abstrakt
Mit Blick auf die Wärmeableitungsanforderungen leistungselektronischer Leistungsgeräte wurde die Wärmeaustauschtechnologie luftgekühlter Kühler zu deren Kühlung eingehend untersucht.Entsprechend den strukturellen Eigenschaften und technischen Anforderungen des luftgekühlten Kühlers für die Kühlung von Leistungsgeräten werden die thermischen Leistungstests des luftgekühlten Kühlers mit unterschiedlichen Strukturen durchgeführt und die Simulationsberechnungssoftware zur zusätzlichen Überprüfung verwendet.Schließlich wurden unter denselben Ergebnissen des Temperaturanstiegstests die Eigenschaften luftgekühlter Kühler mit unterschiedlichen Strukturen hinsichtlich Druckverlust, Wärmeableitung pro Volumeneinheit und Temperaturgleichmäßigkeit der Montageflächen von Leistungsgeräten verglichen.Die Forschungsergebnisse liefern eine Referenz für die Gestaltung ähnlicher struktureller luftgekühlter Kühler.
Schlüsselwörter:Kühler;Luftkühlung;thermische Leistung;Wärmestromdichte
0 Vorwort
Mit der wissenschaftlichen Entwicklung der Wissenschaft und Technologie der Leistungselektronik ist die Anwendung leistungselektronischer Leistungsgeräte umfangreicher geworden.Was die Lebensdauer und Leistung elektronischer Geräte bestimmt, ist die Leistung des Geräts selbst und die Betriebstemperatur des elektronischen Geräts, d. h. die Wärmeübertragungskapazität des Kühlers, der zur Wärmeableitung des elektronischen Geräts verwendet wird.Derzeit werden in leistungselektronischen Geräten mit einer Wärmestromdichte von weniger als 4 W/cm2 überwiegend luftgekühlte Kühlsysteme eingesetzt.Kühlkörper.
Zhang Liangjuan et al.verwendete FloTHERM zur Durchführung einer thermischen Simulation luftgekühlter Module, verifizierte die Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse anhand experimenteller Testergebnisse und testete gleichzeitig die Wärmeableitungsleistung verschiedener Kühlplatten.
Yang Jingshan wählte drei typische luftgekühlte Heizkörper (d. h. Heizkörper mit geraden Rippen, mit Metallschaum gefüllte Heizkörper mit rechteckigen Kanälen und Heizkörper mit radialen Rippen) als Forschungsobjekte aus und nutzte CFD-Software, um die Wärmeübertragungskapazität der Heizkörper zu verbessern.Und optimieren Sie die umfassende Leistung von Strömung und Wärmeübertragung.
Wang Changchang und andere verwendeten die Wärmeableitungssimulationssoftware FLoTHERM, um die Wärmeableitungsleistung des luftgekühlten Kühlers zu simulieren und zu berechnen, kombinierten sie mit den experimentellen Daten für eine vergleichende Analyse und untersuchten den Einfluss von Parametern wie Kühlwindgeschwindigkeit, Zahndichte usw Höhe auf die Wärmeableitungsleistung des luftgekühlten Kühlers.
Shao Qiang et al.Am Beispiel eines rechteckigen Lamellenkühlers wurde kurz das für die Zwangsluftkühlung erforderliche Referenzluftvolumen analysiert.Basierend auf der Strukturform des Kühlers und den Prinzipien der Strömungsmechanik wurde die Formel zur Schätzung des Windwiderstands des Kühlluftkanals abgeleitet.Kombiniert mit einer kurzen Analyse der PQ-Kennlinie des Ventilators lässt sich schnell der tatsächliche Arbeitspunkt und die Zuluftmenge des Ventilators ermitteln.
Pan Shujie wählte den luftgekühlten Kühler für Forschungszwecke aus, erläuterte kurz die Schritte der Wärmeableitungsberechnung, der Kühlerauswahl, der luftgekühlten Wärmeableitungsberechnung und der Lüfterauswahl im Wärmeableitungsdesign und vervollständigte das einfache luftgekühlte Kühlerdesign.Mithilfe der thermischen Simulationssoftware ICEPAK konnten Liu Wei et al.führte eine vergleichende Analyse zweier Entwurfsmethoden zur Gewichtsreduzierung für Heizkörper durch (Vergrößerung des Lamellenabstands und Reduzierung der Lamellenhöhe).In diesem Artikel werden die Struktur und die Wärmeableitungsleistung von luftgekühlten Profil-, Spatenzahn- und Lamellenkühlern vorgestellt.
