Cách chế tạo bộ tản nhiệt: Hướng dẫn từng bước cho người tự làm

Xây dựng một bộ tản nhiệt có thể đạt được nếu có phương pháp tiếp cận phù hợp

Việc xây dựng một bộ tản nhiệt chức năng là hoàn toàn có thể đối với một thợ DIY lành nghề hoặc nhà chế tạo quy mô nhỏ. Quá trình này bao gồm việc lựa chọn vật liệu phù hợp, thiết kế lõi đầu và ống, lắp ráp các bộ phận và kết nối nó với mạch chất lỏng. Bộ tản nhiệt được chế tạo phù hợp có thể tản nhiệt hiệu quả bằng cách tối đa hóa diện tích bề mặt và dòng chất lỏng - các nguyên tắc tương tự được sử dụng trong hệ thống làm mát công nghiệp và ô tô. Hướng dẫn này sẽ trình bày từng giai đoạn một cách chi tiết thực tế để bạn có thể tự tin lập kế hoạch và thực hiện quá trình xây dựng.

Hiểu cách thức hoạt động của bộ tản nhiệt

Trước khi chọn bất kỳ công cụ nào, việc hiểu nguyên tắc cốt lõi sẽ giúp ích. Bộ tản nhiệt truyền nhiệt từ chất lỏng nóng (thường là nước hoặc hỗn hợp nước-glycol) sang không khí xung quanh thông qua sự dẫn nhiệt và đối lưu. Chất lỏng đi vào bể chứa đầu vào, đi qua một loạt các ống hẹp và thoát ra qua bể chứa đầu ra. Các cánh kim loại mỏng gắn vào ống làm tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc với luồng không khí.

Tản nhiệt tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt, tốc độ dòng chảy và chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng và không khí xung quanh. Bộ tản nhiệt kiểu ô tô điển hình đạt được hệ số truyền nhiệt phía chất lỏng trong khoảng 3.000–6.000 W/m2·K, đó là lý do tại sao ngay cả những bộ tản nhiệt nhỏ gọn cũng có thể xử lý tải nhiệt đáng kể khi được thiết kế chính xác.

Các thành phần chính của bất kỳ bộ tản nhiệt nào

• Ống lõi - dẫn chất lỏng nóng qua thân bộ tản nhiệt
• Vây - các dải kim loại mỏng liên kết với các ống để tăng diện tích bề mặt phía không khí
• Bể tiêu đề (đầu vào và đầu ra) - phân phối và thu thập chất lỏng ở mỗi đầu của lõi
• Hỗ trợ bên hoặc khung - giữ lõi cứng và cho phép lắp
• Phụ kiện đầu vào và đầu ra - kết nối bộ tản nhiệt với ống mềm hoặc ống dẫn

Chọn vật liệu phù hợp

Sự lựa chọn vật liệu chi phối hiệu suất nhiệt, trọng lượng, khả năng chống ăn mòn và dễ chế tạo. Ba lựa chọn phổ biến nhất để xây dựng bộ tản nhiệt DIY là nhôm, đồng thau và thép. Mỗi người đều có sự đánh đổi đáng để hiểu trước khi bạn cam kết.

Nhôm là sự lựa chọn thiết thực nhất cho hầu hết các công trình DIY — nó mang lại sự cân bằng tốt về hiệu suất nhiệt, trọng lượng và tính khả dụng. Đồng cũng dẫn nhiệt gần gấp đôi nhưng nặng hơn và đắt hơn đáng kể. Thép hiếm khi lý tưởng do tính dẫn điện thấp và dễ bị rỉ sét, nhưng nó dễ hàn và được chấp nhận cho các ứng dụng gia nhiệt ở nhiệt độ thấp, áp suất thấp như bộ tản nhiệt dạng bảng chế tạo tại cửa hàng.

Thiết kế lõi tản nhiệt

Thiết kế lõi quyết định lượng nhiệt mà bộ tản nhiệt thực sự có thể di chuyển. Các biến chính là độ dày lõi, số lượng ống, bước ống và mật độ vây. Dành thời gian cho giai đoạn này - việc thay đổi kích thước sau khi bắt đầu chế tạo rất tốn kém và khó chịu.

