Расчет теплового сопротивления водяного охлаждения мощного IGBT-радиатора

Расчет теплового сопротивления водяного охлаждения мощного IGBT-радиатора

Аннотация: Для оптимизации теплоотводящей способности радиатора с водяным охлаждением и обеспечения его надежной работы приведены основные принципы и формулы теплообмена, а также механические размеры формы радиатора, коэффициент принудительной конвекции теплоотдачи воды. и теплопроводность воды используются в качестве параметров, а переменные выводят формулу для расчета теплового сопротивления водяного охлаждения радиатора.В то же время, чтобы удовлетворить практическое применение, было разработано специальное программное обеспечение для расчета теплового сопротивления радиатора с водяным охлаждением и построения кривых, которое может отображать различные кривые изменения теплового сопротивления при изменении параметров, а также может напрямую рассчитывать и отображать значения термического сопротивления.Он предоставляет интуитивно понятный и удобный справочник для оптимального выбора параметров конструкции радиатора.

Ключевые слова: радиатор водяного охлаждения;расчет термического сопротивления;программное обеспечение;мощный IGBT-радиатор

Электровоз Harmony представляет собой инверторный электровоз AC-DC-AC с использованием мощной полупроводниковой технологии.Благодаря своим техническим характеристикам, таким как усовершенствованное регулирование скорости преобразования частоты переменного тока, рекуперативное торможение, управление мощным двигателем переменного тока и высокая степень автоматизации, он широко используется в высокоскоростных и мощных локомотивах на железнодорожных магистральных перевозках.Преобразователь каждого локомотива использует три типа модулей IGBT, а именно: модуль четырехквадрантного прерывателя (4QC), модуль инвертора со стороны двигателя (Inv) и модуль вспомогательного инвертора.Исследовал неисправности 305 преобразователей электровозов HXD1B в одном локомотивном депо с июля 2009 г. по 4 мая 2011 г. и обнаружил, что в общей сложности использовалось 4880 модулей с 255 неисправностями, а количество неисправностей Модуль IGBT показывает, что при вышла из строя хотя бы одна микросхема IGBT.До сих пор не было ни одного отказа модуля, вызванного причинами, отличными от силовых полупроводниковых устройств.Этот вид отказов увеличивается с увеличением сезонной температуры окружающей среды.Можно сделать вывод, что отказ IGBT тесно связан с его рассеиванием тепла, поэтому охлаждение и цифровое тепло электронных устройств стали одним из направлений более поздних исследований.Изучая проблемы охлаждения и отвода тепла устройства, оптимизируются и трансформируются условия отвода тепла, чтобы оно могло работать как можно дольше в среде с подходящей температурой и уменьшало количество аварий, что играет важную роль в обеспечение безопасной эксплуатации железнодорожных локомотивов.

В этой статье посредством анализа процесса рассеивания тепла мощным IGBT-радиатором сначала цитируются основные принципы и формулы теплопередачи, а расчет теплового сопротивления делится на тепловое сопротивление теплопроводности, создаваемое твердым телом. процесс теплообмена в радиаторе и радиаторе и системе охлаждения.Тепловое сопротивление конвективной теплопередаче, создаваемое процессом теплопередачи между жидкостями, состоит из двух частей, и расчет теплового сопротивления водяного охлаждения радиатора выводится из механического размера формы радиатора, коэффициента принудительной конвективной теплопередачи воды и коэффициент теплопроводности воды как параметр и переменная формула.Для упрощения анализа было составлено программное обеспечение для расчета термического сопротивления.Программное обеспечение имеет простой и понятный рабочий интерфейс, который может отображать различные кривые изменения теплового сопротивления в зависимости от параметров, а также может напрямую рассчитывать и отображать значения теплового сопротивления.Он обеспечивает интуитивно понятный и удобный справочник для анализа конструкции радиатора.

1 Основные формулы и принципы теплообмена

1.1 Принцип и основной способ передачи тепла

Основная формула теплопроводности:

Q=КА△Т／△Л (1)

В формуле Q представляет собой тепло, то есть тепло, генерируемое или проводимое за счет теплопроводности;K – коэффициент теплопроводности материала.△T представляет собой разницу температур между двумя концами;△L — расстояние между двумя концами.Конвекция относится к теплообмену, при котором жидкость (газ или жидкость) вступает в контакт с твердой поверхностью, заставляя жидкость отводить тепло от твердой поверхности.

