Berekening van de thermische weerstand van waterkoeling van een krachtige IGBT-radiator

Berekening van de thermische weerstand van waterkoeling van een krachtige IGBT-radiator

Samenvatting: Om de warmteafvoercapaciteit van de watergekoelde radiator te optimaliseren en de betrouwbare werking ervan te garanderen, worden de basisprincipes en formules voor warmteoverdracht aangehaald, en de mechanische afmetingen van de radiatorvorm, de geforceerde convectie warmteoverdrachtscoëfficiënt van water en de thermische geleidbaarheid van water worden gebruikt als parameters en variabelen leiden de formule af voor het berekenen van de thermische weerstand van het koellichaam met waterkoeling.Tegelijkertijd is, om aan de praktische toepassing te voldoen, een speciale watergekoelde radiator thermische weerstandsberekening en curve-tekeningsoftware ontwikkeld, die verschillende curves van thermische weerstandsveranderingen met parameterveranderingen kan weergeven, en ook direct kan berekenen en weergeven thermische weerstandswaarden.Het biedt een intuïtieve en handige referentie voor de optimale selectie van parameters in het ontwerp van de radiator.

Trefwoorden: watergekoelde radiator;thermische weerstandsberekening;software;krachtige IGBT-radiator

Harmony elektrische locomotief is een AC-DC-AC inverter elektrische locomotief die gebruik maakt van krachtige halfgeleidertechnologie.Vanwege zijn technische kenmerken, zoals geavanceerde AC-frequentieomzettingssnelheidsregeling, regeneratief remmen, krachtige AC-motorbesturing en hoge mate van automatisering, wordt het veel gebruikt in snelle en krachtige locomotieven in het vervoer van spoorlijnen.De omvormer van elke locomotief maakt gebruik van drie soorten IGBT-modules, namelijk: vierkwadrantchoppermodule (4QC), motorzijde-omvormermodule (Inv) en hulpomvormermodule.Onderzoek gedaan naar de storingen van 305 HXD1B elektrische locomotiefconverters in een bepaald locomotiefdepot van juli 2009 tot 4 mei 2011, en ontdekte dat er in totaal 4.880 modules in gebruik waren, met 255 storingen, en het aantal storingen. De IGBT-module laat zien dat bij ten minste één IGBT-chip is uitgevallen.Tot nu toe is er geen modulestoring geweest die werd veroorzaakt door andere redenen dan vermogenshalfgeleiderapparaten.Dit soort storing neemt toe met de toename van de seizoensgebonden omgevingstemperatuur.Hieruit kan worden afgeleid dat het falen van IGBT nauw verband houdt met de warmteafvoer, dus de koeling en digitale warmte van elektronische apparaten zijn een van de aandachtspunten van later onderzoek geworden.Door de koel- en warmteafvoerproblemen van het apparaat te bestuderen, worden de warmteafvoercondities geoptimaliseerd en getransformeerd, zodat het zo lang mogelijk kan werken in een omgeving met een geschikte temperatuur en het aantal ongevallen vermindert, wat een belangrijke rol speelt bij handhaven van de veilige werking van locomotieven.

In dit artikel worden, door de analyse van het warmtedissipatieproces van de krachtige IGBT-radiator, eerst de basisprincipes en formules voor warmteoverdracht aangehaald, en wordt de berekening van thermische weerstand verdeeld in de thermische weerstand van warmtegeleiding die wordt gegenereerd door de vaste stof warmteoverdrachtsproces in de radiator en de radiator en het koelsysteem.De thermische weerstand van convectieve warmteoverdracht die wordt geproduceerd door het warmteoverdrachtsproces tussen de vloeistoffen bestaat uit twee delen, en de berekening van de thermische weerstand van radiatorwaterkoeling wordt afgeleid door de mechanische grootte van de radiatorvorm, de geforceerde convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt van water en de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt van water als parameters en variabelen formule.Om de analyse te vereenvoudigen, werd software voor thermische weerstandsberekeningen samengesteld.De software heeft een eenvoudige en duidelijke bedieningsinterface, die verschillende curves van thermische weerstandsveranderingen met parameters kan weergeven, en kan ook direct thermische weerstandswaarden berekenen en weergeven.Het biedt een intuïtieve en handige referentie voor de ontwerpanalyse van de radiator.

1 Basisformules en principes van warmteoverdracht

1.1 Het principe en de basismanier van warmteoverdracht

De basisformule voor warmtegeleiding is:

Q=KA△T／△L (1)

In de formule staat Q voor de warmte, dat wil zeggen de warmte die wordt gegenereerd of geleid door warmtegeleiding;K is de warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal.△T staat voor het temperatuurverschil tussen de twee uiteinden;△L is de afstand tussen de twee uiteinden.Convectie verwijst naar warmteoverdracht waarbij een vloeistof (gas of vloeistof) in contact komt met een vast oppervlak, waardoor de vloeistof warmte van het vaste oppervlak onttrekt.