Định cỡ và đếm ống

Các ống hình bầu dục phẳng (còn được gọi là ống "multiport" hoặc "drawn") được ưa chuộng hơn các ống tròn vì chúng có lực cản khí động học ít hơn và mang lại tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn hơn. Kích thước ống phổ biến cho bộ tản nhiệt tùy chỉnh nhỏ là 16 mm × 2 mm (rộng × cao) với độ dày thành khoảng 0,4 mm. Nhiều ống hơn sẽ tăng công suất nhưng lưu lượng phải được cân bằng - nếu tốc độ chất lỏng giảm xuống quá thấp bên trong ống, hiệu suất truyền nhiệt sẽ giảm mạnh.

Ở điểm khởi đầu sơ bộ, bộ tản nhiệt được thiết kế để loại bỏ 5 kW ở mức chênh lệch nhiệt độ 30°C giữa chất lỏng và không khí thường sẽ cần diện tích mặt khoảng 0,06–0,10 m2 với lõi sâu 40–60 mm, giả sử luồng không khí hợp lý (2–3 m/s ngang qua mặt).

Mật độ vây

Cao độ cánh tản nhiệt - số lượng cánh tản nhiệt trên mỗi inch (FPI) - ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt phía không khí và giảm áp suất. FPI cao hơn có nghĩa là diện tích bề mặt nhiều hơn nhưng cũng có khả năng chống lại luồng không khí cao hơn. Đối với đối lưu tự nhiên (không có quạt), 6–8 FPI là điển hình. Đối với đối lưu cưỡng bức, phổ biến là 10–16 FPI. Nếu bạn đang cắt và lắp các vây theo cách thủ công, 8 FPI là điểm khởi đầu có thể quản lý được mà vẫn mang lại hiệu suất ổn định.

Chế tạo xe tăng tiêu đề

Bể tiêu đề (còn gọi là bể cuối hoặc ống góp) thu thập chất lỏng từ tất cả các ống ở mỗi đầu của lõi. Đối với cấu trúc bằng nhôm DIY, thùng tiêu đề thường được làm từ tấm nhôm phẳng hoặc ống nhôm hình chữ nhật. Các lỗ ống được khoan hoặc đục lỗ vào tấm tiêu đề theo các khoảng cách chính xác phù hợp với bước ống.

1. Cắt hai tấm tiêu đề theo chiều rộng của lõi từ thanh nhôm phẳng 3–4 mm.
2. Đánh dấu và khoan hoặc đục lỗ các khe hở của ống - khoảng cách phải khớp chính xác với bước ống của bạn.
3. Tạo thành các thành bể từ tấm nhôm (1,5–2 mm) và hàn hoặc hàn chúng vào tấm tiêu đề để tạo thành một hộp kín.
4. Khoan và chạm vào các cổng đầu vào/đầu ra - thường là 3/4" NPT hoặc 1" NPT cho hầu hết các ứng dụng làm mát bằng chất lỏng.
5. Kiểm tra rò rỉ bằng cách điều áp bình rỗng lên 1,5 lần áp suất vận hành dự định của bạn trước khi lắp ráp lõi.

Kiểm tra rò rỉ các đầu cắm trước khi lắp ráp lõi giúp tiết kiệm đáng kể thời gian làm lại — một khi các ống đã được hàn vào, việc tiếp cận mối hàn đầu bị rò rỉ là cực kỳ khó khăn.

Lắp ráp và hàn lõi

Lắp ráp lõi là bước đòi hỏi kỹ thuật cao nhất. Mỗi ống phải được lắp vào cả hai tấm tiêu đề và các vây phải được đặt giữa các ống để chúng tạo ra sự tiếp xúc rắn giữa kim loại với kim loại. Nếu sử dụng nhôm, hàn đồng không khí có kiểm soát (CAB) trong lò nung là tiêu chuẩn chuyên nghiệp - lõi nhôm được hàn bằng lò đạt được độ bền mối nối trong phạm vi 90–95% kim loại gốc . Đối với một cửa hàng DIY không có lò hàn, hàn bằng ngọn đuốc bằng chất trợ dung là một giải pháp thay thế, mặc dù nó đòi hỏi kỹ năng để tránh các vây mỏng quá nóng.

