abstrait
Visant les exigences de dissipation thermique des dispositifs électroniques de puissance, la technologie d'échange thermique des radiateurs refroidis par air pour les refroidir a été étudiée en profondeur.Selon les caractéristiques structurelles et les exigences techniques du radiateur refroidi par air pour le refroidissement des appareils électriques, les tests de performances thermiques du radiateur refroidi par air avec différentes structures sont effectués et le logiciel de calcul de simulation est utilisé pour une vérification auxiliaire.Enfin, sous les mêmes résultats de tests d'élévation de température, les caractéristiques de radiateurs refroidis par air avec différentes structures en termes de perte de pression, de dissipation thermique par unité de volume et d'uniformité de température des surfaces de montage des dispositifs électriques ont été comparées.Les résultats de la recherche fournissent une référence pour la conception de radiateurs structurels refroidis par air similaires.
Mots clés:radiateur;refroidissement par air;performance thermique;densité de flux thermique
0 Préface
Avec le développement scientifique de la science et de la technologie de l’électronique de puissance, l’application des dispositifs de puissance électronique de puissance est plus étendue.Ce qui détermine la durée de vie et les performances des appareils électroniques, ce sont les performances de l'appareil lui-même et la température de fonctionnement de l'appareil électronique, c'est-à-dire la capacité de transfert de chaleur du radiateur utilisé pour dissiper la chaleur de l'appareil électronique.Actuellement, dans les équipements électroniques de puissance avec une densité de flux thermique inférieure à 4 W/cm2, la plupart des systèmes de refroidissement refroidis par air sont utilisés.dissipateur de chaleur.
Zhang Liangjuan et coll.a utilisé FloTHERM pour effectuer une simulation thermique de modules refroidis par air, a vérifié la fiabilité des résultats de simulation avec des résultats de tests expérimentaux et a testé les performances de dissipation thermique de diverses plaques froides en même temps.
Yang Jingshan a sélectionné trois radiateurs refroidis par air typiques (à savoir des radiateurs à ailettes droites, des radiateurs à canaux rectangulaires remplis de mousse métallique et des radiateurs à ailettes radiales) comme objets de recherche et a utilisé un logiciel CFD pour améliorer la capacité de transfert de chaleur des radiateurs.Et optimisez les performances globales du débit et du transfert de chaleur.
Wang Changchang et d'autres ont utilisé le logiciel de simulation de dissipation thermique FLoTHERM pour simuler et calculer les performances de dissipation thermique du radiateur refroidi par air, combinés avec les données expérimentales pour une analyse comparative, et ont étudié l'influence de paramètres tels que la vitesse du vent de refroidissement, la densité des dents et hauteur sur les performances de dissipation thermique du radiateur refroidi par air.
Shao Qiang et coll.analysé brièvement le volume d'air de référence requis pour le refroidissement par air forcé en prenant comme exemple un radiateur à ailettes rectangulaires ;sur la base de la forme structurelle du radiateur et des principes de la mécanique des fluides, la formule d'estimation de la résistance au vent du conduit d'air de refroidissement a été dérivée ;combiné à une brève analyse de la courbe caractéristique PQ du ventilateur, le point de fonctionnement réel et le volume d'air de ventilation du ventilateur peuvent être rapidement obtenus.
Pan Shujie a choisi le radiateur refroidi par air pour la recherche et a brièvement expliqué les étapes de calcul de la dissipation thermique, de sélection du radiateur, de calcul de la dissipation thermique refroidie par air et de sélection du ventilateur dans la conception de la dissipation thermique, et a complété la conception simple du radiateur refroidi par air.À l'aide du logiciel de simulation thermique ICEPAK, Liu Wei et al.a mené une analyse comparative de deux méthodes de conception de réduction de poids pour les radiateurs (augmentation de l'espacement des ailettes et réduction de la hauteur des ailettes).Cet article présente respectivement la structure et les performances de dissipation thermique des radiateurs refroidis par air à profil, à dent en fourche et à ailettes en forme de plaque.
1 structure de radiateur refroidi par air
1.1 Radiateurs refroidis par air couramment utilisés
Le radiateur refroidi par air commun est formé par le traitement des métaux et l'air de refroidissement circule à travers le radiateur pour dissiper la chaleur de l'appareil électronique vers l'environnement atmosphérique.Parmi les matériaux métalliques courants, l'argent a la conductivité thermique la plus élevée, soit 420 W/m*K, mais il est cher ;
La conductivité thermique du cuivre est de 383 W/m·K, ce qui est relativement proche du niveau de l'argent, mais la technologie de traitement est compliquée, le coût est élevé et le poids est relativement lourd ;
La conductivité thermique de l'alliage d'aluminium 6063 est de 201 W/m·K. Il est bon marché, présente de bonnes caractéristiques de traitement, un traitement de surface facile et des performances élevées.
