तकनीकी समाचार｜पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरणों के लिए एयर-कूल्ड रेडिएटर की हीट एक्सचेंज तकनीक पर अनुसंधान

 अमूर्त

बिजली इलेक्ट्रॉनिक बिजली उपकरणों की गर्मी अपव्यय आवश्यकताओं को ध्यान में रखते हुए, उन्हें ठंडा करने के लिए एयर-कूल्ड रेडिएटर्स की हीट एक्सचेंज तकनीक का गहराई से अध्ययन किया गया है।पावर डिवाइस कूलिंग के लिए एयर-कूल्ड रेडिएटर की संरचनात्मक विशेषताओं और तकनीकी आवश्यकताओं के अनुसार, विभिन्न संरचनाओं के साथ एयर-कूल्ड रेडिएटर के थर्मल प्रदर्शन परीक्षण किए जाते हैं, और सहायक सत्यापन के लिए सिमुलेशन गणना सॉफ्टवेयर का उपयोग किया जाता है।अंत में, समान तापमान वृद्धि परीक्षण परिणामों के तहत, दबाव हानि, प्रति इकाई मात्रा में गर्मी अपव्यय और बिजली उपकरण बढ़ते सतहों की तापमान एकरूपता के संदर्भ में विभिन्न संरचनाओं वाले एयर-कूल्ड रेडिएटर्स की विशेषताओं की तुलना की गई।शोध के परिणाम समान संरचनात्मक एयर-कूल्ड रेडिएटर्स के डिजाइन के लिए एक संदर्भ प्रदान करते हैं।

कीवर्ड:रेडिएटर;हवा ठंडी करना;ऊष्मीय प्रदर्शन;ऊष्मा प्रवाह घनत्व 

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पावर इलेक्ट्रॉनिक्स विज्ञान और प्रौद्योगिकी के वैज्ञानिक विकास के साथ, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स पावर उपकरणों का अनुप्रयोग अधिक व्यापक हो गया है।इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की सेवा जीवन और प्रदर्शन जो निर्धारित करता है वह डिवाइस का प्रदर्शन और इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस का ऑपरेटिंग तापमान है, अर्थात, इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस से गर्मी को खत्म करने के लिए उपयोग किए जाने वाले रेडिएटर की गर्मी हस्तांतरण क्षमता।वर्तमान में, 4 डब्ल्यू/सेमी2 से कम ताप प्रवाह घनत्व वाले बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में, अधिकांश एयर-कूल्ड कूलिंग सिस्टम का उपयोग किया जाता है।ताप सिंक।

झांग लियांगजुआन एट अल।एयर-कूल्ड मॉड्यूल के थर्मल सिमुलेशन का संचालन करने के लिए फ़्लोथर्म का उपयोग किया गया, और प्रायोगिक परीक्षण परिणामों के साथ सिमुलेशन परिणामों की विश्वसनीयता को सत्यापित किया, और एक ही समय में विभिन्न कोल्ड प्लेटों के गर्मी अपव्यय प्रदर्शन का परीक्षण किया।

यांग जिंगशान ने शोध वस्तुओं के रूप में तीन विशिष्ट एयर-कूल्ड रेडिएटर्स (यानी, सीधे फिन रेडिएटर्स, धातु फोम से भरे आयताकार चैनल रेडिएटर्स, और रेडियल फिन रेडिएटर्स) का चयन किया और रेडिएटर्स की गर्मी हस्तांतरण क्षमता को बढ़ाने के लिए सीएफडी सॉफ्टवेयर का उपयोग किया।और प्रवाह और गर्मी हस्तांतरण के व्यापक प्रदर्शन को अनुकूलित करें।

वांग चांगचांग और अन्य ने एयर-कूल्ड रेडिएटर के गर्मी अपव्यय प्रदर्शन का अनुकरण और गणना करने के लिए गर्मी अपव्यय सिमुलेशन सॉफ्टवेयर FLoTHERM का उपयोग किया, तुलनात्मक विश्लेषण के लिए प्रयोगात्मक डेटा के साथ संयुक्त, और ठंडी हवा की गति, दांत घनत्व और जैसे मापदंडों के प्रभाव का अध्ययन किया। एयर-कूल्ड रेडिएटर के ताप अपव्यय प्रदर्शन पर ऊंचाई।

