حساب المقاومة الحرارية للتبريد بالماء لمبرد IGBT عالي الطاقة

حساب المقاومة الحرارية للتبريد بالماء لمبرد IGBT عالي الطاقة

الخلاصة: من أجل تحسين قدرة التبديد الحراري للرادياتير المبرد بالماء وضمان تشغيله الموثوق به ، تم الاستشهاد بالمبادئ الأساسية والصيغ في نقل الحرارة ، والأبعاد الميكانيكية لشكل المبرد ، ومعامل انتقال الحرارة بالحمل القسري للماء ويتم استخدام الموصلية الحرارية للماء كمعلمات وتستمد المتغيرات صيغة حساب المقاومة الحرارية للتبريد بالماء في المشتت الحراري.في الوقت نفسه ، من أجل تلبية التطبيق العملي ، تم تطوير برنامج خاص لحساب المقاومة الحرارية للرادياتير المبرد بالماء ورسم المنحنى ، والذي يمكنه عرض منحنيات مختلفة للمقاومة الحرارية المتغيرة مع تغيرات المعلمات ، ويمكنه أيضًا الحساب والعرض بشكل مباشر قيم المقاومة الحرارية.يوفر مرجعًا بديهيًا ومريحًا للاختيار الأمثل للمعلمات في تصميم المبرد.

الكلمات الأساسية: المبرد المبرد بالماء ؛حساب المقاومة الحراريةبرمجة؛المبرد IGBT عالي الطاقة

قاطرة هارموني الكهربائية عبارة عن قاطرة كهربائية عاكس تيار متردد - تيار مستمر - تيار متردد باستخدام تقنية أشباه الموصلات عالية الطاقة.نظرًا لميزاتها التقنية مثل التنظيم المتقدم لسرعة تحويل تردد التيار المتردد ، والفرملة المتجددة ، والتحكم في محرك التيار المتردد عالي الطاقة ، ودرجة عالية من الأتمتة ، فهي تستخدم على نطاق واسع في القاطرات عالية السرعة وعالية الطاقة في نقل خطوط السكك الحديدية.يستخدم محول كل قاطرة ثلاثة أنواع من وحدات IGBT ، وهي: وحدة مفرمة رباعية (4QC) ووحدة عاكس جانب المحرك (Inv) ووحدة عاكس إضافية.التحقيق في أعطال 305 محولات قاطرة كهربائية HXD1B في مستودع قاطرة معين من يوليو 2009 إلى 4 مايو 2011 ، ووجد أن إجمالي 4880 وحدة قيد الاستخدام ، مع 255 عطلًا ، وعدد الأعطال تظهر وحدة IGBT ذلك في فشلت شريحة IGBT واحدة على الأقل.حتى الآن ، لم يكن هناك فشل في الوحدة لأسباب أخرى غير أجهزة أشباه موصلات الطاقة.يزداد هذا النوع من الفشل مع زيادة درجة الحرارة المحيطة الموسمية.يمكن الاستدلال على أن فشل IGBT يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتبديد الحرارة ، لذلك أصبح التبريد والحرارة الرقمية للأجهزة الإلكترونية أحد محاور البحث اللاحق.من خلال دراسة مشاكل التبريد والتبديد الحراري للجهاز ، يتم تحسين ظروف تبديد الحرارة وتحويلها ، بحيث يمكنه العمل لأطول فترة ممكنة في بيئة ذات درجة حرارة مناسبة وتقليل حدوث الحوادث ، مما يلعب دورًا مهمًا في الحفاظ على التشغيل الآمن لقاطرات السكك الحديدية.

في هذا البحث ، من خلال تحليل عملية تبديد الحرارة لمبرد IGBT عالي الطاقة ، تم الاستشهاد بالمبادئ الأساسية والصيغ في نقل الحرارة أولاً ، وينقسم حساب المقاومة الحرارية إلى المقاومة الحرارية للتوصيل الحراري المتولدة من المادة الصلبة. عملية نقل الحرارة في المبرد والمبرد ونظام التبريد.تتكون المقاومة الحرارية لنقل الحرارة الناتجة عن عملية نقل الحرارة بين السوائل من جزأين ، ويتم استنتاج حساب المقاومة الحرارية لتبريد الماء بالرادياتير بأخذ الحجم الميكانيكي لشكل المبرد ، ومعامل نقل الحرارة الحراري القسري للماء و معامل التوصيل الحراري للماء كمعاملات ومتغيرات.لتبسيط التحليل ، تم تجميع برنامج لحسابات المقاومة الحرارية.يحتوي البرنامج على واجهة تشغيل بسيطة وواضحة ، والتي يمكنها عرض منحنيات مختلفة للمقاومة الحرارية المتغيرة باستخدام المعلمات ، ويمكنها أيضًا حساب قيم المقاومة الحرارية وعرضها بشكل مباشر.يوفر مرجعًا بديهيًا ومريحًا لتحليل تصميم المبرد.

