고출력 IGBT 라디에이터의 수냉 열저항 계산

고출력 IGBT 라디에이터의 수냉 열저항 계산

개요: 수냉식 라디에이터의 방열 능력을 최적화하고 안정적인 작동을 보장하기 위해 열 전달의 기본 원리와 공식을 인용하고 라디에이터 형상의 기계적 치수, 물의 강제 대류 열 전달 계수 물의 열전도율을 매개변수로 사용하고 변수는 방열판의 수냉 열 저항을 계산하는 공식을 유도합니다.동시에 실용적인 응용을 충족시키기 위해 특수 수냉식 라디에이터 열 저항 계산 및 곡선 그리기 소프트웨어가 개발되었습니다. 이 소프트웨어는 매개변수 변경에 따라 변화하는 다양한 열 저항 곡선을 표시할 수 있으며 직접 계산 및 표시할 수도 있습니다. 열 저항 값.라디에이터 설계에서 최적의 매개변수 선택을 위한 직관적이고 편리한 참조를 제공합니다.

키워드: 수냉식 라디에이터;열 저항 계산;소프트웨어;고전력 IGBT 라디에이터

Harmony 전기 기관차는 고전력 반도체 기술을 사용하는 AC-DC-AC 인버터 전기 기관차입니다.고급 AC 주파수 변환 속도 조절, 회생 제동, 고출력 AC 모터 제어 및 고도의 자동화와 같은 기술적 특징으로 인해 철도 간선 운송의 고속 및 고출력 기관차에 널리 사용됩니다.각 기관차의 컨버터는 4QC(four-quadrant chopper) 모듈, 모터측 인버터 모듈(Inv) 및 보조 인버터 모듈의 세 가지 IGBT 모듈을 사용합니다.2009년 7월부터 2011년 5월 4일까지 특정 기관차 창고에서 305개의 HXD1B 전기 기관차 변환기의 결함을 조사한 결과 총 4,880개의 모듈이 사용 중이었고 255개의 결함이 있었으며 결함 수 IGBT 모듈은 다음을 보여줍니다. 적어도 하나의 IGBT 칩이 고장났습니다.지금까지 전력반도체 소자 이외의 원인으로 인한 모듈 고장은 없었다.이러한 종류의 고장은 계절별 주변 온도가 증가함에 따라 증가합니다.IGBT의 고장은 방열과 밀접하게 관련되어 있다고 추론할 수 있으므로 전자 장치의 냉각 및 디지털 열은 이후 연구의 초점 중 하나가 되었습니다.장치의 냉각 및 방열 문제를 연구하여 방열 조건을 최적화하고 변형하여 적절한 온도의 환경에서 최대한 오래 작동하고 사고 발생률을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 철도 기관차의 안전한 운행을 유지합니다.

본 논문에서는 고출력 IGBT 라디에이터의 방열과정 분석을 통해 열전달의 기본원리와 공식을 먼저 인용하고, 열저항 계산은 고체에 의해 발생하는 열전도 열저항으로 구분한다. 라디에이터와 라디에이터 및 냉각 시스템의 열 전달 과정.액체 사이의 열전달 과정에 의해 발생하는 대류 열전달 열저항은 두 부분이며, 라디에이터 수냉 열저항의 계산은 라디에이터 형상의 기계적 크기, 물의 강제 대류 열전달 계수 및 매개 변수 및 변수 공식으로 물의 열전도 계수.분석을 단순화하기 위해 열 저항 계산을 위한 소프트웨어가 컴파일되었습니다.이 소프트웨어는 간단하고 명확한 작동 인터페이스를 가지고 있어 매개변수에 따라 변화하는 다양한 열 저항 곡선을 표시할 수 있으며 열 저항 값을 직접 계산하고 표시할 수도 있습니다.라디에이터의 설계 해석을 위한 직관적이고 편리한 참고 자료를 제공합니다.

1 열 전달의 기본 공식 및 원리

1.1 열전달의 원리와 기본 방식

열전도의 기본 공식은 다음과 같습니다.

Q=KA△T／△L (1)

공식에서 Q는 열, 즉 열전도에 의해 생성되거나 전도되는 열을 나타냅니다.K는 재료의 열전도 계수입니다.△T는 두 끝 사이의 온도차를 나타냅니다.△L은 두 끝 사이의 거리입니다.대류는 유체(기체 또는 액체)가 고체 표면과 접촉하여 유체가 고체 표면에서 열을 제거하는 열 전달을 말합니다.

열 대류 공식은 다음과 같습니다.