De formule voor warmteconvectie is:

Q=hA△T (2)

In de formule: Q staat nog steeds voor warmte, dat wil zeggen de warmte die wordt afgevoerd door warmteconvectie;h is de waarde van de warmteconvectiecoëfficiënt;A is het effectieve contactoppervlak van warmteconvectie;△T vertegenwoordigt het temperatuurverschil tussen het vaste oppervlak en de regionale vloeistof.

1.2 Berekening van thermische weerstand

Thermische weerstand vertegenwoordigt de weerstand in het warmtegeleidingsproces en het is een uitgebreide parameter die het vermogen weergeeft om warmteoverdracht te voorkomen.Om de analyse te vereenvoudigen, wordt na vereenvoudiging van het radiatormodel aangenomen dat er twee vormen zijn van thermische weerstand door convectieve warmteoverdracht en thermische weerstand door thermische geleiding.Er is een thermische weerstand voor warmtegeleiding in de vlakke plaat van het koellichaam.De rekenformule is:

Rnd=L／KA (3)

In de formule: L staat voor de dikte van de radiatorplaat;K vertegenwoordigt de thermische geleidbaarheid van het plaataluminium;A vertegenwoordigt het oppervlak van de dwarsdoorsnede loodrecht op de richting van de warmtestroom, dat wil zeggen het oppervlak van de plaat.

De thermische weerstand tussen het water in de radiator en het koellichaam is de thermische weerstand van de convectieve warmteoverdracht.De rekenformule is:

Rnv=1/hAs (4)

In de formule: As vertegenwoordigt het totale effectieve convectieve warmteoverdrachtsoppervlak;h staat voor de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt, die gerelateerd is aan het Nusselt-getal.Volgens de rekenformule van Nusseltgetal kan de rekenformule van h als volgt omgekeerd worden afgeleid:

In de formule: Nu staat voor het Nusselt-getal;λf staat voor de thermische geleidbaarheid van de vloeistof;h hier zou de thermische geleidbaarheid van water geforceerde convectie moeten zijn;Dh is de geometrische karakteristieke lengte die het warmteoverdrachtsoppervlak vertegenwoordigt, hier vertegenwoordigt de hydraulische diameter van de buis.

De totale thermische weerstand die het koellichaam definieert, wordt als volgt berekend:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

In de formule: B staat voor de breedte van de radiator en andere waarden zijn eerder geïntroduceerd.Wanneer de buitenafmetingen van de radiator vast zijn, blijkt uit formule (3) dat Rnd een bepaalde waarde is, en zowel K als B zijn vaste waarden.Als λf constant is, is de totale thermische weerstand van de radiator direct gerelateerd aan Rnv.Laten we eens kijken naar de thermische weerstand van de radiator door convectieve warmteoverdracht.Uit formule (5) kan formule (6) het volgende krijgen:

Uit formule (7) blijkt dat de thermische weerstand van convectieve warmteoverdracht recht evenredig is met Dh en omgekeerd evenredig met As.Te zien is dat de hydraulische diameter van de pijpleiding niet blindelings vergroot kan worden om de hoeveelheid circulerend water te vergroten, waardoor een goed koelend effect niet bereikt kan worden.Het verminderen van Rnv zal dienovereenkomstig de totale thermische weerstand van de radiator verminderen en het warmteafvoereffect versterken.Door formule (3) en formule (7) in formule (6) te vervangen, is de formule voor de berekening van de totale thermische weerstand:

Waarbij: le staat voor de lengte van de radiator;λf is de thermische geleidbaarheid van water en h is de warmteoverdrachtscoëfficiënt van geforceerde convectie van water.

1.3 Rekenvoorbeeld

Over het algemeen, wanneer de radiator van elektronische apparatuur de waterkoeling-warmtedissipatiemethode toepast, is de vloeistofcirculatie in de radiator verdeeld in twee typen: seriekanaal en parallel kanaal.Zoals weergegeven in figuur 1, worden respectievelijk de kanaaldwarsdoorsneden van de twee modellen getoond.Onder hen is model A een serie waterkanaaldistributie en het model is om verschillende koelribben toe te voegen aan elk serie waterkanaal.Het B-model is dat de parallelle waterkanalen alleen rechte kanalen hebben en dat de vloeistof door de parallelle waterkanalen van de waterinlaat naar de wateruitlaat stroomt.

