Yüksek güçlü IGBT radyatörün su soğutma termal direncinin hesaplanması

Yüksek güçlü IGBT radyatörün su soğutma termal direncinin hesaplanması

Özet: Su soğutmalı radyatörün ısı yayma kapasitesini optimize etmek ve güvenilir çalışmasını sağlamak için ısı transferindeki temel ilke ve formüller verilmiş, radyatör şeklinin mekanik boyutları, suyun zorlanmış konveksiyon ısı transfer katsayısı ve suyun termal iletkenliği parametre olarak kullanılır ve Değişkenler, soğutucunun su soğutma termal direncini hesaplamak için formülü türetir.Aynı zamanda, pratik uygulamayı karşılamak için, parametre değişiklikleriyle değişen çeşitli ısıl direnç eğrilerini görüntüleyebilen ve ayrıca doğrudan hesaplayıp görüntüleyebilen özel bir su soğutmalı radyatör ısıl direnci hesaplama ve eğri çizim yazılımı geliştirilmiştir. termal direnç değerleri.Radyatörün tasarımında optimum parametre seçimi için sezgisel ve kullanışlı bir referans sağlar.

Anahtar sözcükler: su soğutmalı radyatör;termal direnç hesabı;yazılım;yüksek güçlü IGBT radyatör

Harmony elektrikli lokomotif, yüksek güçlü yarı iletken teknolojisi kullanan bir AC-DC-AC inverter elektrikli lokomotiftir.Gelişmiş AC frekans dönüşüm hızı düzenlemesi, rejeneratif frenleme, yüksek güçlü AC motor kontrolü ve yüksek derecede otomasyon gibi teknik özellikleri nedeniyle, demiryolu ana hat taşımacılığında yüksek hızlı ve yüksek güçlü lokomotiflerde yaygın olarak kullanılmaktadır.Her lokomotifin konvertörü üç tür IGBT modülü kullanır: dört bölgeli kıyıcı (4QC) modülü, motor tarafı invertör modülü (Inv) ve yardımcı invertör modülü.Temmuz 2009'dan 4 Mayıs 2011'e kadar belirli bir lokomotif deposundaki 305 adet HXD1B elektrikli lokomotif konvertörünün arızasını araştırmış ve 255 arıza ile toplam 4.880 modülün kullanımda olduğunu ve arıza sayısı tespit etmiştir. en az bir IGBT çipi başarısız oldu.Şimdiye kadar, güç yarı iletken cihazları dışındaki nedenlerden kaynaklanan herhangi bir modül arızası olmamıştır.Bu tür arızalar mevsimsel ortam sıcaklığının artmasıyla artar.IGBT'nin başarısızlığının ısı yayılımıyla yakından ilişkili olduğu sonucuna varılabilir, bu nedenle elektronik cihazların soğutulması ve dijital ısısı daha sonraki araştırmaların odak noktalarından biri haline gelmiştir.Cihazın soğutma ve ısı yayma sorunları incelenerek, ısı yayma koşulları optimize edilir ve dönüştürülür, böylece uygun sıcaklıktaki bir ortamda mümkün olduğu kadar uzun süre çalışabilir ve kaza olaylarını azaltır, bu da önemli bir rol oynar. demiryolu lokomotiflerinin güvenli çalışmasını sağlamak.

Bu yazıda, yüksek güçlü IGBT radyatörün ısı yayma sürecinin analizi yoluyla, önce ısı transferindeki temel prensipler ve formüller belirtilmiş ve ısıl direncin hesaplanması, katı tarafından üretilen ısı iletimi ısıl direncine bölünmüştür. radyatör ve radyatör ve soğutma sisteminde ısı transfer süreci.Sıvılar arasındaki ısı transferi işlemi ile üretilen konvektif ısı transferi ısıl direnci iki kısımdır ve radyatör suyu soğutma ısıl direncinin hesaplanması, radyatör şeklinin mekanik boyutu, suyun zorlanmış konvektif ısı transfer katsayısı ve suyun termal iletkenlik katsayısı parametre ve değişken formülü olarak.Analizi basitleştirmek için, termal direnç hesaplamaları için yazılım derlendi.Yazılım, parametrelerle değişen çeşitli termal direnç eğrilerini görüntüleyebilen ve ayrıca termal direnç değerlerini doğrudan hesaplayıp görüntüleyebilen basit ve net bir işlem arayüzüne sahiptir.Radyatörün tasarım analizi için sezgisel ve uygun bir referans sağlar.

1 Isı transferinin temel formülleri ve ilkeleri

1.1 Isı transferinin prensibi ve temel yolu

Isı iletimi için temel formül:

Q=KA△T／△L (1)

Formülde Q, ısıyı, yani ısı iletimi ile üretilen veya iletilen ısıyı temsil eder;K, malzemenin termal iletkenlik katsayısıdır.△T, iki uç arasındaki sıcaklık farkını temsil eder;△L, iki uç arasındaki mesafedir.Konveksiyon, bir sıvının (gaz veya sıvı) katı bir yüzeyle temas ettiği ve sıvının katı yüzeyden ısıyı uzaklaştırmasına neden olan ısı transferini ifade eder.