Par conséquent, le matériau des radiateurs refroidis par air grand public actuels utilise généralement cet alliage d'aluminium.La figure 1 montre deux dissipateurs thermiques refroidis par air courants.Les méthodes de traitement des radiateurs refroidis par air couramment utilisées sont principalement les suivantes :
(1) étirage et formage d'alliages d'aluminium, la zone de transfert de chaleur par unité de volume peut atteindre environ 300 m2/m3, et les méthodes de refroidissement sont le refroidissement naturel et le refroidissement par ventilation forcée ;
(2) Le dissipateur thermique et le substrat sont incrustés ensemble, et le dissipateur thermique et le substrat peuvent être reliés par rivetage, collage de résine époxy, brasage, brasage et autres processus.De plus, le matériau du substrat peut également être un alliage de cuivre.La surface de transfert de chaleur par unité de volume peut atteindre environ 500 m2/m3, et les méthodes de refroidissement sont le refroidissement naturel et le refroidissement par ventilation forcée ;
(3) Formant des dents de pelle, ce type de radiateur peut éliminer la résistance thermique entre le dissipateur thermique et le substrat, la distance entre le dissipateur thermique peut être inférieure à 1,0 mm et la zone de transfert de chaleur par unité de volume peut atteindre environ 2 500 m2/m3.La méthode de traitement est illustrée à la figure 2 et la méthode de refroidissement est un refroidissement à air forcé.
Fig. 1. Dissipateur thermique refroidi par air couramment utilisé
Fig. 2. Méthode de traitement du radiateur refroidi par air à dents de pelle
1.2 Radiateur refroidi par air à plaques et ailettes
Le radiateur refroidi par air à plaques et ailettes est une sorte de radiateur refroidi par air traité par brasage de plusieurs pièces.Il est principalement composé de trois parties telles qu'un dissipateur thermique, une plaque nervurée et une plaque de base.Sa structure est illustrée à la figure 3. Les ailettes de refroidissement peuvent adopter des ailettes plates, des ailettes ondulées, des ailettes décalées et d'autres structures.Compte tenu du processus de soudage des nervures, 3 séries de matériaux en aluminium sont sélectionnées pour les nervures, les dissipateurs thermiques et les bases afin d'assurer la soudabilité du radiateur refroidi par air à plaques et ailettes.La surface de transfert de chaleur par unité de volume du radiateur refroidi par air à plaques et ailettes peut atteindre environ 650 m2/m3, et les méthodes de refroidissement sont le refroidissement naturel et le refroidissement par ventilation forcée.
Fig. 3. Radiateur refroidi par air à plaques et ailettes
2 Performances thermiques de divers radiateurs refroidis par airv
2.1Communément radiateurs refroidis par air profilés d'occasion
2.1.1 Dissipation naturelle de la chaleur
Les radiateurs refroidis par air couramment utilisés refroidissent principalement les appareils électroniques par refroidissement naturel, et leurs performances de dissipation thermique dépendent principalement de l'épaisseur des ailettes de dissipation thermique, du pas des ailettes, de la hauteur des ailettes et de la longueur des ailettes de dissipation thermique. dans le sens du flux d’air de refroidissement.Pour une dissipation naturelle de la chaleur, plus la zone de dissipation thermique efficace est grande, mieux c'est.Le moyen le plus direct consiste à réduire l'espacement des ailettes et à augmenter le nombre d'ailettes, mais l'espace entre les ailettes est suffisamment petit pour affecter la couche limite de convection naturelle.Une fois que les couches limites des parois des ailettes adjacentes convergent, la vitesse de l'air entre les ailettes diminuera fortement et l'effet de dissipation thermique diminuera également fortement.Grâce au calcul de simulation et à la détection de tests des performances thermiques du radiateur refroidi par air, lorsque la longueur des ailettes de dissipation thermique est de 100 mm et la densité du flux thermique est de 0,1 W/cm2, l'effet de dissipation thermique des différents espacements des ailettes est illustré à la figure 4. La meilleure distance du film est d'environ 8,0 mm.Si la longueur des ailettes de refroidissement augmente, l'espacement optimal des ailettes deviendra plus grand.
