Tính toán khả năng chịu nhiệt làm mát bằng nước của bộ tản nhiệt IGBT công suất cao

Tính toán khả năng chịu nhiệt làm mát bằng nước của bộ tản nhiệt IGBT công suất cao

Tóm tắt: Để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt của bộ tản nhiệt làm mát bằng nước và đảm bảo cho bộ tản nhiệt hoạt động tin cậy, dẫn ra các nguyên lý và công thức cơ bản trong truyền nhiệt, kích thước cơ học hình dáng bộ tản nhiệt, hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước và hệ số dẫn nhiệt của nước được sử dụng làm thông số và Biến số rút ra công thức tính hệ số cản nhiệt tản nhiệt nước của tản nhiệt.Đồng thời, để đáp ứng ứng dụng thực tế, một phần mềm vẽ đường cong và tính toán điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt làm mát bằng nước đặc biệt đã được phát triển, có thể hiển thị các đường cong khác nhau của điện trở nhiệt thay đổi khi thay đổi thông số, đồng thời cũng có thể trực tiếp tính toán và hiển thị các giá trị điện trở nhiệt.Nó cung cấp một tài liệu tham khảo trực quan và thuận tiện để lựa chọn tối ưu các tham số trong thiết kế bộ tản nhiệt.

Từ khóa: tản nhiệt nước;tính toán điện trở nhiệt;phần mềm;bộ tản nhiệt IGBT công suất cao

Đầu máy điện Harmony là đầu máy điện biến tần AC-DC-AC sử dụng công nghệ bán dẫn công suất cao.Do các tính năng kỹ thuật của nó như điều chỉnh tốc độ chuyển đổi tần số AC tiên tiến, phanh tái tạo, điều khiển động cơ AC công suất cao và mức độ tự động hóa cao, nên nó được sử dụng rộng rãi trong các đầu máy tốc độ cao và công suất cao trong vận chuyển đường sắt.Bộ chuyển đổi của mỗi đầu máy sử dụng ba loại mô-đun IGBT, cụ thể là: mô-đun chopper bốn góc phần tư (4QC), mô-đun biến tần phía động cơ (Inv) và mô-đun biến tần phụ trợ.Đã điều tra lỗi của 305 bộ chuyển đổi đầu máy điện HXD1B trong một kho đầu máy nhất định từ tháng 7 năm 2009 đến ngày 4 tháng 5 năm 2011 và phát hiện ra rằng có tổng cộng 4.880 mô-đun đang được sử dụng, với 255 lỗi và số lượng lỗi Mô-đun IGBT cho thấy tại ít nhất một chip IGBT bị lỗi.Cho đến nay, không có lỗi mô-đun nào gây ra bởi các nguyên nhân khác ngoài các thiết bị bán dẫn điện.Loại hư hỏng này tăng lên cùng với sự gia tăng nhiệt độ môi trường theo mùa.Có thể suy ra rằng sự thất bại của IGBT có liên quan mật thiết đến khả năng tản nhiệt của nó, vì vậy việc làm mát và tản nhiệt kỹ thuật số của các thiết bị điện tử đã trở thành một trong những trọng tâm của nghiên cứu sau này.Bằng cách nghiên cứu các vấn đề làm mát và tản nhiệt của thiết bị, các điều kiện tản nhiệt được tối ưu hóa và biến đổi để thiết bị có thể hoạt động lâu nhất có thể trong môi trường có nhiệt độ phù hợp và giảm tỷ lệ tai nạn, đóng vai trò quan trọng trong duy trì hoạt động an toàn đầu máy đường sắt.

