abstracto
Con el objetivo de satisfacer los requisitos de disipación de calor de los dispositivos electrónicos de potencia, se ha estudiado en profundidad la tecnología de intercambio de calor de los radiadores enfriados por aire para enfriarlos.De acuerdo con las características estructurales y los requisitos técnicos del radiador enfriado por aire para la refrigeración de dispositivos de potencia, se llevan a cabo las pruebas de rendimiento térmico del radiador enfriado por aire con diferentes estructuras y se utiliza el software de cálculo de simulación para la verificación auxiliar.Finalmente, bajo los mismos resultados de la prueba de aumento de temperatura, se compararon las características de radiadores enfriados por aire con diferentes estructuras en términos de pérdida de presión, disipación de calor por unidad de volumen y uniformidad de temperatura de las superficies de montaje de los dispositivos de potencia.Los resultados de la investigación proporcionan una referencia para el diseño de radiadores estructurales refrigerados por aire similares.
Palabras clave:radiador;aire acondicionado;rendimiento térmico;densidad de flujo de calor
0 Prefacio
Con el desarrollo científico de la ciencia y la tecnología de la electrónica de potencia, la aplicación de los dispositivos de potencia de la electrónica de potencia es más amplia.Lo que determina la vida útil y el rendimiento de los dispositivos electrónicos es el rendimiento del propio dispositivo y la temperatura de funcionamiento del dispositivo electrónico, es decir, la capacidad de transferencia de calor del radiador utilizado para disipar el calor del dispositivo electrónico.Actualmente, en equipos electrónicos de potencia con una densidad de flujo de calor inferior a 4 W/cm2, se utilizan la mayoría de sistemas de refrigeración enfriados por aire.disipador de calor.
Zhang Liangjuan et al.utilizó FloTHERM para realizar una simulación térmica de módulos refrigerados por aire, verificó la confiabilidad de los resultados de la simulación con resultados de pruebas experimentales y probó el rendimiento de disipación de calor de varias placas frías al mismo tiempo.
Yang Jingshan seleccionó tres radiadores típicos enfriados por aire (es decir, radiadores de aletas rectas, radiadores de canales rectangulares rellenos de espuma metálica y radiadores de aletas radiales) como objetos de investigación y utilizó software CFD para mejorar la capacidad de transferencia de calor de los radiadores.Y optimice el rendimiento integral del flujo y la transferencia de calor.
Wang Changchang y otros utilizaron el software de simulación de disipación de calor FLoTHERM para simular y calcular el rendimiento de disipación de calor del radiador enfriado por aire, combinado con los datos experimentales para análisis comparativos, y estudiaron la influencia de parámetros como la velocidad del viento de enfriamiento, la densidad de los dientes y altura en el rendimiento de disipación de calor del radiador enfriado por aire.
Shao Qiang et al.analizó brevemente el volumen de aire de referencia necesario para la refrigeración por aire forzado tomando como ejemplo un radiador de aletas rectangulares;basándose en la forma estructural del radiador y los principios de la mecánica de fluidos, se derivó la fórmula de estimación de la resistencia al viento del conducto de aire de refrigeración;combinado con un breve análisis de la curva característica PQ del ventilador, se puede obtener rápidamente el punto de trabajo real y el volumen de aire de ventilación del ventilador.
Pan Shujie eligió el radiador enfriado por aire para investigar y explicó brevemente los pasos del cálculo de la disipación de calor, la selección del radiador, el cálculo de la disipación de calor enfriado por aire y la selección del ventilador en el diseño de disipación de calor, y completó el diseño simple del radiador enfriado por aire.Utilizando el software de simulación térmica ICEPAK, Liu Wei et al.realizó un análisis comparativo de dos métodos de diseño de reducción de peso para radiadores (aumentando el espacio entre las aletas y reduciendo la altura de las aletas).Este artículo presenta la estructura y el rendimiento de disipación de calor de los radiadores enfriados por aire de perfil, dientes de pala y aletas de placa, respectivamente.
1 estructura de radiador refrigerado por aire
1.1 Radiadores refrigerados por aire de uso común
El radiador común enfriado por aire se forma mediante procesamiento de metal y el aire de enfriamiento fluye a través del radiador para disipar el calor del dispositivo electrónico al ambiente atmosférico.Entre los materiales metálicos comunes, la plata tiene la conductividad térmica más alta de 420 W/m*K, pero es cara;
La conductividad térmica del cobre es de 383 W/m·K, que está relativamente cerca del nivel de la plata, pero la tecnología de procesamiento es complicada, el costo es alto y el peso es relativamente pesado;
La conductividad térmica de la aleación de aluminio 6063 es de 201 W/m·K. Es económica, tiene buenas características de procesamiento, fácil tratamiento de superficie y alto costo.