1 الصيغ والمبادئ الأساسية لانتقال الحرارة

1.1 المبدأ والطريقة الأساسية لنقل الحرارة

الصيغة الأساسية للتوصيل الحراري هي:

س = KA △ T ／ △ L (1)

في الصيغة ، تمثل Q الحرارة ، أي الحرارة المتولدة أو التي يتم إجراؤها عن طريق التوصيل الحراري ؛K هو معامل التوصيل الحراري للمادة.تمثل △ T فرق درجة الحرارة بين الطرفين ؛△ L هي المسافة بين الطرفين.يشير الحمل الحراري إلى نقل الحرارة حيث يتلامس سائل (غاز أو سائل) مع سطح صلب ، مما يتسبب في إزالة السائل للحرارة من السطح الصلب.

صيغة الحمل الحراري هي:

س = ها △ تي (2)

في الصيغة: Q لا تزال تمثل الحرارة ، أي الحرارة المأخوذة من الحمل الحراري ؛h هي قيمة معامل الحمل الحراري ؛أ هي منطقة التلامس الفعالة للحمل الحراري ؛تمثل △ T فرق درجة الحرارة بين السطح الصلب والسائل الإقليمي.

1.2 حساب المقاومة الحرارية

تمثل المقاومة الحرارية المقاومة في عملية التوصيل الحراري ، وهي معلمة شاملة تعكس القدرة على منع انتقال الحرارة.من أجل تبسيط التحليل ، بعد تبسيط نموذج المبرد ، يُنظر إلى وجود نوعين من المقاومة الحرارية لنقل الحرارة بالحمل الحراري والمقاومة الحرارية للتوصيل الحراري.توجد مقاومة حرارية للتوصيل الحراري في اللوحة المستوية للمشتت الحراري.صيغة الحساب هي:

Rnd = L ／ KA (3)

في الصيغة: L يمثل سمك لوحة المبرد ؛يمثل K الموصلية الحرارية للوحة الألومنيوم ؛يمثل A منطقة المقطع العرضي العمودية على اتجاه تدفق الحرارة ، أي مساحة اللوحة.

المقاومة الحرارية بين الماء في المبرد والمشتت الحراري هي المقاومة الحرارية لنقل الحرارة بالحمل الحراري.صيغة الحساب هي:

Rnv = 1 / هاس (4)

في الصيغة: يمثل إجمالي مساحة نقل الحرارة بالحمل الحراري الفعال ؛يمثل h معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري ، والذي يرتبط برقم Nusselt.وفقًا لصيغة حساب رقم Nusselt ، يمكن استنتاج صيغة حساب h بشكل عكسي على النحو التالي:

في الصيغة: Nu يمثل رقم Nusselt ؛λf يمثل التوصيل الحراري للسائل ؛h هنا يجب أن تكون الموصلية الحرارية للحمل الحراري القسري للمياه ؛Dh هو الطول الهندسي المميز الذي يمثل سطح نقل الحرارة ، ويمثل هنا القطر الهيدروليكي للأنبوب.