Trong bài báo này, thông qua việc phân tích quá trình tản nhiệt của bộ tản nhiệt IGBT công suất cao, các nguyên tắc và công thức cơ bản trong truyền nhiệt được trích dẫn trước tiên, và việc tính toán điện trở nhiệt được chia thành điện trở nhiệt dẫn nhiệt do chất rắn tạo ra. quá trình truyền nhiệt trong bộ tản nhiệt và hệ thống tản nhiệt và làm mát.Điện trở nhiệt truyền nhiệt đối lưu được tạo ra bởi quá trình truyền nhiệt giữa các chất lỏng là hai phần và việc tính toán điện trở nhiệt làm mát bằng nước của bộ tản nhiệt được suy ra bằng cách lấy kích thước cơ học của hình dạng bộ tản nhiệt, hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước và hệ số dẫn nhiệt của nước dưới dạng tham số và công thức biến.Để đơn giản hóa việc phân tích, phần mềm tính toán điện trở nhiệt đã được biên soạn.Phần mềm này có giao diện hoạt động đơn giản và rõ ràng, có thể hiển thị các đường cong khác nhau của điện trở nhiệt thay đổi theo các thông số, đồng thời có thể trực tiếp tính toán và hiển thị các giá trị điện trở nhiệt.Nó cung cấp một tài liệu tham khảo trực quan và thuận tiện cho việc phân tích thiết kế của bộ tản nhiệt.

1 Công thức cơ bản và nguyên lý truyền nhiệt

1.1 Nguyên lý và cách truyền nhiệt cơ bản

Công thức cơ bản để dẫn nhiệt là:

Q=KA△T／△L (1)

Trong công thức, Q đại diện cho nhiệt lượng, tức là nhiệt lượng sinh ra hoặc dẫn nhiệt;K là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu.△T đại diện cho chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu;△L là khoảng cách giữa hai đầu.Đối lưu đề cập đến sự truyền nhiệt trong đó chất lỏng (khí hoặc chất lỏng) tiếp xúc với bề mặt rắn, làm cho chất lỏng loại bỏ nhiệt khỏi bề mặt rắn.

Công thức đối lưu nhiệt là:

Q=hA△T (2)

Trong công thức: Q còn biểu thị nhiệt lượng, tức là nhiệt lượng do đối lưu nhiệt mang đi;h là giá trị hệ số đối lưu nhiệt;A là diện tích tiếp xúc đối lưu nhiệt hiệu quả;△T đại diện cho chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt chất rắn và chất lỏng khu vực.

1.2 Tính toán điện trở nhiệt

Điện trở nhiệt đại diện cho điện trở trong quá trình dẫn nhiệt và nó là một thông số toàn diện phản ánh khả năng ngăn chặn sự truyền nhiệt.Để đơn giản hóa việc phân tích, sau khi đơn giản hóa mô hình bộ tản nhiệt, người ta coi có hai dạng điện trở nhiệt truyền nhiệt đối lưu và điện trở nhiệt dẫn nhiệt.Có một điện trở nhiệt dẫn nhiệt trong tấm phẳng của tản nhiệt.Công thức tính là:

Rnd=L／KA (3)

Trong công thức: L là độ dày của tấm tản nhiệt;K đại diện cho độ dẫn nhiệt của tấm nhôm;A đại diện cho diện tích mặt cắt ngang vuông góc với hướng dòng nhiệt, nghĩa là diện tích của tấm.

Điện trở nhiệt giữa nước trong bộ tản nhiệt và tản nhiệt là điện trở nhiệt truyền nhiệt đối lưu.Công thức tính là:

Rnv=1/hAs (4)

Trong công thức: As biểu thị tổng diện tích truyền nhiệt đối lưu hiệu quả;h đại diện cho hệ số truyền nhiệt đối lưu, có liên quan đến số Nusselt.Theo công thức tính số Nusselt, công thức tính h có thể suy ra ngược lại như sau:

Trong công thức: Nu đại diện cho số Nusselt;λf đại diện cho độ dẫn nhiệt của chất lỏng;h ở đây phải là độ dẫn nhiệt của nước đối lưu cưỡng bức;Dh là chiều dài đặc trưng hình học thể hiện bề mặt truyền nhiệt, ở đây thể hiện đường kính thủy lực của ống.