Por lo tanto, el material de los radiadores refrigerados por aire convencionales generalmente utiliza esta aleación de aluminio.La Figura 1 muestra dos disipadores de calor enfriados por aire comunes.Los métodos de procesamiento de radiadores enfriados por aire más utilizados incluyen principalmente los siguientes:
(1) Estirado y conformado de aleación de aluminio, el área de transferencia de calor por unidad de volumen puede alcanzar aproximadamente 300 m2/m3, y los métodos de enfriamiento son enfriamiento natural y enfriamiento por ventilación forzada;
(2) El disipador de calor y el sustrato están incrustados juntos, y el disipador de calor y el sustrato se pueden conectar mediante remachado, unión de resina epoxi, soldadura fuerte, soldadura fuerte y otros procesos.Además, el material del sustrato también puede ser una aleación de cobre.El área de transferencia de calor por unidad de volumen puede alcanzar aproximadamente 500 m2/m3, y los métodos de enfriamiento son enfriamiento natural y enfriamiento por ventilación forzada;
(3) Formación de dientes de pala, este tipo de radiador puede eliminar la resistencia térmica entre el disipador de calor y el sustrato, la distancia entre el disipador de calor puede ser inferior a 1,0 mm y el área de transferencia de calor por unidad de volumen puede alcanzar aproximadamente 2 500 metro2/m3.El método de procesamiento se muestra en la Figura 2 y el método de enfriamiento es enfriamiento por aire forzado.
Fig. 1. Disipador de calor enfriado por aire de uso común
Fig. 2. Método de procesamiento del radiador enfriado por aire con dientes de pala
1.2 Radiador refrigerado por aire con aletas de placa
El radiador enfriado por aire con aletas de placa es un tipo de radiador enfriado por aire procesado mediante soldadura fuerte de múltiples piezas.Se compone principalmente de tres partes, como el disipador de calor, la placa nervada y la placa base.Su estructura se muestra en la Figura 3. Las aletas de enfriamiento pueden adoptar aletas planas, aletas corrugadas, aletas escalonadas y otras estructuras.Teniendo en cuenta el proceso de soldadura de las nervaduras, se seleccionan materiales de aluminio de 3 series para las nervaduras, disipadores de calor y bases para garantizar la soldabilidad del radiador de placas y aletas enfriado por aire.El área de transferencia de calor por unidad de volumen del radiador enfriado por aire con aletas de placa puede alcanzar aproximadamente 650 m2/m3, y los métodos de enfriamiento son enfriamiento natural y enfriamiento por ventilación forzada.
Fig. 3. Radiador enfriado por aire con aletas de placa
2 Rendimiento térmico de varios radiadores refrigerados por aire
2.1Comúnmente radiadores refrigerados por aire de perfil usados
2.1.1 Disipación natural del calor
Los radiadores enfriados por aire de uso común enfrían principalmente dispositivos electrónicos mediante enfriamiento natural, y su rendimiento de disipación de calor depende principalmente del grosor de las aletas de disipación de calor, el paso de las aletas, la altura de las aletas y la longitud de las aletas de disipación de calor. a lo largo de la dirección del flujo de aire de refrigeración.Para una disipación natural del calor, cuanto mayor sea el área efectiva de disipación del calor, mejor.La forma más directa es reducir el espacio entre las aletas y aumentar el número de aletas, pero el espacio entre las aletas es lo suficientemente pequeño como para afectar la capa límite de convección natural.Una vez que las capas límite de las paredes de las aletas adyacentes convergen, la velocidad del aire entre las aletas disminuirá drásticamente y el efecto de disipación de calor también disminuirá drásticamente.Mediante el cálculo de simulación y la detección de prueba del rendimiento térmico del radiador enfriado por aire, cuando la longitud de la aleta de disipación de calor es de 100 mm y la densidad del flujo de calor es de 0,1 W/cm2, el efecto de disipación de calor de diferentes espacios entre aletas se muestra en la Figura 4. La mejor distancia de película es de aproximadamente 8,0 mm.Si aumenta la longitud de las aletas de refrigeración, la separación óptima entre aletas aumentará.
Fig.4.Relación entre la temperatura del sustrato y el espacio entre las aletas.
