Cálculo da resistência térmica do resfriamento a água do radiador IGBT de alta potência

Cálculo da resistência térmica do resfriamento a água do radiador IGBT de alta potência

Resumo: Para otimizar a capacidade de dissipação de calor do radiador refrigerado a água e garantir sua operação confiável, são citados os princípios básicos e fórmulas na transferência de calor, e as dimensões mecânicas da forma do radiador, o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água e a condutividade térmica da água são usados ​​como parâmetros e as variáveis ​​derivam a fórmula para calcular a resistência térmica de resfriamento de água do dissipador de calor.Ao mesmo tempo, a fim de atender a aplicação prática, foi desenvolvido um software especial de cálculo de resistência térmica de radiador refrigerado a água e desenho de curva, que pode exibir várias curvas de mudança de resistência térmica com alterações de parâmetro, e também pode calcular e exibir diretamente valores de resistência térmica.Ele fornece uma referência intuitiva e conveniente para a seleção ideal de parâmetros no projeto do radiador.

Palavras-chave: radiador refrigerado a água;cálculo de resistência térmica;Programas;radiador IGBT de alta potência

A locomotiva elétrica Harmony é uma locomotiva elétrica inversora AC-DC-AC que usa tecnologia de semicondutores de alta potência.Por causa de suas características técnicas, como regulação de velocidade de conversão de frequência CA avançada, frenagem regenerativa, controle de motor CA de alta potência e alto grau de automação, é amplamente utilizado em locomotivas de alta velocidade e alta potência no transporte ferroviário de linha tronco.O conversor de cada locomotiva usa três tipos de módulos IGBT, a saber: módulo chopper de quatro quadrantes (4QC), módulo inversor lateral do motor (Inv) e módulo inversor auxiliar.Investigou as falhas de conversores de locomotivas elétricas 305 HXD1B em um determinado depósito de locomotivas de julho de 2009 a 4 de maio de 2011 e descobriu que um total de 4.880 módulos estavam em uso, com 255 falhas, e o número de falhas O módulo IGBT mostra que em pelo menos um chip IGBT falhou.Até agora, não houve nenhuma falha de módulo causada por outros motivos além dos dispositivos semicondutores de potência.Este tipo de falha aumenta com o aumento da temperatura ambiente sazonal.Pode-se inferir que a falha do IGBT está intimamente relacionada à sua dissipação de calor, portanto, o resfriamento e o calor digital de dispositivos eletrônicos tornaram-se um dos focos de pesquisas posteriores.Ao estudar os problemas de resfriamento e dissipação de calor do dispositivo, as condições de dissipação de calor são otimizadas e transformadas, para que ele funcione o maior tempo possível em um ambiente com temperatura adequada e reduza a incidência de acidentes, o que desempenha um papel importante na manutenção da operação segura de locomotivas ferroviárias.

Neste artigo, através da análise do processo de dissipação de calor do radiador IGBT de alta potência, os princípios básicos e fórmulas na transferência de calor são citados primeiro, e o cálculo da resistência térmica é dividido em resistência térmica de condução de calor gerada pelo sólido processo de transferência de calor no radiador e no radiador e sistema de refrigeração.A resistência térmica de transferência de calor por convecção produzida pelo processo de transferência de calor entre os líquidos é de duas partes, e o cálculo da resistência térmica de resfriamento de água do radiador é deduzido tomando o tamanho mecânico da forma do radiador, o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água e o coeficiente de condutividade térmica da água como parâmetros e fórmula de variáveis.Para simplificar a análise, foi compilado um software para cálculos de resistência térmica.O software possui uma interface de operação simples e clara, que pode exibir várias curvas de resistência térmica que mudam com os parâmetros e também pode calcular e exibir diretamente os valores de resistência térmica.Ele fornece uma referência intuitiva e conveniente para a análise do projeto do radiador.

1 Fórmulas básicas e princípios de transferência de calor

1.1 O princípio e a forma básica de transferência de calor

A fórmula básica para a condução de calor é:

Q=KA△T／△L (1)

Na fórmula, Q representa o calor, ou seja, o calor gerado ou conduzido por condução de calor;K é o coeficiente de condutividade térmica do material.△T representa a diferença de temperatura entre as duas extremidades;△L é a distância entre as duas extremidades.A convecção refere-se à transferência de calor na qual um fluido (gás ou líquido) entra em contato com uma superfície sólida, fazendo com que o fluido remova o calor da superfície sólida.