Hội lõi từng bước

1. Làm sạch tất cả các bề mặt nhôm bằng axeton hoặc cồn isopropyl - chất bẩn sẽ ngăn cản vết hàn chảy ra.
2. Trượt các dải vây lượn sóng vào ống đầu tiên, đảm bảo các vây vuông góc và cách đều nhau.
3. Xếp các cụm ống-vây-ống-vây giữa hai tấm đầu, ấn chặt các ống vào các khe đầu.
4. Lắp các giá đỡ bên để giữ ngăn xếp hình vuông; sử dụng dây đai hoặc kẹp bằng thép không gỉ để nén cụm trong quá trình hàn.
5. Áp dụng thông lượng hàn cho tất cả các mối nối nếu hàn bằng mỏ hàn; nạp vào lò nếu sử dụng CAB.
6. Đối với hàn bằng mỏ hàn, làm nóng đều từng mối nối cho đến khi thanh hàn chảy ra nhờ tác động mao dẫn - không truyền ngọn lửa trực tiếp vào chính thanh hàn.
7. Để cụm lắp ráp nguội từ từ; làm nguội trong nước có thể làm cong các đầu phun hoặc làm nứt các mối hàn đồng.

Đối với bộ tản nhiệt bằng đồng thau, chất hàn mềm (tương đương 50/50 thiếc hoặc không chì) được sử dụng thay cho chất hàn hàn. Nhiệt độ nối thấp hơn làm cho quá trình dễ dàng hơn, nhưng lõi đồng sẽ nặng hơn khoảng 2–3 lần so với lõi nhôm tương đương ở cùng mức hiệu suất.

Kiểm tra áp suất và kiểm tra rò rỉ

Không bao giờ lắp đặt bộ tản nhiệt đã hoàn thiện mà không kiểm tra áp suất đầy đủ. Cắm tất cả các cổng ngoại trừ một cổng, sau đó kết nối bơm tay hoặc nguồn khí nén (có bộ điều chỉnh) với cổng còn lại.

• Đối với hệ thống làm mát bằng chất lỏng ô tô, hãy kiểm tra 20–25 psi (1,4–1,7 thanh) — điều này phù hợp với áp suất vận hành hệ thống điển hình với giới hạn an toàn.
• Đối với các ứng dụng sưởi ấm hydronic (hệ thống nước nóng gia đình), hãy kiểm tra áp suất làm việc tối đa ít nhất 1,5× cho mỗi mã hệ thống ống nước địa phương.
• Nhúng bộ tản nhiệt có áp suất vào nước hoặc thoa nước xà phòng lên tất cả các khớp nối và quan sát xem có bong bóng không.
• Giữ áp suất trong ít nhất 10 phút mà không giảm trước khi xem xét âm thanh của thiết bị.

Rò rỉ lỗ kim nhỏ ở các mối hàn đồng đôi khi có thể được sửa chữa bằng cách dùng đèn khò và thanh hàn lần thứ hai. Những khoảng trống lớn hơn trong các mối hàn kết cấu nên được mài và hàn lại thay vì vá.

Lắp đặt và kết nối bộ tản nhiệt

Yêu cầu lắp đặt khác nhau tùy theo ứng dụng — ô tô, sưởi ấm bằng hydronic hoặc làm mát công nghiệp — nhưng một số nguyên tắc được áp dụng phổ biến.

Định hướng lắp đặt

Định hướng ống thẳng đứng (chất lỏng chảy lên hoặc xuống qua ống thẳng đứng) cho phép bọt khí thoát ra khỏi hệ thống một cách tự nhiên. Bố trí ống ngang có thể bẫy các túi khí làm giảm diện tích dòng chảy hiệu quả và gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ. Nếu không thể tránh khỏi việc bố trí theo chiều ngang, hãy lắp van xả ở điểm cao nhất trong mạch.