2.1.2 Refrigeración por convección forzada
Los parámetros estructurales del radiador corrugado enfriado por aire son altura de aletas de 98 mm, longitud de aletas de 400 mm, espesor de aletas de 4 mm, espacio entre aletas de 4 mm y velocidad frontal del aire de refrigeración de 8 m/s.Un radiador corrugado refrigerado por aire con una densidad de flujo de calor de 2,38 W/cm2fue sometido a una prueba de aumento de temperatura.Los resultados de la prueba muestran que el aumento de temperatura del radiador es de 45 K, la pérdida de presión del aire de refrigeración es de 110 Pa y la disipación de calor por unidad de volumen es de 245 kW/m3.Además, la uniformidad de la superficie de montaje del componente de potencia es deficiente y su diferencia de temperatura alcanza aproximadamente 10 °C.En la actualidad, para resolver este problema, los tubos de calor de cobre generalmente se entierran en la superficie de instalación del radiador enfriado por aire, de modo que la uniformidad de la temperatura de la superficie de instalación del componente de potencia se puede mejorar significativamente en la dirección del tendido del tubo de calor, y el efecto no es obvio en la dirección vertical.Si se utiliza tecnología de cámara de vapor en el sustrato, la uniformidad general de la temperatura de la superficie de montaje del componente de potencia se puede controlar dentro de los 3 °C y el aumento de temperatura del disipador de calor también se puede reducir hasta cierto punto.Esta probeta se puede reducir en aproximadamente 3 °C.
Usando un software de cálculo de simulación térmica, bajo las mismas condiciones externas, se lleva a cabo el cálculo de simulación de aletas de enfriamiento de dientes rectos y corrugadas, y los resultados se muestran en la Figura 5. La temperatura de la superficie de montaje del dispositivo de potencia con enfriamiento de dientes rectos las aletas de refrigeración es de 153,5 °C y la de las aletas de refrigeración corrugadas es de 133,5 °C.Por lo tanto, la capacidad de enfriamiento del radiador corrugado enfriado por aire es mejor que la del radiador enfriado por aire de dientes rectos, pero la uniformidad de temperatura de los cuerpos de aletas de los dos es relativamente pobre, lo que tiene un mayor impacto en el rendimiento de enfriamiento. del radiador.
Fig.5.Campo de temperatura de aletas rectas y corrugadas.
2.2 Radiador refrigerado por aire con aletas de placa
Los parámetros estructurales del radiador enfriado por aire con aletas de placa son los siguientes: la altura de la parte de ventilación es de 100 mm, la longitud de las aletas es de 240 mm, el espacio entre las aletas es de 4 mm, la velocidad del flujo frontal del aire de enfriamiento es de 8 m/s y la densidad del flujo de calor es de 4,81 W/cm2.El aumento de temperatura es de 45 °C, la pérdida de presión del aire de refrigeración es de 460 Pa y la disipación de calor por unidad de volumen es de 374 kW/m3.3.En comparación con el radiador corrugado enfriado por aire, la capacidad de disipación de calor por unidad de volumen aumenta en un 52,7%, pero la pérdida de presión de aire también es mayor.
2.3 Radiador refrigerado por aire con dientes de pala
Para comprender el rendimiento térmico del radiador de dientes de pala de aluminio, la altura de las aletas es de 15 mm, la longitud de las aletas es de 150 mm, el espesor de las aletas es de 1 mm, el espacio entre las aletas es de 1 mm y el aire de refrigeración se dirige de frente. la velocidad es 5,4 m/s.Un radiador enfriado por aire con dientes de pala y una densidad de flujo de calor de 2,7 W/cm2fue sometido a una prueba de aumento de temperatura.Los resultados de la prueba muestran que la temperatura de la superficie de montaje del elemento de potencia del radiador es de 74,2 °C, el aumento de temperatura del radiador es de 44,8 K, la pérdida de presión del aire de refrigeración es de 460 Pa y la disipación de calor por unidad de volumen alcanza los 4570 kW/m.3.
3 Conclusión
A través de los resultados de las pruebas anteriores, se pueden sacar las siguientes conclusiones.
(1) La capacidad de enfriamiento del radiador enfriado por aire se clasifica por alta y baja: radiador enfriado por aire con dientes de pala, radiador enfriado por aire con aletas de placa, radiador enfriado por aire corrugado y radiador enfriado por aire con dientes rectos.
(2) La diferencia de temperatura entre las aletas del radiador corrugado enfriado por aire y el radiador enfriado por aire de dientes rectos es relativamente grande, lo que tiene un gran impacto en la capacidad de enfriamiento del radiador.
(3) El radiador enfriado por aire natural tiene el mejor espacio entre aletas, que se puede obtener mediante experimentos o cálculos teóricos.
(4) Debido a la gran capacidad de enfriamiento del radiador enfriado por aire con dientes de pala, se puede utilizar en equipos electrónicos con alta densidad de flujo de calor local.
Fuente: Tecnología de ingeniería eléctrica y mecánica Volumen 50 Número 06
Autores: Sun Yuanbang, Li Feng, Wei Zhiyu, Kong Lijun, Wang Bo, CRRC Dalian Locomotive Research Institute Co., Ltd.
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Hora de publicación: 27 de marzo de 2023