يتم حساب المقاومة الحرارية الإجمالية التي تحدد المشتت الحراري على النحو التالي:

Rtd = RnvλfB + RndKB (6)

في الصيغة: B يمثل عرض المبرد ، وقيم أخرى تم تقديمها في وقت سابق.عندما تكون الأبعاد الخارجية للرادياتير ثابتة ، يمكن أن نرى من الصيغة (3) أن R قيمة معينة ، وأن كلا من K و B قيمتان ثابتتان.إذا كانت λf ثابتة ، فإن المقاومة الحرارية الكلية للرادياتير ترتبط مباشرة بـ Rnv.دعونا نلقي نظرة على المقاومة الحرارية الحرارية لنقل الحرارة من المبرد.من الصيغة (5) ، يمكن الحصول على الصيغة (6):

يمكن أن نرى من الصيغة (7) أن المقاومة الحرارية لانتقال الحرارة بالحمل الحراري تتناسب طرديا مع Dh وتتناسب عكسيا مع As.يمكن ملاحظة أن القطر الهيدروليكي لخط الأنابيب لا يمكن زيادته بشكل أعمى من أجل زيادة كمية المياه المتداولة ، بحيث لا يمكن تحقيق تأثير تبريد جيد.سيؤدي تقليل Rnv في المقابل إلى تقليل المقاومة الحرارية الكلية للرادياتير وتعزيز تأثير تبديد الحرارة.استبدال الصيغة (3) والصيغة (7) في الصيغة (6) ، معادلة حساب المقاومة الحرارية الكلية هي:

حيث: يمثل le طول المبرد ؛λf هي الموصلية الحرارية للماء ، و h هي معامل انتقال الحرارة بالحمل القسري للماء.

1.3 مثال على الحساب

بشكل عام ، عندما يتبنى مشعاع المعدات الإلكترونية طريقة تبديد الحرارة بتبريد الماء ، يتم تقسيم الدورة الدموية السائلة داخل المبرد إلى نوعين: قناة متسلسلة وقناة متوازية.كما هو مبين في الشكل 1 ، يتم عرض المقاطع العرضية للقناة للنموذجين على التوالي.من بينها ، النموذج أ عبارة عن توزيع لقنوات المياه المتسلسلة ، والنموذج هو إضافة عدة زعانف تبريد لكل قناة مائية متسلسلة.النموذج B هو أن قنوات المياه الموازية لها قنوات مستقيمة فقط ، ويتدفق السائل عبر قنوات المياه الموازية من مدخل المياه إلى مخرج الماء.

يتم اختيار الموصلية الحرارية لـ λf من الماء على أنها 0.5W / mK ، ومعامل نقل الحرارة بالحمل القسري لماء h هو 1000 W / m2K.لسهولة الحساب ، يتم تجاهل الأبعاد الصغيرة مثل سمك المشتت الحراري.الأبعاد الكلية للمشتت الحراري لوحدة رباعية IGBT للقاطرات هي L = 0.005 م ، L = 0.55 م ، و B = 0.45 م.نظرًا لأن الأبعاد الخارجية هي نفسها ، فإن الاختلاف في المقاومة الحرارية بين نموذج السلسلة A ونموذج B الموازي يكمن في الاختلاف في As.اضبط مساحة الألواح العلوية والسفلية للجدار الداخلي للرادياتير ، ومنطقة الألواح الأمامية والخلفية ، ومنطقة الألواح اليمنى واليسرى ، والمساحة الإجمالية للمشتت الحراري كـ As1 ، As2 ، As3 ، و As4 على التوالي.يحتوي الطراز A على 19 مشتتًا حراريًا داخليًا.As1 = 0.495m2 ، As2 = 0.0432m2 ، As3 = 0.0528m2 ، As4 = 0.8208m2.يصبح إجمالي مساحة التبريد الفعالة: As = As1 + As2 + As3 + As4 = 1.4118 متر مربع.باستبدال كل معلمة في الصيغة (9) ، يتم الحصول على المقاومة الحرارية لنموذج السلسلة A على النحو التالي:

النموذج B ، كما يتضح من لقطة الشاشة لتوزيع السرعة ، يدخل الماء من مدخل الماء ، ويتدفق فقط خلال 1/3 الأوسط من المبرد ، وسرعة تدفق الأجزاء الأخرى على الجانبين الأيسر والأيمن يكاد يكون 0 ، وهو أمر لا يكاد يذكر.بهذه الطريقة ، يمكن تحديد منطقة تبديد الحرارة الفعالة للألواح العلوية والسفلية على أنها 1/3 من المساحة الكلية ، كما أن مساحة تبديد الحرارة الفعالة للألواح الأمامية والخلفية هي أيضًا 1/3 من المساحة الكلية.لا يتم احتساب أي تدفق للمياه عبر الألواح اليمنى واليسرى كمنطقة فعالة لتبديد الحرارة.العدد الفعال لتدفق الماء عبر المشتت الحراري الأوسط هو 6 قطع.ثم هناك:

2 برنامج لحل المقاومة الحرارية بالوعة الحرارة ورسم منحنى المقاومة الحرارية

2.1 شكل الواجهة

يظهر شكل الواجهة الرئيسية في الشكل 3. وفقًا للاحتياجات ، يقوم هذا البرنامج بتصميم وحدتين وظيفيتين بشكل أساسي.أحدهما عبارة عن وحدة لحساب قيم المقاومة الحرارية الخاصة بتبريد الماء ، والآخر عبارة عن وحدة لرسم منحنيات المقاومة الحرارية لتبريد الماء.