Tổng điện trở nhiệt xác định tản nhiệt được tính như sau:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

Trong công thức: B đại diện cho chiều rộng của bộ tản nhiệt và các giá trị khác được giới thiệu trước đó.Khi các kích thước bên ngoài của bộ bức xạ được cố định, từ công thức (3) có thể thấy rằng Rnd là một giá trị nhất định và cả K và B đều là các giá trị cố định.Nếu λf không đổi, tổng điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt liên quan trực tiếp đến Rnv.Hãy nhìn vào điện trở nhiệt truyền nhiệt đối lưu của bộ tản nhiệt.Từ công thức (5), công thức (6) được:

Từ công thức (7) có thể thấy nhiệt trở của quá trình truyền nhiệt đối lưu tỷ lệ thuận với Dh và tỷ lệ nghịch với As.Có thể thấy rằng đường kính thủy lực của đường ống không thể tăng lên một cách mù quáng để tăng lượng nước tuần hoàn, do đó không thể đạt được hiệu quả làm mát tốt.Giảm Rnv tương ứng sẽ làm giảm tổng điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt và nâng cao hiệu quả tản nhiệt.Thay công thức (3) và công thức (7) vào công thức (6), công thức tính nhiệt trở tổng là:

Trong đó: le đại diện cho chiều dài của bộ tản nhiệt;λf là hệ số dẫn nhiệt của nước và h là hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước.

1.3 Ví dụ tính toán

Nói chung, khi bộ tản nhiệt của thiết bị điện tử áp dụng phương pháp tản nhiệt làm mát bằng nước, sự lưu thông chất lỏng bên trong bộ tản nhiệt được chia thành hai loại: kênh nối tiếp và kênh song song.Như thể hiện trong Hình 1, các mặt cắt kênh của hai mô hình được hiển thị tương ứng.Trong số đó, mô hình A là phân phối kênh nước theo sê-ri và mô hình này là thêm một số vây làm mát cho mỗi kênh nước sê-ri.Mô hình B là các kênh nước song song chỉ có các kênh thẳng và chất lỏng chảy qua các kênh nước song song từ đầu vào nước đến đầu ra nước.

Độ dẫn nhiệt của λf nước được chọn là 0,5W/mK và hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của h nước là 1 000 W/m2K.Để thuận tiện cho việc tính toán, các kích thước nhỏ như độ dày của tản nhiệt được bỏ qua.Kích thước tổng thể của bộ tản nhiệt của mô-đun bốn góc phần tư IGBT dành cho đầu máy xe lửa là L=0,005 m, L=0,55 m và B=0,45 m.Vì kích thước bên ngoài giống nhau nên sự khác biệt về khả năng chịu nhiệt giữa kiểu máy sê-ri A và kiểu máy B song song nằm ở sự khác biệt về As.Đặt diện tích của các tấm trên và dưới của thành trong của bộ tản nhiệt, diện tích của các tấm phía trước và phía sau, diện tích của các tấm bên trái và bên phải, và tổng diện tích của bộ tản nhiệt là As1, As2, As3, và As4, tương ứng.Model series A có 19 tản nhiệt bên trong.As1=0,495m2, As2=0,0432m2, As3=0,0528m2, As4=0,8208m2.Tổng diện tích làm mát hiệu quả trở thành: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.Thay thế từng tham số vào công thức (9), điện trở nhiệt của mô hình sê-ri A thu được là:

Mô hình B, như có thể thấy từ ảnh chụp màn hình của phân bố vận tốc, nước đi vào từ cửa hút nước và chỉ chảy qua 1/3 giữa của bộ tản nhiệt, còn vận tốc dòng chảy của các bộ phận khác ở bên trái và bên phải gần bằng 0, không đáng kể.Bằng cách này, diện tích tản nhiệt hiệu quả của các tấm trên và dưới có thể được xác định bằng 1/3 diện tích tổng thể và diện tích tản nhiệt hiệu quả của các tấm phía trước và sau cũng bằng 1/3 diện tích tổng thể.Không có nước chảy qua tấm bên trái và bên phải không được tính là diện tích tản nhiệt hiệu quả.Số lượng hiệu quả của dòng nước chảy qua tản nhiệt giữa là 6 miếng.Sau đó là:

2 Phần mềm giải nhiệt trở tản nhiệt và vẽ đường cong nhiệt trở

2.1 Hình thức giao diện

Hình thức của giao diện chính được hiển thị trong Hình 3. Theo nhu cầu, phần mềm này chủ yếu thiết kế hai mô-đun chức năng.Một là mô-đun để tính toán các giá trị điện trở nhiệt làm mát bằng nước cụ thể và mô-đun còn lại là mô-đun để vẽ các đường cong điện trở nhiệt làm mát bằng nước.

Giao diện của mô-đun tính toán điện trở nhiệt làm mát bằng nước của bộ tản nhiệt được thể hiện trong Hình 4.

Trong số đó, l là chiều dài của bộ tản nhiệt, đơn vị là m;B là chiều rộng của bộ tản nhiệt, đơn vị tính là mét;L là độ dày của bộ tản nhiệt, đơn vị tính là mét;A là tổng diện tích làm mát hiệu quả của bộ tản nhiệt, đơn vị là mét vuông;h là hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước, đơn vị W/m2K;λ là hệ số dẫn nhiệt của nước, đơn vị là W/mK.Kết quả tính toán là giá trị điện trở nhiệt của tản nhiệt làm mát bằng nước, đơn vị là cm2K/W.Chức năng của mô-đun này có tính chất tính toán, có thể thực hiện tính toán giá trị điện trở nhiệt tương ứng của bộ tản nhiệt trong các điều kiện về kích thước hình học của bộ tản nhiệt, hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước và độ dẫn nhiệt của Nước.Mô-đun vẽ đường cong điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt làm mát bằng nước được thể hiện trong Hình 5 và Hình 6. Ý nghĩa của các tham số của nó giống như trong Hình 4. Đường cong của bộ tản nhiệt làm mát bằng nước đưa ra mối quan hệ định lượng giữa tổng diện tích của bộ tản nhiệt, hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước và khả năng chịu nhiệt.Hai vấn đề được giải quyết;đối với bộ tản nhiệt có diện tích tản nhiệt hiệu quả nhất định, để đạt được nhiệt trở cụ thể thì cần đạt được hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước là bao nhiêu, tức là cần đường kính ống bao nhiêu.Đối với hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức cụ thể của nước, cách khống chế điện trở nhiệt qua diện tích tản nhiệt của bộ tản nhiệt.

2.2 Hướng dẫn tính toán điện trở nhiệt

Quá trình vẽ các đường cong điện trở nhiệt trong Hình 5 và Hình 6 được minh họa bên dưới bằng các ví dụ.Trong "1.3 Ví dụ", tổng điện trở nhiệt của mẫu sê-ri A và mẫu B đã được tính toán.Đầu tiên, chúng ta điền vào các ô trống tương ứng với hệ số dẫn nhiệt của nước λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m.Sau đó chọn kiểu đường cong.Dưới các hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức khác nhau của nước, mối quan hệ giữa diện tích tản nhiệt hiệu quả của bộ tản nhiệt và điện trở nhiệt được thể hiện trong Hình 5. Trong các diện tích tản nhiệt hiệu quả khác nhau, mối quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nước và điện trở nhiệt được hiển thị trong Hình 6. Ngoài ra còn có "Tính toán điện trở nhiệt của nước làm mát" ở phía dưới bên trái của giao diện, nhấp để vào giao diện tính toán điện trở nhiệt, như thể hiện trong hình.Điền vào từng giá trị tham số theo yêu cầu: λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000W/m2K khi diện tích đầu vào là 1,4118 Giá trị điện trở nhiệt được tính toán là 92,502 801 066 337 cm2K/W, phù hợp với mô hình tính toán Kết quả của công thức trên 92,503 cm2K/W.