Isı konveksiyonunun formülü:

Q=hA△T (2)

Formülde: Q hala ısıyı, yani ısı konveksiyonu ile alınan ısıyı temsil eder;h, ısı taşınımı katsayısının değeridir;A, ısı taşınımının etkili temas alanıdır;△T, katı yüzey ile bölgesel sıvı arasındaki sıcaklık farkını temsil eder.

1.2 Termal direncin hesaplanması

Termal direnç, ısı iletimi sürecindeki direnci temsil eder ve ısı transferini önleme yeteneğini yansıtan kapsamlı bir parametredir.Analizi basitleştirmek için, radyatör modelini basitleştirdikten sonra, konvektif ısı transferi ısıl direncinin ve ısıl iletim ısıl direncinin iki şekli olduğu düşünülmektedir.Soğutucunun düzlemsel plakasında bir ısı iletimi termal direnci vardır.Hesaplama formülü:

Rnd=L／KA (3)

Formülde: L, radyatör plakasının kalınlığını temsil eder;K, levha alüminyumun termal iletkenliğini temsil eder;A, ısı akış yönüne dik kesit alanını, yani plakanın alanını temsil eder.

Radyatördeki su ile soğutucu arasındaki termal direnç, konvektif ısı transferi termal direncidir.Hesaplama formülü:

Rnv=1/hAs (4)

Formülde: As, toplam etkili konvektif ısı transfer alanını temsil eder;h, Nusselt sayısıyla ilişkili olan konvektif ısı transfer katsayısını temsil eder.Nusselt sayısının hesaplama formülüne göre, h'nin hesaplama formülü aşağıdaki gibi tersten çıkarılabilir:

Formülde: Nu, Nusselt sayısını temsil eder;λf sıvının termal iletkenliğini temsil eder;h burada suyun zorlanmış taşınımının termal iletkenliği olmalıdır;Dh, ısı transfer yüzeyini temsil eden geometrik karakteristik uzunluktur, burada borunun hidrolik çapını temsil eder.

Soğutucuyu tanımlayan toplam termal direnç aşağıdaki gibi hesaplanır:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

Formülde: B, radyatörün genişliğini temsil eder ve diğer değerler daha önce verilmiştir.Radyatörün dış boyutları sabitlendiğinde formül (3)'ten Rnd'nin belirli bir değer olduğu ve hem K hem de B'nin sabit değerler olduğu görülebilir.λf sabitse, radyatörün toplam termal direnci Rnv ile doğrudan ilişkilidir.Radyatörün konvektif ısı transferi termal direncine bakalım.Formül (5)'ten formül (6) şunları elde edebilir:

Konvektif ısı transferinin termal direncinin Dh ile doğru orantılı ve As ile ters orantılı olduğu formül (7)'den görülebilir.Görüldüğü gibi, sirküle eden su miktarını artırmak için boru hattının hidrolik çapı körü körüne artırılamaz, bu nedenle iyi bir soğutma etkisi elde edilemez.Rnv'nin düşürülmesi buna bağlı olarak radyatörün toplam termal direncini azaltacak ve ısı dağıtma etkisini artıracaktır.Formül (3) ve formül (7)'yi formül (6) ile değiştirerek, toplam termal direnç hesaplama formülü şöyledir:

Burada: le radyatörün uzunluğunu temsil eder;λf, suyun termal iletkenliğidir ve h, suyun zorlanmış konveksiyon ısı transfer katsayısıdır.

1.3 Hesaplama örneği

Genel olarak, elektronik ekipmanın radyatörü su soğutma ısı dağıtım yöntemini benimsediğinde, radyatör içindeki sıvı sirkülasyonu iki türe ayrılır: seri kanal ve paralel kanal.Şekil 1'de gösterildiği gibi, iki modelin kanal kesitleri sırasıyla gösterilmiştir.Bunların arasında, A modeli bir seri su kanalı dağıtımıdır ve model, her bir seri su kanalına birkaç soğutma kanatçığı eklemektir.B modeli, paralel su kanallarının sadece düz kanallara sahip olması ve sıvının su girişinden su çıkışına paralel su kanallarından akmasıdır.