A fórmula da convecção de calor é:

Q=hA△T (2)

Na fórmula: Q ainda representa o calor, ou seja, o calor retirado pela convecção de calor;h é o valor do coeficiente de convecção de calor;A é a área de contato efetiva da convecção de calor;△T representa a diferença de temperatura entre a superfície sólida e o fluido regional.

1.2 Cálculo da resistência térmica

A resistência térmica representa a resistência no processo de condução de calor e é um parâmetro abrangente que reflete a capacidade de impedir a transferência de calor.Para simplificar a análise, depois de simplificar o modelo do radiador, considera-se que existem duas formas de resistência térmica de transferência de calor convectiva e resistência térmica de condução térmica.Existe uma resistência térmica de condução de calor na placa plana do dissipador de calor.A fórmula de cálculo é:

Rnd=L／KA (3)

Na fórmula: L representa a espessura da placa do radiador;K representa a condutividade térmica da placa de alumínio;A representa a área da seção transversal perpendicular à direção do fluxo de calor, ou seja, a área da placa.

A resistência térmica entre a água no radiador e o dissipador de calor é a resistência térmica de transferência de calor por convecção.A fórmula de cálculo é:

Rnv=1/hAs (4)

Na fórmula: As representa a área efetiva total de transferência de calor por convecção;h representa o coeficiente de transferência de calor por convecção, que está relacionado com o número de Nusselt.De acordo com a fórmula de cálculo do número de Nusselt, a fórmula de cálculo de h pode ser inversamente deduzida da seguinte forma:

Na fórmula: Nu representa o número de Nusselt;λf representa a condutividade térmica do fluido;h aqui deve ser a condutividade térmica da convecção forçada da água;Dh é o comprimento característico geométrico que representa a superfície de transferência de calor, aqui representa o diâmetro hidráulico do tubo.

A resistência térmica total que define o dissipador de calor é calculada da seguinte forma:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

Na fórmula: B representa a largura do radiador e outros valores são introduzidos anteriormente.Quando as dimensões externas do radiador são fixas, pode-se ver na fórmula (3) que Rnd é um determinado valor e K e B são valores fixos.Se λf for constante, a resistência térmica total do radiador está diretamente relacionada com Rnv.Vejamos a resistência térmica de transferência de calor por convecção do radiador.Da fórmula (5), a fórmula (6) pode obter:

Pode ser visto na fórmula (7) que a resistência térmica da transferência de calor por convecção é diretamente proporcional a Dh e inversamente proporcional a As.Pode-se ver que o diâmetro hidráulico da tubulação não pode ser aumentado cegamente para aumentar a quantidade de água circulante, de modo que um bom efeito de resfriamento não possa ser alcançado.A redução de Rnv reduzirá correspondentemente a resistência térmica total do radiador e aumentará o efeito de dissipação de calor.Substituindo a fórmula (3) e a fórmula (7) na fórmula (6), a fórmula de cálculo da resistência térmica total é:

Onde: le representa o comprimento do radiador;λf é a condutividade térmica da água, e h é o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água.

1.3 Exemplo de cálculo

Geralmente, quando o radiador do equipamento eletrônico adota o método de dissipação de calor por resfriamento a água, a circulação do líquido dentro do radiador é dividida em dois tipos: canal em série e canal paralelo.Conforme mostrado na Figura 1, as seções transversais do canal dos dois modelos são mostradas respectivamente.Entre eles, o modelo A é uma distribuição de canal de água em série, e o modelo é adicionar várias aletas de resfriamento a cada canal de água em série.O modelo B é que os canais de água paralelos têm apenas canais retos e o líquido flui através dos canais de água paralelos da entrada de água para a saída de água.