De thermische geleidbaarheid van λf water wordt gekozen als 0,5 W/mK en de warmteoverdrachtscoëfficiënt van geforceerde convectie van h water is 1 000 W/m2K.Voor het gemak van de berekening worden de kleine afmetingen zoals de dikte van het koellichaam buiten beschouwing gelaten.De totale afmetingen van het koellichaam van de IGBT-module met vier kwadranten voor locomotieven zijn L=0,005 m, L=0,55 m en B=0,45 m.Aangezien de buitenafmetingen hetzelfde zijn, ligt het verschil in thermische weerstand tussen het serie A-model en het parallelle B-model in het verschil in As.Stel de oppervlakte van de bovenste en onderste panelen van de binnenwand van de radiator, de oppervlakte van de voor- en achterpanelen, de oppervlakte van de linker- en rechterpanelen en de totale oppervlakte van het koellichaam in als As1, As2, As3, en As4, respectievelijk.Het serie A-model heeft 19 interne koellichamen.As1=0.495m2, As2=0.0432m2, As3=0.0528m2, As4=0.8208m2.Het totale effectieve koeloppervlak wordt: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.Door elke parameter in formule (9) te vervangen, wordt de thermische weerstand van het serie A-model verkregen als:

Model B, zoals te zien is op de screenshot van de snelheidsverdeling, komt het water binnen via de waterinlaat en stroomt alleen door het middelste 1/3 van de radiator, en de stroomsnelheid van de andere delen aan de linker- en rechterkant is bijna 0, wat verwaarloosbaar is.Op deze manier kan het effectieve warmtedissipatiegebied van de bovenste en onderste panelen worden gedefinieerd als 1/3 van het totale oppervlak, en het effectieve warmtedissipatiegebied van de voor- en achterpanelen is ook 1/3 van het totale oppervlak.Geen waterstroom door de linker- en rechterpanelen telt niet als het effectieve warmteafvoeroppervlak.Het effectieve aantal waterstromen door het middelste koellichaam is 6 stuks.Dan zijn er:

2 Software voor het oplossen van de thermische weerstand van het koellichaam en het tekenen van een thermische weerstandscurve

2.1 Interfaceformulier

De vorm van de hoofdinterface wordt weergegeven in figuur 3. Afhankelijk van de behoeften ontwerpt deze software voornamelijk twee functionele modules.De ene is een module voor het berekenen van specifieke thermische weerstandswaarden voor waterkoeling en de andere is een module voor het tekenen van thermische weerstandscurven voor waterkoeling.

De interface van de module voor het berekenen van de thermische weerstand van de radiator waterkoeling wordt weergegeven in afbeelding 4.

Onder hen is l de lengte van de radiator, de eenheid is m;B is de breedte van de radiator, de eenheid is meter;L is de dikte van de radiator, de eenheid is meter;A is het totale effectieve koeloppervlak van de radiator, de eenheid is vierkante meter;h is de warmteoverdrachtscoëfficiënt water geforceerde convectie, eenheid W/m2K;λ is de thermische geleidbaarheid van water, de eenheid is W/mK.Het resultaat van de berekening is de thermische weerstandswaarde van de watergekoelde radiator en de eenheid is cm2K/W.De functie van deze module heeft de aard van berekening, die de berekening van de overeenkomstige thermische weerstandswaarde van de radiator kan realiseren onder de voorwaarden van de geometrische afmeting van de radiator, de warmteoverdrachtscoëfficiënt van geforceerde convectie van water en de thermische geleidbaarheid van water.De tekenmodule van de thermische weerstandscurve van de watergekoelde radiator wordt getoond in figuur 5 en figuur 6. De betekenis van de parameters is dezelfde als die in figuur 4. De watergekoelde radiatorcurve geeft de kwantitatieve relatie tussen de totale oppervlakte van de radiator, de warmteoverdrachtscoëfficiënt van geforceerde convectie van water en de thermische weerstand.Twee problemen zijn opgelost;voor een radiator met een bepaald effectief warmtedissipatiegebied, om een ​​specifieke thermische weerstand te bereiken, hoeveel warmteoverdrachtscoëfficiënt van geforceerde convectie van water moet worden bereikt, dat wil zeggen, hoeveel buisdiameter is nodig.Voor een specifieke geforceerde convectie warmteoverdrachtscoëfficiënt van water, hoe de thermische weerstand te regelen door het warmteafvoergebied van de radiator.

2.2 Instructies voor berekening van de thermische weerstand

Het tekenproces van de thermische weerstandscurven in Fig. 5 en Fig. 6 wordt hieronder geïllustreerd met voorbeelden.In "1.3 Voorbeelden" is de totale thermische weerstand van het serie A-model en het B-model berekend.Eerst vullen we de overeenkomstige lege plekken in met de thermische geleidbaarheid van water λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m.Kies dan het curvetype.Onder verschillende geforceerde convectie warmteoverdrachtscoëfficiënten van water, wordt de relatie tussen het effectieve warmtedissipatiegebied van de radiator en de thermische weerstand weergegeven in figuur 5. Onder verschillende effectieve warmtedissipatiegebieden, de relatie tussen de geforceerde convectie warmteoverdrachtscoëfficiënt van water en de thermische weerstand wordt getoond in Figuur 6. Er is ook "Bereken Waterkoeling Thermische Weerstand" linksonder in de interface, klik om de interface voor het berekenen van de thermische weerstand te openen, zoals getoond in de figuur.Vul elke parameterwaarde naar wens in: λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000W/m2K wanneer het invoergebied 1,4118 is. De berekende thermische weerstandswaarde is 92,502 801 066 337 cm2K/W, wat overeenkomt met het rekenmodel Een resultaat van bovenstaande formule 92.503 cm2K/W.