Формула тепловой конвекции:

Q=hA△T (2)

В формуле: Q по-прежнему представляет теплоту, т. е. теплоту, отводимую тепловой конвекцией;h – значение коэффициента теплопередачи;A – эффективная площадь контакта тепловой конвекции;△T представляет собой разницу температур между твердой поверхностью и региональной жидкостью.

1.2 Расчет термического сопротивления

Термическое сопротивление представляет собой сопротивление в процессе теплопроводности, и это всеобъемлющий параметр, отражающий способность предотвращать передачу тепла.Для упрощения анализа после упрощения модели радиатора считается, что существуют две формы теплового сопротивления конвективной теплопередачи и теплового сопротивления теплопроводности.В плоской пластине радиатора имеется тепловое сопротивление теплопроводности.Формула расчета:

Rnd=L／KA (3)

В формуле: L представляет собой толщину пластины радиатора;K представляет собой теплопроводность листового алюминия;A представляет собой площадь поперечного сечения, перпендикулярного направлению теплового потока, то есть площадь пластины.

Тепловое сопротивление между водой в радиаторе и радиатором является тепловым сопротивлением конвективной теплопередачи.Формула расчета:

Rnv=1/hAs (4)

В формуле: As представляет собой общую эффективную площадь конвективного теплообмена;h представляет собой коэффициент конвективной теплопередачи, который связан с числом Нуссельта.Согласно формуле расчета числа Нуссельта, формула расчета h может быть выведена обратно следующим образом:

В формуле: Nu представляет собой число Нуссельта;λf представляет собой теплопроводность жидкости;h здесь должна быть теплопроводность вынужденной конвекции воды;Dh — геометрическая характеристическая длина, представляющая поверхность теплопередачи, здесь представляет собой гидравлический диаметр трубы.

Общее тепловое сопротивление, определяющее радиатор, рассчитывается следующим образом:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

В формуле: B обозначает ширину радиатора, а остальные значения вводятся ранее.При фиксированных наружных размерах излучателя из формулы (3) видно, что Rnd — некоторая величина, а K и B — фиксированные величины.Если λf постоянна, общее тепловое сопротивление радиатора напрямую связано с Rnv.Посмотрим на тепловое сопротивление радиатора конвективному теплообмену.Из формулы (5) по формуле (6) можно получить:

Из формулы (7) видно, что термическое сопротивление конвективного теплообмена прямо пропорционально Dh и обратно пропорционально As.Видно, что гидравлический диаметр трубопровода нельзя увеличивать вслепую, чтобы увеличить количество циркулирующей воды, так что нельзя добиться хорошего охлаждающего эффекта.Уменьшение Rnv соответственно уменьшит общее тепловое сопротивление радиатора и усилит эффект отвода тепла.Подставив формулу (3) и формулу (7) в формулу (6), получим формулу расчета полного теплового сопротивления:

Где: le представляет собой длину радиатора;λf — теплопроводность воды, h — коэффициент теплопередачи воды при вынужденной конвекции.

1.3 Пример расчета

Как правило, когда радиатор электронного оборудования использует метод отвода тепла с водяным охлаждением, циркуляция жидкости внутри радиатора делится на два типа: последовательный канал и параллельный канал.Как показано на рисунке 1, сечения каналов двух моделей показаны соответственно.Среди них модель A представляет собой последовательное распределение водяных каналов, а модель заключается в добавлении нескольких охлаждающих ребер к каждому последовательному водяному каналу.Модель B состоит в том, что параллельные водные каналы имеют только прямые каналы, и жидкость течет по параллельным водяным каналам от входа воды к выходу воды.