1 Luftgekühlte Kühlerstruktur
1.1 Häufig verwendete luftgekühlte Heizkörper
Der übliche luftgekühlte Kühler wird durch Metallverarbeitung hergestellt und die Kühlluft strömt durch den Kühler, um die Wärme des elektronischen Geräts an die atmosphärische Umgebung abzuleiten.Unter den üblichen Metallmaterialien hat Silber die höchste Wärmeleitfähigkeit von 420 W/m*K, ist aber teuer;
Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer liegt mit 383 W/m·K relativ nahe am Niveau von Silber, allerdings ist die Verarbeitungstechnologie kompliziert, die Kosten hoch und das Gewicht relativ hoch;
Die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung 6063 beträgt 201 W/m·K. Sie ist günstig, weist gute Verarbeitungseigenschaften, eine einfache Oberflächenbehandlung und ein hohes Preis-Leistungs-Verhältnis auf.
Daher verwendet das Material der aktuellen gängigen luftgekühlten Kühler im Allgemeinen diese Aluminiumlegierung.Abbildung 1 zeigt zwei gängige luftgekühlte Kühlkörper.Zu den häufig verwendeten Verarbeitungsmethoden für luftgekühlte Kühler gehören hauptsächlich die folgenden:
(1) Beim Ziehen und Formen von Aluminiumlegierungen kann die Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit etwa 300 m erreichen2/m3, und die Kühlmethoden sind natürliche Kühlung und Zwangslüftungskühlung;
(2) Der Kühlkörper und das Substrat werden zusammen eingelegt, und der Kühlkörper und das Substrat können durch Nieten, Epoxidharzbindung, Lötschweißen, Löten und andere Verfahren verbunden werden.Darüber hinaus kann das Material des Substrats auch eine Kupferlegierung sein.Die Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit kann etwa 500 m2/m3 erreichen, und die Kühlmethoden sind natürliche Kühlung und Zwangslüftungskühlung;
(3) Durch Schaufelzahnbildung kann diese Art von Strahler den Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Substrat eliminieren, der Abstand zwischen Kühlkörper kann weniger als 1,0 mm betragen und die Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit kann etwa 2.500 erreichen M2/m3.Die Verarbeitungsmethode ist in Abbildung 2 dargestellt, und die Kühlmethode ist Zwangsluftkühlung.
Abb. 1. Häufig verwendeter luftgekühlter Kühlkörper
Abb. 2. Verarbeitungsmethode eines luftgekühlten Schaufelzahnkühlers
1.2 Luftgekühlter Lamellenkühler
Der luftgekühlte Plattenkühler ist eine Art luftgekühlter Kühler, der durch Löten mehrerer Teile hergestellt wird.Es besteht hauptsächlich aus drei Teilen wie Kühlkörper, Rippenplatte und Grundplatte.Seine Struktur ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Kühlrippen können flache Rippen, gewellte Rippen, versetzte Rippen und andere Strukturen annehmen.Unter Berücksichtigung des Schweißprozesses der Rippen werden für die Rippen, Kühlkörper und Sockel 3 Aluminiummaterialien der Serie ausgewählt, um die Schweißbarkeit des luftgekühlten Plattenkühlers sicherzustellen.Die Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit des luftgekühlten Lamellenkühlers kann etwa 650 m2/m3 erreichen, und die Kühlmethoden sind natürliche Kühlung und Zwangslüftungskühlung.
