Calcolo della resistenza termica di raffreddamento ad acqua del radiatore IGBT ad alta potenza

Calcolo della resistenza termica di raffreddamento ad acqua del radiatore IGBT ad alta potenza

Riassunto: Al fine di ottimizzare la capacità di dissipazione del calore del radiatore raffreddato ad acqua e garantirne un funzionamento affidabile, vengono citati i principi e le formule di base nel trasferimento di calore e le dimensioni meccaniche della forma del radiatore, il coefficiente di trasferimento del calore per convezione forzata dell'acqua e la conducibilità termica dell'acqua sono usati come parametri e le variabili derivano la formula per calcolare la resistenza termica di raffreddamento ad acqua del dissipatore di calore.Allo stesso tempo, per soddisfare l'applicazione pratica, è stato sviluppato uno speciale software di calcolo della resistenza termica del radiatore raffreddato ad acqua e di disegno della curva, che può visualizzare varie curve di resistenza termica che cambiano con le modifiche dei parametri e può anche calcolare e visualizzare direttamente valori di resistenza termica.Fornisce un riferimento intuitivo e conveniente per la selezione ottimale dei parametri nella progettazione del radiatore.

Parole chiave: radiatore raffreddato ad acqua;calcolo della resistenza termica;Software;radiatore IGBT ad alta potenza

La locomotiva elettrica Harmony è una locomotiva elettrica inverter AC-DC-AC che utilizza la tecnologia dei semiconduttori ad alta potenza.A causa delle sue caratteristiche tecniche come la regolazione avanzata della velocità di conversione della frequenza CA, la frenata rigenerativa, il controllo del motore CA ad alta potenza e l'elevato grado di automazione, è ampiamente utilizzato nelle locomotive ad alta velocità e ad alta potenza nel trasporto ferroviario.Il convertitore di ciascuna locomotiva utilizza tre tipi di moduli IGBT, vale a dire: modulo chopper a quattro quadranti (4QC), modulo inverter lato motore (Inv) e modulo inverter ausiliario.Ha esaminato i guasti di 305 convertitori di locomotive elettriche HXD1B in un determinato deposito di locomotive dal luglio 2009 al 4 maggio 2011 e ha rilevato che erano in uso un totale di 4.880 moduli, con 255 guasti e il numero di guasti Il modulo IGBT mostra che a almeno un chip IGBT è guasto.Finora, non si è verificato alcun guasto del modulo causato da motivi diversi dai dispositivi a semiconduttore di potenza.Questo tipo di guasto aumenta con l'aumento della temperatura ambiente stagionale.Si può dedurre che il guasto dell'IGBT è strettamente correlato alla sua dissipazione del calore, quindi il raffreddamento e il calore digitale dei dispositivi elettronici sono diventati uno dei punti focali della ricerca successiva.Studiando i problemi di raffreddamento e dissipazione del calore del dispositivo, le condizioni di dissipazione del calore vengono ottimizzate e trasformate, in modo che possa funzionare il più a lungo possibile in un ambiente con una temperatura adeguata e ridurre l'incidenza di incidenti, che svolge un ruolo importante nella mantenere il funzionamento sicuro delle locomotive ferroviarie.

In questo documento, attraverso l'analisi del processo di dissipazione del calore del radiatore IGBT ad alta potenza, vengono citati per primi i principi e le formule di base nel trasferimento di calore e il calcolo della resistenza termica è suddiviso nella resistenza termica di conduzione del calore generata dal solido processo di trasferimento del calore nel radiatore e nel radiatore e nel sistema di raffreddamento.La resistenza termica di trasferimento di calore convettivo prodotta dal processo di trasferimento di calore tra i liquidi è di due parti e il calcolo della resistenza termica di raffreddamento dell'acqua del radiatore viene dedotto prendendo la dimensione meccanica della forma del radiatore, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo forzato dell'acqua e il coefficiente di conducibilità termica dell'acqua come parametri e variabili formula.Per semplificare l'analisi, è stato compilato un software per i calcoli della resistenza termica.Il software ha un'interfaccia operativa semplice e chiara, che può visualizzare varie curve di resistenza termica che cambiano con i parametri e può anche calcolare e visualizzare direttamente i valori di resistenza termica.Fornisce un riferimento intuitivo e conveniente per l'analisi progettuale del radiatore.

1 Formule base e principi di trasmissione del calore

1.1 Il principio e il modo di base del trasferimento di calore

La formula di base per la conduzione del calore è:

Q=KA△T／△L (1)

Nella formula Q rappresenta il calore, cioè il calore generato o condotto per conduzione termica;K è il coefficiente di conducibilità termica del materiale.△T rappresenta la differenza di temperatura tra le due estremità;△L è la distanza tra le due estremità.La convezione si riferisce al trasferimento di calore in cui un fluido (gas o liquido) entra in contatto con una superficie solida, facendo sì che il fluido assorba calore dalla superficie solida.