A condutividade térmica da água λf é selecionada como 0,5 W/mK, e o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água h é 1 000 W/m2K.Para facilitar o cálculo, as pequenas dimensões, como a espessura do dissipador de calor, são ignoradas.As dimensões gerais do dissipador de calor do módulo de quatro quadrantes IGBT para locomotivas são L=0,005 m, L=0,55 m e B=0,45 m.Como as dimensões externas são as mesmas, a diferença na resistência térmica entre o modelo série A e o modelo paralelo B está na diferença em As.Defina a área dos painéis superior e inferior da parede interna do radiador, a área dos painéis frontal e traseiro, a área dos painéis esquerdo e direito e a área total do dissipador de calor como As1, As2, As3, e As4, respectivamente.O modelo da série A possui 19 dissipadores de calor internos.As1=0,495m2, As2=0,0432m2, As3=0,0528m2, As4=0,8208m2.A área de resfriamento efetiva total torna-se: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.Substituindo cada parâmetro na fórmula (9), a resistência térmica do modelo da série A é obtida como:

Modelo B, como pode ser visto na captura de tela da distribuição de velocidade, a água entra pela entrada de água e flui apenas pelo meio 1/3 do radiador, e a velocidade de fluxo das outras partes nos lados esquerdo e direito é quase 0, o que é desprezível.Desta forma, a área efetiva de dissipação de calor dos painéis superior e inferior pode ser definida como 1/3 da área total, e a área efetiva de dissipação de calor dos painéis frontal e traseiro também é 1/3 da área total.Nenhum fluxo de água através dos painéis esquerdo e direito não conta como área efetiva de dissipação de calor.O número efetivo de fluxo de água através do dissipador de calor intermediário é de 6 peças.Então há:

2 Software para resolver a resistência térmica do dissipador de calor e desenhar a curva de resistência térmica

2.1 Formulário de interface

A forma da interface principal é mostrada na Figura 3. De acordo com as necessidades, este software projeta principalmente dois módulos funcionais.Um é um módulo para calcular valores específicos de resistência térmica de resfriamento de água e o outro é um módulo para desenhar curvas de resistência térmica de resfriamento de água.

A interface do módulo de cálculo da resistência térmica do resfriamento a água do radiador é mostrada na Figura 4.

Entre eles, l é o comprimento do radiador, a unidade é m;B é a largura do radiador, a unidade é metro;L é a espessura do radiador, a unidade é metro;A é a área de resfriamento efetiva total do radiador, a unidade é metro quadrado;h é o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água, unidade W/m2K;λ é a condutividade térmica da água, a unidade é W/mK.O resultado do cálculo é o valor da resistência térmica do radiador refrigerado a água e a unidade é cm2K/W.A função deste módulo tem a natureza de cálculo, que pode realizar o cálculo do valor de resistência térmica correspondente do radiador sob as condições do tamanho geométrico do radiador, o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água e a condutividade térmica do água.O módulo de desenho da curva de resistência térmica do radiador refrigerado a água é mostrado na Figura 5 e na Figura 6. O significado de seus parâmetros é o mesmo da Figura 4. A curva do radiador refrigerado a água fornece a relação quantitativa entre o total área do radiador, o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água e a resistência térmica.Dois problemas são resolvidos;para um radiador com uma determinada área efetiva de dissipação de calor, para atingir uma determinada resistência térmica, quanto é necessário atingir o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água, ou seja, quanto diâmetro do tubo é necessário.Para um coeficiente específico de transferência de calor por convecção forçada da água, como controlar a resistência térmica através da área de dissipação de calor do radiador.

2.2 Instruções de Cálculo da Resistência Térmica

O processo de desenho das curvas de resistência térmica na Fig. 5 e Fig. 6 é ilustrado abaixo com exemplos.Em "1.3 Exemplos" foi calculada a resistência térmica total do modelo da série A e do modelo B.Primeiro, preenchemos os espaços em branco correspondentes com a condutividade térmica da água λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m.Em seguida, escolha o tipo de curva.Sob diferentes coeficientes de transferência de calor por convecção forçada da água, a relação entre a área efetiva de dissipação de calor do radiador e a resistência térmica é mostrada na Figura 5. Sob diferentes áreas efetivas de dissipação de calor, a relação entre o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada da água e a resistência térmica é mostrada na Figura 6. Há também "Calcular resistência térmica de resfriamento de água" na parte inferior esquerda da interface, clique para entrar na interface de cálculo de resistência térmica, conforme mostrado na figura.Preencha cada valor de parâmetro conforme necessário: λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000W/m2K quando a área de entrada é 1,4118 O valor calculado da resistência térmica é 92,502 801 066 337 cm2K/W, que é consistente com o modelo de cálculo A resultado da fórmula acima 92,503 cm2K/W.