Abb. 3. Luftgekühlter Lamellenkühler
2 Wärmeleistung verschiedener luftgekühlter Heizkörperv
2.1Häufig gebrauchte luftgekühlte Profilheizkörper
2.1.1 Natürliche Wärmeableitung
Häufig verwendete luftgekühlte Heizkörper kühlen elektronische Geräte hauptsächlich durch natürliche Kühlung, und ihre Wärmeableitungsleistung hängt hauptsächlich von der Dicke der Wärmeableitungsrippen, dem Abstand der Rippen, der Höhe der Rippen und der Länge der Wärmeableitungsrippen ab entlang der Richtung des Kühlluftstroms.Für eine natürliche Wärmeableitung gilt: Je größer die effektive Wärmeableitungsfläche, desto besser.Der direkteste Weg besteht darin, den Lamellenabstand zu verringern und die Anzahl der Lamellen zu erhöhen. Der Abstand zwischen den Lamellen ist jedoch klein genug, um die Grenzschicht der natürlichen Konvektion zu beeinträchtigen.Sobald die Grenzschichten der benachbarten Rippenwände zusammenlaufen, sinkt die Luftgeschwindigkeit zwischen den Rippen stark und auch die Wärmeableitungswirkung nimmt stark ab.Durch Simulationsberechnung und Testerkennung der Wärmeleistung des luftgekühlten Kühlers, wenn die Wärmeableitungsrippenlänge 100 mm und die Wärmeflussdichte 0,1 W/cm beträgt2Der Wärmeableitungseffekt unterschiedlicher Lamellenabstände ist in Abbildung 4 dargestellt. Der beste Filmabstand beträgt etwa 8,0 mm.Wenn die Länge der Kühlrippen zunimmt, wird der optimale Lamellenabstand größer.
Abb.4.Zusammenhang zwischen Substrattemperatur und Lamellenabstand
2.1.2 Kühlung durch erzwungene Konvektion
Die Strukturparameter des luftgekühlten Wellkühlers sind Lamellenhöhe 98 mm, Lamellenlänge 400 mm, Lamellendicke 4 mm, Lamellenabstand 4 mm und eine frontale Kühlluftgeschwindigkeit von 8 m/s.Ein gewellter, luftgekühlter Heizkörper mit einer Wärmestromdichte von 2,38 W/cm2wurde einem Temperaturanstiegstest unterzogen.Die Testergebnisse zeigen, dass der Temperaturanstieg des Kühlers 45 K beträgt, der Druckverlust der Kühlluft 110 Pa beträgt und die Wärmeableitung pro Volumeneinheit 245 kW/m beträgt3.Darüber hinaus ist die Gleichmäßigkeit der Montageoberfläche der Leistungskomponenten schlecht und der Temperaturunterschied beträgt etwa 10 °C.Um dieses Problem zu lösen, werden derzeit Kupfer-Heatpipes üblicherweise auf der Installationsoberfläche des luftgekühlten Kühlers vergraben, so dass die Temperaturgleichmäßigkeit der Installationsoberfläche der Leistungskomponenten in Richtung der Heatpipe-Verlegung erheblich verbessert werden kann Der Effekt ist in vertikaler Richtung nicht offensichtlich.Wenn im Substrat die Dampfkammertechnologie verwendet wird, kann die Gesamttemperaturgleichmäßigkeit der Montagefläche für Leistungskomponenten auf 3 °C eingestellt und der Temperaturanstieg des Kühlkörpers bis zu einem gewissen Grad reduziert werden.Bei diesem Prüfstück kann die Temperatur um ca. 3 °C gesenkt werden.
Unter Verwendung einer thermischen Simulationsberechnungssoftware wird unter denselben äußeren Bedingungen die Simulationsberechnung von Kühlrippen mit geraden Zähnen und gewellten Kühlrippen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Temperatur der Montagefläche des Leistungsgeräts mit Kühlung mit geraden Zähnen Bei Kühlrippen beträgt die Temperatur 153,5 °C, bei gewellten Kühlrippen 133,5 °C.Daher ist die Kühlleistung des gewellten luftgekühlten Kühlers besser als die des geraden gezahnten luftgekühlten Kühlers, aber die Temperaturgleichmäßigkeit der Rippenkörper der beiden ist relativ schlecht, was einen größeren Einfluss auf die Kühlleistung hat des Kühlers.
Abb.5.Temperaturfeld von geraden und gewellten Rippen
2.2 Luftgekühlter Lamellenkühler
Die Strukturparameter des luftgekühlten Lamellenkühlers sind wie folgt: Die Höhe des Lüftungsteils beträgt 100 mm, die Länge der Lamellen beträgt 240 mm, der Abstand zwischen den Lamellen beträgt 4 mm, die frontale Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft beträgt 8 m/s, die Wärmestromdichte beträgt 4,81 W/cm2.Der Temperaturanstieg beträgt 45 °C, der Kühlluftdruckverlust beträgt 460 Pa und die Wärmeabgabe pro Volumeneinheit beträgt 374 kW/m3.Im Vergleich zum luftgekühlten Wellrohrkühler ist die Wärmeableitungskapazität pro Volumeneinheit um 52,7 % erhöht, aber auch der Luftdruckverlust ist größer.