La formula per la convezione del calore è:

Q=hA△T (2)

Nella formula: Q rappresenta ancora il calore, cioè il calore portato via dalla convezione termica;h è il valore del coefficiente di convezione termica;A è l'area di contatto effettiva della convezione termica;△T rappresenta la differenza di temperatura tra la superficie solida e il fluido regionale.

1.2 Calcolo della resistenza termica

La resistenza termica rappresenta la resistenza nel processo di conduzione del calore ed è un parametro completo che riflette la capacità di impedire il trasferimento di calore.Per semplificare l'analisi, dopo aver semplificato il modello del radiatore, si considera che esistono due forme di resistenza termica per trasferimento di calore convettivo e resistenza termica per conduzione termica.C'è una resistenza termica di conduzione del calore nella piastra planare del dissipatore di calore.La formula di calcolo è:

Rnd=L／KA (3)

Nella formula: L rappresenta lo spessore della piastra del radiatore;K rappresenta la conducibilità termica della lastra di alluminio;A rappresenta l'area della sezione trasversale perpendicolare alla direzione del flusso di calore, ovvero l'area della piastra.

La resistenza termica tra l'acqua nel radiatore e il dissipatore di calore è la resistenza termica del trasferimento di calore convettivo.La formula di calcolo è:

Rnv=1/hAs (4)

Nella formula: As rappresenta l'area di scambio termico convettivo totale effettiva;h rappresenta il coefficiente di scambio termico convettivo, che è correlato al numero di Nusselt.Secondo la formula di calcolo del numero di Nusselt, la formula di calcolo di h può essere dedotta inversamente come segue:

Nella formula: Nu rappresenta il numero di Nusselt;λf rappresenta la conducibilità termica del fluido;h qui dovrebbe essere la conducibilità termica della convezione forzata dell'acqua;Dh è la lunghezza caratteristica geometrica che rappresenta la superficie di trasferimento del calore, qui rappresenta il diametro idraulico del tubo.

La resistenza termica totale che definisce il dissipatore di calore viene calcolata come segue:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

Nella formula: B rappresenta la larghezza del radiatore, e altri valori sono introdotti in precedenza.Quando le dimensioni esterne del radiatore sono fisse, si può vedere dalla formula (3) che Rnd è un certo valore, e sia K che B sono valori fissi.Se λf è costante, la resistenza termica totale del radiatore è direttamente correlata a Rnv.Diamo un'occhiata alla resistenza termica di trasferimento di calore convettivo del radiatore.Dalla formula (5), la formula (6) può ottenere:

Si può vedere dalla formula (7) che la resistenza termica del trasferimento di calore convettivo è direttamente proporzionale a Dh e inversamente proporzionale ad As.Si può vedere che il diametro idraulico della tubazione non può essere aumentato alla cieca per aumentare la quantità di acqua circolante, in modo da non poter ottenere un buon effetto di raffreddamento.La riduzione di Rnv ridurrà corrispondentemente la resistenza termica totale del radiatore e migliorerà l'effetto di dissipazione del calore.Sostituendo la formula (3) e la formula (7) nella formula (6), la formula di calcolo della resistenza termica totale è:

Dove: le rappresenta la lunghezza del radiatore;λf è la conducibilità termica dell'acqua e h è il coefficiente di scambio termico per convezione forzata dell'acqua.

1.3 Esempio di calcolo

Generalmente, quando il radiatore dell'apparecchiatura elettronica adotta il metodo di dissipazione del calore con raffreddamento ad acqua, la circolazione del liquido all'interno del radiatore è divisa in due tipi: canale in serie e canale parallelo.Come mostrato in Figura 1, sono mostrate rispettivamente le sezioni trasversali dei canali dei due modelli.Tra questi, il modello A è una distribuzione del canale dell'acqua in serie e il modello prevede l'aggiunta di diverse alette di raffreddamento a ciascun canale dell'acqua della serie.Il modello B è che i canali paralleli dell'acqua hanno solo canali diritti e il liquido scorre attraverso i canali paralleli dell'acqua dall'ingresso dell'acqua all'uscita dell'acqua.

La conduttività termica dell'acqua λf è selezionata come 0,5 W/mK e il coefficiente di trasferimento termico per convezione forzata dell'acqua h è 1 000 W/m2K.Per comodità di calcolo si ignorano le piccole dimensioni come lo spessore del dissipatore.Le dimensioni di ingombro del dissipatore di calore del modulo a quattro quadranti IGBT per locomotive sono L=0,005 m, L=0,55 m e B=0,45 m.Poiché le dimensioni esterne sono le stesse, la differenza di resistenza termica tra il modello serie A e il modello parallelo B risiede nella differenza di As.Impostare l'area dei pannelli superiore e inferiore della parete interna del radiatore, l'area dei pannelli anteriore e posteriore, l'area dei pannelli sinistro e destro e l'area totale del dissipatore di calore come As1, As2, As3, e As4, rispettivamente.Il modello della serie A ha 19 dissipatori di calore interni.As1=0.495m2, As2=0.0432m2, As3=0.0528m2, As4=0.8208m2.L'area di raffrescamento effettiva totale diventa: As=As1+As2+As3+As4=1.4118 m2.Sostituendo ciascun parametro nella formula (9), la resistenza termica del modello serie A si ottiene come:

Modello B, come si può vedere dallo screenshot della distribuzione della velocità, l'acqua entra dall'ingresso dell'acqua e scorre solo attraverso il 1/3 centrale del radiatore e la velocità del flusso delle altre parti sui lati sinistro e destro è quasi 0, che è trascurabile.In questo modo, l'area effettiva di dissipazione del calore dei pannelli superiore e inferiore può essere definita come 1/3 dell'area complessiva, e anche l'area effettiva di dissipazione del calore dei pannelli anteriore e posteriore è 1/3 dell'area complessiva.L'assenza di flusso d'acqua attraverso i pannelli sinistro e destro non conta come area di dissipazione del calore effettiva.Il numero effettivo di flusso d'acqua attraverso il dissipatore di calore centrale è di 6 pezzi.Poi ci sono:

2 Software per la risoluzione della resistenza termica del dissipatore di calore e il disegno della curva della resistenza termica

2.1 Modulo di interfaccia

La forma dell'interfaccia principale è mostrata nella Figura 3. In base alle esigenze, questo software progetta principalmente due moduli funzionali.Uno è un modulo per il calcolo di specifici valori di resistenza termica per il raffreddamento ad acqua e l'altro è un modulo per disegnare curve di resistenza termica per il raffreddamento ad acqua.

L'interfaccia del modulo di calcolo della resistenza termica del raffreddamento ad acqua del radiatore è illustrata nella Figura 4.

Tra questi, l è la lunghezza del radiatore, l'unità è m;B è la larghezza del radiatore, l'unità è il metro;L è lo spessore del radiatore, l'unità è il metro;A è l'area di raffreddamento effettiva totale del radiatore, l'unità è il metro quadro;h è il coefficiente di scambio termico per convezione forzata dell'acqua, unità W/m2K;λ è la conducibilità termica dell'acqua, l'unità è W/mK.Il risultato del calcolo è il valore di resistenza termica del radiatore raffreddato ad acqua e l'unità è cm2K/W.La funzione di questo modulo ha la natura del calcolo, che può realizzare il calcolo del corrispondente valore di resistenza termica del radiatore nelle condizioni della dimensione geometrica del radiatore, del coefficiente di scambio termico di convezione forzata dell'acqua e della conducibilità termica di acqua.Il modulo di disegno della curva di resistenza termica del radiatore raffreddato ad acqua è mostrato in Figura 5 e Figura 6. Il significato dei suoi parametri è lo stesso di quello in Figura 4. La curva del radiatore raffreddato ad acqua fornisce la relazione quantitativa tra il totale del radiatore, il coefficiente di scambio termico per convezione forzata dell'acqua e la resistenza termica.Due problemi sono risolti;per un radiatore con una data area effettiva di dissipazione del calore, per ottenere una specifica resistenza termica, quanto coefficiente di scambio termico per convezione forzata dell'acqua deve essere raggiunto, cioè quanto diametro del tubo è necessario.Per uno specifico coefficiente di scambio termico di convezione forzata dell'acqua, come controllare la resistenza termica attraverso l'area di dissipazione del calore del radiatore.

2.2 Istruzioni per il calcolo della resistenza termica

Il processo di disegno delle curve di resistenza termica in Fig. 5 e Fig. 6 è illustrato di seguito con esempi.In "1.3 Esempi" è stata calcolata la resistenza termica totale del modello serie A e del modello B.Per prima cosa, riempiamo gli spazi vuoti corrispondenti con la conducibilità termica dell'acqua λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m.Quindi scegli il tipo di curva.In presenza di diversi coefficienti di scambio termico per convezione forzata dell'acqua, la relazione tra l'area effettiva di dissipazione del calore del radiatore e la resistenza termica è mostrata nella Figura 5. In presenza di diverse aree effettive di dissipazione termica, la relazione tra il coefficiente di scambio termico per convezione forzata dell'acqua e la resistenza termica è mostrata nella Figura 6. C'è anche "Calcola resistenza termica raffreddamento ad acqua" in basso a sinistra dell'interfaccia, fare clic per accedere all'interfaccia di calcolo della resistenza termica, come mostrato nella figura.Immettere ogni valore di parametro come richiesto: λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000 W/m2K quando l'area di input è 1,4118 Il valore di resistenza termica calcolato è 92,502 801 066 337 cm2K/W, che è coerente con il modello di calcolo Un risultato della formula di cui sopra 92.503 cm2K/W.