λf suyun termal iletkenliği 0,5W/mK olarak seçilmiştir ve h suyun zorlanmış konveksiyon ısı transfer katsayısı 1 000 W/m2K'dir.Hesaplama kolaylığı için, soğutucunun kalınlığı gibi küçük boyutlar dikkate alınmaz.Lokomotifler için IGBT dört bölgeli modülün soğutucusunun genel boyutları L=0,005 m, L=0,55 m ve B=0,45 m'dir.Dış boyutlar aynı olduğundan seri A modeli ile paralel B modeli arasındaki ısıl direnç farkı As'deki farktan kaynaklanmaktadır.Radyatörün iç duvarının üst ve alt panellerinin alanını, ön ve arka panellerin alanını, sol ve sağ panellerin alanını ve ısı alıcının toplam alanını As1, As2, As3 olarak ayarlayın. ve As4 sırasıyla.A serisi modelinde 19 dahili ısı emici bulunur.As1=0.495m2, As2=0.0432m2, As3=0.0528m2, As4=0.8208m2.Toplam etkin soğutma alanı: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2 olur.Her parametreyi formül (9)'da değiştirerek, A serisi modelin termal direnci şu şekilde elde edilir:

Model B, hız dağılımı ekran görüntüsünden de görülebileceği gibi, su su girişinden girer ve sadece radyatörün orta 1/3'ünden akar ve diğer bölümlerin akış hızı sol ve sağ taraflardadır. neredeyse 0'dır, ki bu önemsizdir.Bu şekilde üst ve alt panellerin etkin ısı yayma alanı toplam alanın 1/3'ü, ön ve arka panellerin etkin ısı yayma alanı da toplam alanın 1/3'ü olarak tanımlanabilir.Sol ve sağ panellerden su akışı olmaması etkin ısı dağıtım alanı olarak sayılmaz.Orta ısı alıcıdan etkili su akışı sayısı 6 adettir.Sonra var:

2 Soğutucu termal direncini çözmek ve termal direnç eğrisini çizmek için yazılım

2.1 Arayüz formu

Ana arayüzün şekli Şekil 3'te gösterilmiştir. Bu yazılım ihtiyaca göre başlıca iki fonksiyonel modül tasarlar.Biri belirli su soğutma termal direnç değerlerini hesaplamak için bir modül, diğeri ise su soğutma termal direnç eğrilerini çizmek için bir modüldür.

Radyatör suyu soğutma termal direnç hesaplama modülünün arayüzü Şekil 4'te gösterilmektedir.

Bunlar arasında l, radyatörün uzunluğu, birimi m'dir;B, radyatörün genişliğidir, birim metredir;L, radyatörün kalınlığıdır, birim metredir;A, radyatörün toplam etkili soğutma alanıdır, birim metrekaredir;h, su Zorunlu konveksiyon ısı transfer katsayısıdır, birim W/m2K;λ suyun termal iletkenliğidir, birimi W/mK'dir.Hesaplama sonucu su soğutmalı radyatörün ısıl direnç değeri olup, birimi cm2K/W'dir.Bu modülün işlevi, radyatörün geometrik boyutu, suyun zorlanmış konveksiyon ısı transfer katsayısı ve termal iletkenlik koşulları altında radyatörün karşılık gelen termal direnç değerinin hesaplanmasını gerçekleştirebilen hesaplama doğasına sahiptir. su.Su soğutmalı radyatörün ısıl direnç eğrisinin çizim modülü Şekil 5 ve Şekil 6'da gösterilmektedir. Parametrelerinin anlamı Şekil 4'teki ile aynıdır. Su soğutmalı radyatör eğrisi, toplam arasındaki nicel ilişkiyi verir. radyatörün alanı, suyun zorlanmış konveksiyon ısı transfer katsayısı ve termal direnç.İki sorun çözüldü;belirli bir etkin ısı yayma alanına sahip bir radyatör için, belirli bir ısıl direnci elde etmek için, suyun zorlanmış konveksiyon ısı transfer katsayısının ne kadar elde edilmesi gerektiği, yani ne kadar boru çapına ihtiyaç duyulduğu.Suyun belirli bir zorlanmış konveksiyon ısı transfer katsayısı için, radyatörün ısı dağıtım alanı yoluyla termal direncin nasıl kontrol edileceği.

2.2 Termal Direnç Hesaplama Talimatları

Şekil 5 ve Şekil 6'daki termal direnç eğrilerinin çizilme süreci aşağıda örneklerle gösterilmiştir."1.3 Örnekler"de seri A modeli ile B modelinin toplam ısıl direnci hesaplanmıştır.İlk olarak, suyun termal iletkenliği λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m ile karşılık gelen boşlukları dolduruyoruz.Ardından eğri tipini seçin.Suyun farklı zorlanmış taşınım ısı transfer katsayıları altında, radyatörün etkin ısı yayılım alanı ile ısıl direnç arasındaki ilişki Şekil 5'te gösterilmektedir. Farklı etkili ısı yayılım alanları altında, suyun zorlanmış taşınım ısı aktarım katsayısı ve termal direnç Şekil 6'da gösterilmektedir. Arayüzün sol alt kısmında ayrıca "Su Soğutma Termal Direncini Hesapla" vardır, şekilde gösterildiği gibi termal direnç hesaplama arayüzüne girmek için tıklayın.Her parametre değerini gerektiği gibi doldurun: giriş alanı 1,4118 olduğunda λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000W/m2K Hesaplanan termal direnç değeri 92,502 801 066 337 cm2K/W, yukarıdaki formül A sonucu 92,503 cm2K/W hesaplama modeliyle uyumludur.