Q=hA△T (2)

공식에서 Q는 여전히 열, 즉 열 대류에 의해 빼앗긴 열을 나타냅니다.h는 열 대류 계수의 값입니다.A는 열 대류의 유효 접촉 면적입니다.△T는 고체 표면과 국부 유체 사이의 온도차를 나타냅니다.

1.2 열 저항 계산

열저항은 열전도 과정에서의 저항을 나타내며, 열전달을 방지하는 능력을 반영하는 종합적인 매개변수입니다.해석을 단순화하기 위해 라디에이터 모델을 단순화한 후 대류 열전달 열저항과 열전도 열저항의 두 가지 형태가 있다고 생각한다.방열판의 평면판에는 열전도 열 저항이 있습니다.계산 공식은 다음과 같습니다.

Rnd=L／KA (3)

공식에서 L은 방열판의 두께를 나타냅니다.K는 판 알루미늄의 열전도율을 나타내고;A는 열 흐름 방향에 수직인 단면적, 즉 판의 면적을 나타냅니다.

라디에이터의 물과 방열판 사이의 열 저항은 대류 열 전달 열 저항입니다.계산 공식은 다음과 같습니다.

Rnv=1/hAs (4)

공식에서: As는 총 유효 대류 열 전달 면적을 나타냅니다.h는 Nusselt 수와 관련된 대류 열전달 계수를 나타냅니다.Nusselt 수의 계산 공식에 따르면 h의 계산 공식은 다음과 같이 역으로 추론할 수 있습니다.

수식에서 Nu는 Nusselt 수를 나타냅니다.λf는 유체의 열전도율을 나타냅니다.여기서 h는 물 강제 대류의 열전도율이어야 합니다.Dh는 열 전달 표면을 나타내는 기하학적 특성 길이이며 여기서 파이프의 수력학적 직경을 나타냅니다.

방열판을 정의하는 총 열 저항은 다음과 같이 계산됩니다.

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

공식에서 B는 라디에이터의 너비를 나타내며 다른 값은 앞에서 소개되었습니다.라디에이터의 외부 치수가 고정된 경우 Rnd는 특정 값이고 K와 B는 모두 고정된 값임을 공식 (3)에서 알 수 있습니다.λf가 일정하면 라디에이터의 총 열 저항은 Rnv와 직접적으로 관련됩니다.라디에이터의 대류 열 전달 열 저항을 살펴보겠습니다.공식 (5)에서 공식 (6)은 다음을 얻을 수 있습니다.

대류열전달의 열저항은 Dh에 정비례하고 As에 반비례함을 공식(7)에서 알 수 있다.순환하는 물의 양을 늘리기 위해 파이프라인의 수력학적 직경을 맹목적으로 늘릴 수 없으므로 좋은 냉각 효과를 얻을 수 없다는 것을 알 수 있습니다.Rnv를 줄이면 그에 따라 라디에이터의 전체 열 저항이 줄어들고 방열 효과가 향상됩니다.공식 (3)과 공식 (7)을 공식 (6)에 대입하면 총 열 저항 계산 공식은 다음과 같습니다.

여기서: le는 라디에이터의 길이를 나타냅니다.λf는 물의 열전도율이고, h는 물의 강제 대류 열전달 계수입니다.

1.3 계산 예

일반적으로 전자 장비의 라디에이터가 수냉식 방열 방식을 채택할 때 라디에이터 내부의 액체 순환은 직렬 채널과 병렬 채널의 두 가지 유형으로 나뉩니다.그림 1과 같이 두 모델의 채널 단면이 각각 표시됩니다.그중 모델 A는 직렬 수로 분포이며 모델은 각 직렬 수로에 여러 개의 냉각 핀을 추가하는 것입니다.B 모델은 병렬 수로에 직선 채널만 있고 액체가 물 입구에서 물 출구로 평행 수로를 통해 흐른다는 것입니다.

λf water의 열전도율은 0.5W/mK로 선택하고 h water의 강제 대류 열전달 계수는 1 000 W/m2K입니다.계산의 편의를 위해 방열판의 두께와 같은 작은 치수는 무시됩니다.기관차용 IGBT 4사분면 모듈의 방열판 전체 치수는 L=0.005m, L=0.55m, B=0.45m이다.외형 치수가 동일하므로 시리즈 A 모델과 병렬 B 모델의 열 저항 차이는 As의 차이에 있습니다.방열판 내벽의 상하판 면적, 전후판 면적, 좌우 판넬 면적, 방열판 총면적을 As1, As2, As3, 및 As4, 각각.시리즈 A 모델에는 19개의 내부 방열판이 있습니다.As1=0.495m2, As2=0.0432m2, As3=0.0528m2, As4=0.8208m2.총 유효 냉각 면적은 As=As1+As2+As3+As4=1.4118m2가 됩니다.각 매개변수를 식(9)에 대입하면 시리즈 A 모델의 열 저항은 다음과 같이 구해집니다.