Теплопроводность воды λf выбрана равной 0,5 Вт/мК, а коэффициент теплопередачи при вынужденной конвекции воды h равен 1000 Вт/м2К.Для удобства расчета малые размеры, такие как толщина радиатора, не учитываются.Габаритные размеры радиатора четырехквадрантного модуля IGBT для тепловозов составляют L=0,005 м, L=0,55 м, B=0,45 м.Поскольку внешние размеры одинаковы, разница в термическом сопротивлении между моделью серии А и параллельной моделью В заключается в разнице As.Задайте площадь верхней и нижней панелей внутренней стенки радиатора, площадь передней и задней панелей, площадь левой и правой панелей и общую площадь радиатора как As1, As2, As3, и As4 соответственно.Модель серии A имеет 19 внутренних радиаторов.As1=0,495 м2, As2=0,0432 м2, As3=0,0528 м2, As4=0,8208 м2.Общая эффективная площадь охлаждения становится: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 м2.Подставляя каждый параметр в формулу (9), тепловое сопротивление модели серии А получается как:

Модель Б, как видно из скриншота распределения скорости, вода поступает из водозаборника, и протекает только через среднюю 1/3 радиатора, а скорость потока остальных частей слева и справа почти 0, что незначительно.Таким образом, эффективная площадь рассеивания тепла верхней и нижней панелей может быть определена как 1/3 общей площади, а эффективная площадь рассеивания тепла передней и задней панелей также составляет 1/3 общей площади.Отсутствие потока воды через левую и правую панели не считается эффективной площадью рассеивания тепла.Эффективное количество потоков воды через средний радиатор – 6 шт.Тогда есть:

2 Программное обеспечение для расчета теплового сопротивления радиатора и построения кривой теплового сопротивления

2.1 Форма интерфейса

Форма основного интерфейса показана на рисунке 3. В соответствии с потребностями это программное обеспечение в основном проектирует два функциональных модуля.Один представляет собой модуль для расчета удельных значений теплового сопротивления водяного охлаждения, а другой — модуль для построения кривых теплового сопротивления водяного охлаждения.

Интерфейс модуля расчета теплового сопротивления радиатора водяного охлаждения показан на рисунке 4.

Среди них l – длина радиатора, единица измерения – м;B – ширина радиатора, единица измерения – метр;L – толщина радиатора, единица измерения – метр;A – общая эффективная площадь охлаждения радиатора, единица измерения – квадратный метр;h – коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции воды, ед. Вт/м2К;λ — теплопроводность воды, единица измерения — Вт/мК.Результатом расчета является значение теплового сопротивления радиатора с водяным охлаждением, единица измерения которого равна см2K/Вт.Функция этого модуля носит расчетный характер, что позволяет реализовать расчет соответствующего значения термического сопротивления радиатора в условиях геометрических размеров радиатора, коэффициента теплопередачи воды с принудительной конвекцией и теплопроводности вода.Модуль чертежа кривой термического сопротивления радиатора с водяным охлаждением показан на рис. 5 и рис. 6. Смысл ее параметров тот же, что и на рис. 4. Кривая радиатора с водяным охлаждением дает количественную зависимость между полным площадь радиатора, коэффициент теплопередачи воды при вынужденной конвекции и тепловое сопротивление.Две проблемы решены;для радиатора с заданной эффективной площадью теплоотдачи, для достижения удельного термического сопротивления, сколько необходимо достичь коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции воды, то есть какой диаметр трубы необходим.Для определенного коэффициента теплопередачи воды с принудительной конвекцией, как контролировать тепловое сопротивление через площадь рассеивания тепла радиатора.

2.2 Инструкции по расчету теплового сопротивления

Процесс построения кривых термического сопротивления на рис. 5 и рис. 6 проиллюстрирован ниже примерами.В «1.3 Примеры» было рассчитано общее тепловое сопротивление моделей серии A и модели B.Сначала заполним соответствующие поля теплопроводностью воды λ=0,5 Вт/мК, L=0,005 м, ls=0,55 м, B=0,45 м.Затем выберите тип кривой.При различных коэффициентах теплоотдачи воды при вынужденной конвекции зависимость эффективной площади теплоотдачи радиатора от термического сопротивления показана на рис. 5. При различных эффективных площадях теплоотдачи зависимость коэффициента теплоотдачи при вынужденной тепловое сопротивление показано на рисунке 6. В левом нижнем углу интерфейса также есть «Расчет теплового сопротивления водяного охлаждения». Нажмите, чтобы войти в интерфейс расчета теплового сопротивления, как показано на рисунке.Введите требуемое значение каждого параметра: λ=0,5 Вт/мК, L=0,005 м, ls=0,55 м, B=0,45 м, h=1 000 Вт/м2К при площади ввода 1,4118 Расчетное значение теплового сопротивления составляет 92,502 801 066 337 см2К/Вт, что согласуется с расчетной моделью А в результате приведенной выше формулы 92,503 см2К/Вт.