تظهر واجهة وحدة حساب المقاومة الحرارية لتبريد الماء في المبرد في الشكل 4.

من بينها ، طول المبرد ، الوحدة م ؛B هو عرض المبرد ، الوحدة متر ؛L - سمك المبرد ، الوحدة متر ؛أ هي إجمالي مساحة التبريد الفعالة للمبرد ، الوحدة متر مربع ؛h هو معامل نقل الحرارة بالحمل القسري للمياه ، الوحدة W / m2K ؛λ هي الموصلية الحرارية للماء ، الوحدة W / mK.نتيجة الحساب هي قيمة المقاومة الحرارية للرادياتير المبرد بالماء ، وتكون الوحدة cm2K / W.وظيفة هذه الوحدة لها طبيعة الحساب ، والتي يمكن أن تدرك حساب قيمة المقاومة الحرارية المقابلة للرادياتير في ظل ظروف الحجم الهندسي للرادياتير ، ومعامل نقل الحرارة بالحمل القسري للماء ، والتوصيل الحراري لـ ماء.يظهر الشكل 5 والشكل 6. وحدة الرسم لمنحنى المقاومة الحرارية للرادياتير المبرد بالماء في الشكل 5 والشكل 6. معنى معلماته هو نفسه كما في الشكل 4. يعطي منحنى المبرد بالماء العلاقة الكمية بين الإجمالي مساحة المبرد ، ومعامل انتقال الحرارة بالحمل القسري للماء ، والمقاومة الحرارية.تم حل مشكلتين ؛بالنسبة للرادياتير مع منطقة تبديد حرارة فعالة معينة ، من أجل تحقيق مقاومة حرارية محددة ، كم يجب تحقيق معامل نقل الحرارة بالحمل القسري للماء ، أي مقدار قطر الأنبوب المطلوب.بالنسبة لمعامل نقل حرارة الحمل القسري المحدد للماء ، وكيفية التحكم في المقاومة الحرارية من خلال منطقة تبديد الحرارة في المبرد.

2.2 تعليمات حساب المقاومة الحرارية

عملية رسم منحنيات المقاومة الحرارية في الشكل 5 والشكل 6 موضحة أدناه بأمثلة.في "1.3 أمثلة" ، تم حساب المقاومة الحرارية الكلية لنموذج السلسلة A والنموذج B.أولاً ، نملأ الفراغات المقابلة بالتوصيل الحراري للماء λ = 0.5 W / mk ، L = 0.005 m ، ls = 0.55 m ، B = 0.45 m.ثم اختر نوع المنحنى.تحت معاملات مختلفة لنقل الحرارة بالحمل القسري للماء ، تظهر العلاقة بين منطقة تبديد الحرارة الفعالة للرادياتير والمقاومة الحرارية في الشكل 5. تحت مناطق تبديد الحرارة الفعالة المختلفة ، العلاقة بين معامل انتقال الحرارة بالحمل القسري للماء و تظهر المقاومة الحرارية في الشكل 6. يوجد أيضًا "حساب المقاومة الحرارية لتبريد الماء" أسفل يسار الواجهة ، انقر للدخول إلى واجهة حساب المقاومة الحرارية ، كما هو موضح في الشكل.املأ كل قيمة معلمة على النحو المطلوب: λ = 0.5 W / mK ، L = 0.005 m ، ls = 0.55 m ، B = 0.45 m ، h = 1000W / m2K عندما تكون مساحة الإدخال 1.4118 قيمة المقاومة الحرارية المحسوبة هي 92.502 801 066337 cm2K / W ، وهو ما يتوافق مع نموذج الحساب نتيجة للصيغة أعلاه 92.503 cm2K / W.