2.3 Luftgekühlter Schaufelzahnkühler
Um die thermische Leistung des Aluminium-Schaufelzahnkühlers zu verstehen, beträgt die Lamellenhöhe 15 mm, die Lamellenlänge 150 mm, die Lamellendicke 1 mm, der Lamellenabstand 1 mm und die Kühlluft frontal Die Geschwindigkeit beträgt 5,4 m/s.Ein luftgekühlter Schaufelzahnkühler mit einer Wärmestromdichte von 2,7 W/cm2wurde einem Temperaturanstiegstest unterzogen.Die Testergebnisse zeigen, dass die Temperatur der Montagefläche des Kühler-Leistungselements 74,2 °C beträgt, der Temperaturanstieg des Kühlers 44,8 K beträgt, der Druckverlust der Kühlluft 460 Pa beträgt und die Wärmeableitung pro Volumeneinheit 4570 kW/m erreicht3.
3 Fazit
Aus den obigen Testergebnissen können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden.
(1) Die Kühlleistung des luftgekühlten Kühlers ist nach hoch und niedrig sortiert: luftgekühlter Schaufelzahnkühler, luftgekühlter Plattenkühler, luftgekühlter Wellkühler und luftgekühlter Kühler mit geraden Zähnen.
(2) Der Temperaturunterschied zwischen den Rippen im gewellten luftgekühlten Kühler und im gerade gezahnten luftgekühlten Kühler ist relativ groß, was einen großen Einfluss auf die Kühlleistung des Kühlers hat.
(3) Der natürlich luftgekühlte Kühler hat den besten Lamellenabstand, der durch Experimente oder theoretische Berechnungen ermittelt werden kann.
(4) Aufgrund der starken Kühlleistung des luftgekühlten Schaufelzahnkühlers kann er in elektronischen Geräten mit hoher lokaler Wärmeflussdichte eingesetzt werden.
Quelle: Maschinenbau und Elektrotechnik, Band 50, Ausgabe 06
Autoren: Sun Yuanbang, Li Feng, Wei Zhiyu, Kong Lijun, Wang Bo, CRRC Dalian Locomotive Research Institute Co., Ltd.
Haftungsausschluss
Die oben genannten Inhalte stammen aus öffentlichen Informationen im Internet und werden nur zur Kommunikation und zum Lernen in der Branche verwendet.Der Artikel stellt die unabhängige Meinung des Autors dar und gibt nicht die Position von DONGXU HYDRAULICS wieder.Wenn es Probleme mit dem Inhalt des Werks, dem Urheberrecht usw. gibt, kontaktieren Sie uns bitte innerhalb von 30 Tagen nach Veröffentlichung dieses Artikels und wir werden den entsprechenden Inhalt umgehend löschen.
Foshan Nanhai Dongxu Hydraulic Machinery Co., Ltd.hat drei Tochtergesellschaften:Jiangsu Helike Fluid Technology Co., Ltd., Guangdong Kaidun Fluid Transmission Co., Ltd., UndGuangdong Bokade Heizkörpermaterial Co., Ltd.
Die Holdinggesellschaft vonFoshan Nanhai Dongxu Hydraulic Machinery Co., Ltd.: Ningbo Fenghua Nr. 3 Hydraulikteilefabrik, usw.
Foshan Nanhai Dongxu Hydraulic Machinery Co., Ltd.
&Jiangsu Helike Fluid Technology Co., Ltd.
MAIL: Jaemo@fsdxyy.com
WEB: www.dxhydraulics.com
WHATSAPP/SKYPE/TEL/WECHAT: +86 139-2992-3909
HINZUFÜGEN: Fabrikgebäude 5, Bereich C3, Industriebasis Xingguangyuan, Yanjiang South Road, Luocun Street, Bezirk Nanhai, Stadt Foshan, Provinz Guangdong, China 528226
& Nr. 7 Xingye Road, Zhuxi Industrial Concentration Zone, Zhoutie Town, Yixing City, Provinz Jiangsu, China
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. März 2023