Figure 4.Relation entre la température du substrat et l'espacement des ailettes
2.1.2 Refroidissement par convection forcée
Les paramètres structurels du radiateur ondulé refroidi par air sont la hauteur des ailettes 98 mm, la longueur des ailettes 400 mm, l'épaisseur des ailettes 4 mm, l'espacement des ailettes 4 mm et la vitesse frontale de l'air de refroidissement 8 m/s.Un radiateur ondulé refroidi par air avec une densité de flux thermique de 2,38 W/cm2a été soumis à un test d’échauffement.Les résultats des tests montrent que l'échauffement du radiateur est de 45 K, la perte de charge de l'air de refroidissement est de 110 Pa et la dissipation thermique par unité de volume est de 245 kW/m.3.De plus, l'uniformité de la surface de montage des composants de puissance est mauvaise et sa différence de température atteint environ 10 °C.À l'heure actuelle, pour résoudre ce problème, des caloducs en cuivre sont généralement enterrés sur la surface d'installation du radiateur refroidi par air, de sorte que l'uniformité de la température de la surface d'installation des composants de puissance puisse être considérablement améliorée dans la direction de pose du caloduc, et l'effet n'est pas évident dans le sens vertical.Si la technologie de chambre à vapeur est utilisée dans le substrat, l'uniformité globale de la température de la surface de montage du composant de puissance peut être contrôlée à moins de 3 °C, et l'augmentation de la température du dissipateur thermique peut également être réduite dans une certaine mesure.Cette éprouvette peut être réduite d'environ 3 °C.
À l'aide d'un logiciel de calcul de simulation thermique, dans les mêmes conditions externes, le calcul de simulation des ailettes de refroidissement à dents droites et ondulées est effectué, et les résultats sont présentés dans la figure 5. La température de la surface de montage du dispositif d'alimentation avec refroidissement à dents droites celle des ailettes de refroidissement est de 153,5 °C et celle des ailettes de refroidissement ondulées est de 133,5 °C.Par conséquent, la capacité de refroidissement du radiateur ondulé refroidi par air est meilleure que celle du radiateur refroidi par air à dents droites, mais l'uniformité de température des corps d'ailettes des deux est relativement mauvaise, ce qui a un impact plus important sur les performances de refroidissement. du radiateur.
Figure 5.Champ de température des ailettes droites et ondulées
2.2 Radiateur refroidi par air à plaques et ailettes
Les paramètres structurels du radiateur refroidi par air à plaques et ailettes sont les suivants : la hauteur de la partie ventilation est de 100 mm, la longueur des ailettes est de 240 mm, l'espacement entre les ailettes est de 4 mm, la vitesse d'écoulement frontal de l'air de refroidissement est de 8 m/s et la densité du flux thermique est de 4,81 W/cm2.L'augmentation de température est de 45 °C, la perte de pression de l'air de refroidissement est de 460 Pa et la dissipation thermique par unité de volume est de 374 kW/m.3.Par rapport au radiateur ondulé refroidi par air, la capacité de dissipation thermique par unité de volume est augmentée de 52,7 %, mais la perte de pression d'air est également plus importante.
2.3 Radiateur refroidi par air à dents de pelle
Afin de comprendre les performances thermiques du radiateur à dents de pelle en aluminium, la hauteur des ailettes est de 15 mm, la longueur des ailettes est de 150 mm, l'épaisseur des ailettes est de 1 mm, l'espacement des ailettes est de 1 mm et l'air de refroidissement est de face. la vitesse est de 5,4 m/s.Un radiateur refroidi par air en dents de pelle avec une densité de flux thermique de 2,7 W/cm2a été soumis à un test d’échauffement.Les résultats des tests montrent que la température de la surface de montage de l'élément de puissance du radiateur est de 74,2 °C, l'augmentation de la température du radiateur est de 44,8 K, la perte de pression de l'air de refroidissement est de 460 Pa et la dissipation thermique par unité de volume atteint 4 570 kW/m.3.
3 Conclusion
Grâce aux résultats des tests ci-dessus, les conclusions suivantes peuvent être tirées.
(1) La capacité de refroidissement du radiateur refroidi par air est triée par haut et bas : radiateur refroidi par air à dents de pelle, radiateur refroidi par air à plaques et ailettes, radiateur refroidi par air ondulé et radiateur refroidi par air à dents droites.
(2) La différence de température entre les ailettes du radiateur ondulé refroidi par air et le radiateur refroidi par air à dents droites est relativement importante, ce qui a un impact important sur la capacité de refroidissement du radiateur.
(3) Le radiateur refroidi par air naturel présente le meilleur espacement des ailettes, qui peut être obtenu par expérience ou calcul théorique.
(4) En raison de la forte capacité de refroidissement du radiateur refroidi par air à dents de pelle, il peut être utilisé dans des équipements électroniques à densité de flux thermique local élevée.
Source : Technologie du génie mécanique et électrique Volume 50 Numéro 06
Auteurs : Sun Yuanbang, Li Feng, Wei Zhiyu, Kong Lijun, Wang Bo, CRRC Dalian Locomotive Research Institute Co., Ltd.
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Heure de publication : 27 mars 2023