Chất ức chế chất lỏng và ăn mòn

Bộ tản nhiệt bằng nhôm đặc biệt dễ bị ăn mòn điện nếu có các kim loại khác nhau trong mạch điện (chẳng hạn như vỏ bơm bằng sắt hoặc phụ kiện bằng thép). Luôn sử dụng chất ức chế ăn mòn tương thích — hỗn hợp 50/50 gồm nước khử ion và chất làm mát ethylene glycol với chất ức chế OAT (công nghệ axit hữu cơ) thích hợp cho hầu hết các vòng làm mát bằng chất lỏng khép kín. Thay chất lỏng 2–3 năm một lần vì gói chất ức chế sẽ cạn kiệt theo thời gian.

Cân nhắc về luồng không khí

Hiệu suất của bộ tản nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào luồng không khí đi qua mặt. Ngay cả một lõi được xây dựng tốt cũng sẽ hoạt động kém hơn nếu luồng không khí bị cản trở hoặc định hướng kém. Quạt có vỏ bọc được gắn trực tiếp vào mặt bộ tản nhiệt sẽ hiệu quả hơn nhiều so với quạt được gắn ở khoảng cách xa — một chiếc quạt được che chắn đúng cách có thể cải thiện hiệu suất luồng không khí lên 30–50% so với một chiếc quạt đứng ở cùng khoảng cách. Bịt kín mọi khoảng trống giữa khung bộ tản nhiệt và bề mặt lắp đặt của nó để ngăn không khí nóng tuần hoàn đi qua lõi.

Những sai lầm phổ biến cần tránh

Ngay cả những nhà chế tạo có kinh nghiệm cũng gặp phải những vấn đề có thể đoán trước được khi chế tạo bộ tản nhiệt. Biết trước chúng sẽ tiết kiệm vật liệu và thời gian.

• Bỏ qua việc làm sạch bề mặt trước khi hàn — quá trình oxy hóa và dầu mỡ ngăn không cho hàn đồng bị ướt đúng cách, dẫn đến các mối nối yếu hoặc xốp.
• Vây mỏng quá nóng trong quá trình hàn ngọn đuốc - cánh nhôm có thể tan chảy trong vài giây nếu ngọn lửa quá tập trung; giữ cho ngọn đuốc chuyển động và làm nóng ống chứ không phải phần vây.
• Kích thước ống và khe tiêu đề không khớp - ngay cả khoảng cách 0,5 mm giữa ống và đầu cắm cũng dẫn đến mối hàn hàn dễ bị nứt khi chu trình nhiệt.
• Giảm kích thước lõi — tốt hơn là xây dựng lớn hơn một chút so với mức cần thiết; bộ tản nhiệt chạy ở mức 70% công suất sẽ tồn tại lâu hơn nhiều so với bộ tản nhiệt chạy ở giới hạn nhiệt.
• Bỏ qua việc xả hệ thống sau khi cài đặt - không khí bị giữ lại làm giảm thể tích dòng chảy hiệu quả và là nguyên nhân phổ biến gây ra hiện tượng quá nhiệt không giải thích được ở các hệ thống lắp đặt mới.

Khi nào nên xây dựng và mua

Việc xây dựng bộ tản nhiệt có ý nghĩa nhất khi bạn cần cấu hình cổng, hình dạng hoặc kích thước không chuẩn không có sẵn trên thị trường hoặc khi bạn đang làm việc với ngân sách eo hẹp và có quyền truy cập vào các công cụ cần thiết. Đối với bộ tản nhiệt có kích thước và kích thước cổng tiêu chuẩn, việc mua một bộ tản nhiệt được sản xuất thường tiết kiệm chi phí hơn - thời gian chế tạo, chi phí vật liệu và rủi ro làm lại có thể dễ dàng vượt quá giá của sản phẩm tương đương có sẵn trên thị trường.

Các bản dựng tùy chỉnh tỏa sáng trong các ứng dụng như phục hồi xe cổ (nơi không còn sản xuất bộ tản nhiệt thông số kỹ thuật gốc), giàn làm mát công nghiệp có kiểu dáng khác thường hoặc các dự án thử nghiệm yêu cầu các đặc tính dòng chảy cụ thể. Trong những trường hợp đó, khả năng kiểm soát mọi chiều hướng và vật chất khiến nỗ lực đó trở nên đáng giá.