모델 B는 유속분포 스크린샷에서 알 수 있듯이 급수구에서 물이 들어와서 라디에이터의 가운데 1/3만 흐르고 좌우 다른 부분의 유속은 0에 가깝고 무시할 수 있습니다.이와 같이 상하 패널의 유효 방열 면적은 전체 면적의 1/3로 정의할 수 있고, 전면 패널과 후면 패널의 유효 방열 면적도 전체 면적의 1/3로 정의할 수 있습니다.왼쪽 및 오른쪽 패널을 통한 물 흐름이 없는 것은 효과적인 방열 영역으로 계산되지 않습니다.중간 방열판을 통과하는 유효 물 흐름 수는 6개입니다.다음이 있습니다.

2 방열판 열저항 해석 및 열저항 곡선 그리기용 소프트웨어

2.1 인터페이스 형태

기본 인터페이스의 형태는 그림 3에 나와 있습니다. 필요에 따라 이 소프트웨어는 주로 두 개의 기능 모듈을 설계합니다.하나는 특정 수냉식 열 저항 값을 계산하기 위한 모듈이고, 다른 하나는 수냉식 열 저항 곡선을 그리기 위한 모듈입니다.

라디에이터 수냉 열 저항 계산 모듈의 인터페이스는 그림 4에 나와 있습니다.

그 중 l은 라디에이터의 길이이고 단위는 m입니다.B는 라디에이터의 너비이고 단위는 미터입니다.L은 라디에이터의 두께이고 단위는 미터입니다.A는 라디에이터의 총 유효 냉각 면적이며 단위는 평방 미터입니다.h는 물 강제 대류 열전달 계수, 단위 W/m2K입니다.λ는 물의 열전도율이며 단위는 W/mK입니다.계산 결과는 수냉식 방열기의 열 저항 값이며 단위는 cm2K/W입니다.이 모듈의 기능은 라디에이터의 기하학적 크기, 물의 강제 대류 열 전달 계수 및 물.수냉식 방열기의 열 저항 곡선의 드로잉 모듈은 그림 5와 그림 6에 나와 있습니다. 매개변수의 의미는 그림 4와 동일합니다. 수냉식 방열기 곡선은 전체 라디에이터 면적, 물의 강제 대류 열전달 계수 및 열 저항.두 가지 문제가 해결되었습니다.주어진 유효 방열 면적이 있는 라디에이터의 경우 특정 열 저항을 달성하기 위해 얼마나 많은 물의 강제 대류 열 전달 계수를 달성해야 하는지, 즉 얼마나 많은 파이프 직경이 필요한지입니다.물의 특정 강제 대류 열 전달 계수에 대해 라디에이터의 방열 영역을 통해 열 저항을 제어하는 ​​방법.

2.2 열 저항 계산 지침

그림 5 및 그림 6의 열 저항 곡선을 그리는 과정은 아래에 예와 함께 설명되어 있습니다."1.3 예"에서는 시리즈 A 모델과 B 모델의 총 열 저항이 계산되었습니다.먼저 물의 열전도율 λ=0.5 W/mk, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m로 해당 공백을 채웁니다.그런 다음 곡선 유형을 선택합니다.서로 다른 물의 강제 대류 열전달 계수에서 라디에이터의 유효 방열 면적과 열 저항 사이의 관계는 그림 5에 나와 있습니다. 서로 다른 유효 방열 면적에서 물의 강제 대류 열전달 계수와 열 저항 사이의 관계는 열 저항은 그림 6에 나와 있습니다. 인터페이스 왼쪽 하단에 "수냉 열 저항 계산"도 있습니다. 그림과 같이 클릭하여 열 저항 계산 인터페이스로 들어갑니다.필요에 따라 각 매개변수 값을 입력합니다. 입력 면적이 1.4118일 때 λ=0.5 W/mK, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m, h=1 000W/m2K 계산된 열 저항 값은 92.502 801입니다. 066 337 cm2K/W, 이는 위의 공식 92.503 cm2K/W의 계산 모델 A 결과와 일치합니다.