य दबाव अंतर के अनुसार थ्रेड पिच और ऊंचाई को अनुकूलित किया जा सकता है। आगे के शोध में क्रॉस-सेक्शनल आकार, हेलिक्स कोण और बहु-उद्देश्यीय अनुकूलन शामिल हो सकते हैं ताकि उच्च-प्रदर्शन वाले कॉम्पैक्ट थर्मल प्रबंधन प्रणालियों के विकास में सहायता मिल सके।

इलेक्ट्रिक वाहनों के अनुप्रयोगों में, बैटरी प्रणालियों में इसी तरह की थर्मल चुनौतियों का समाधान किया जाता है, जैसा कि हमारे नए ऊर्जा वाहन बैटरी लिक्विड कूलिंग प्लेट डिजाइन गाइड में चर्चा की गई है ।

6। टिप्पणियों

सर्पिल प्रवाह चैनल पारंपरिक चिकने चैनलों की परतदार सीमा को नवीन रूप से दूर करता है, जिससे लघु उपकरणों में उच्च-प्रदर्शन ऊष्मा अपव्यय के लिए एक प्रभावी समाधान मिलता है। उपकरण एकीकरण की निरंतर प्रवृत्ति के साथ, सर्पिल प्रवाह चैनल ज्यामिति और इसके तापीय-जलीय प्रदर्शन का अध्ययन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की विश्वसनीयता और जीवनकाल में सुधार लाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा, और उन्नत तरल कोल्ड प्लेट डिजाइन और तापीय प्रबंधन प्रौद्योगिकियों के लिए नई दिशाएँ प्रदान करेगा।

सूक्ष्म स्तर पर प्रवाह बढ़ाने जैसी अधिक उन्नत चैनल अनुकूलन रणनीतियों के लिए, आप माइक्रोचैनल लिक्विड कूलिंग प्लेट डिजाइन पर हमारे अध्ययन का भी संदर्भ ले सकते हैं ।