शाओ क़ियांग एट अल।एक उदाहरण के रूप में एक आयताकार पंख वाले रेडिएटर को लेकर मजबूर वायु शीतलन के लिए आवश्यक संदर्भ वायु मात्रा का संक्षेप में विश्लेषण किया गया;रेडिएटर के संरचनात्मक रूप और द्रव यांत्रिकी के सिद्धांतों के आधार पर, शीतलन वायु वाहिनी का पवन प्रतिरोध अनुमान सूत्र प्राप्त किया गया था;पंखे के पीक्यू विशेषता वक्र के संक्षिप्त विश्लेषण के साथ, पंखे के वास्तविक कार्य बिंदु और वेंटिलेशन वायु की मात्रा को जल्दी से प्राप्त किया जा सकता है।

पैन शुजी ने अनुसंधान के लिए एयर-कूल्ड रेडिएटर को चुना, और गर्मी अपव्यय गणना, रेडिएटर चयन, एयर-कूल्ड गर्मी अपव्यय गणना और गर्मी अपव्यय डिजाइन में प्रशंसक चयन के चरणों को संक्षेप में समझाया, और सरल एयर-कूल्ड रेडिएटर डिजाइन को पूरा किया।ICEPAK थर्मल सिमुलेशन सॉफ्टवेयर, लियू वेई एट अल का उपयोग करना।रेडिएटर्स के लिए वजन कम करने की दो डिजाइन विधियों (फिन स्पेसिंग बढ़ाना और फिन ऊंचाई कम करना) का तुलनात्मक विश्लेषण किया गया।यह पेपर क्रमशः प्रोफाइल, स्पेड टूथ और प्लेट-फिन एयर-कूल्ड रेडिएटर्स की संरचना और गर्मी अपव्यय प्रदर्शन का परिचय देता है।

1 एयर-कूल्ड रेडिएटर संरचना

1.1 आम तौर पर उपयोग किए जाने वाले एयर-कूल्ड रेडिएटर

सामान्य एयर-कूल्ड रेडिएटर धातु प्रसंस्करण द्वारा बनता है, और ठंडी हवा इलेक्ट्रॉनिक उपकरण की गर्मी को वायुमंडलीय वातावरण में फैलाने के लिए रेडिएटर के माध्यम से बहती है।सामान्य धातु सामग्रियों में, चांदी की तापीय चालकता 420 W/m*K सबसे अधिक है, लेकिन यह महंगी है;

तांबे की तापीय चालकता 383 W/m·K है, जो अपेक्षाकृत चांदी के स्तर के करीब है, लेकिन प्रसंस्करण तकनीक जटिल है, लागत अधिक है और वजन अपेक्षाकृत भारी है;

6063 एल्यूमीनियम मिश्र धातु की तापीय चालकता 201 W/m·K है। यह सस्ता है, इसमें अच्छी प्रसंस्करण विशेषताएं, आसान सतह उपचार और उच्च लागत प्रदर्शन है।

इसलिए, वर्तमान मुख्यधारा के एयर-कूल्ड रेडिएटर्स की सामग्री आमतौर पर इस एल्यूमीनियम मिश्र धातु का उपयोग करती है।चित्र 1 दो सामान्य एयर-कूल्ड हीट सिंक दिखाता है।आमतौर पर उपयोग की जाने वाली एयर-कूल्ड रेडिएटर प्रसंस्करण विधियों में मुख्य रूप से निम्नलिखित शामिल हैं:

(1) एल्युमीनियम मिश्र धातु का चित्रण और निर्माण, प्रति इकाई आयतन ताप अंतरण क्षेत्र लगभग 300 मीटर तक पहुंच सकता है²/m³, और शीतलन के तरीके प्राकृतिक शीतलन और मजबूर वेंटिलेशन शीतलन हैं;

(2) हीट सिंक और सब्सट्रेट एक साथ जड़े हुए हैं, और हीट सिंक और सब्सट्रेट को रिवेटिंग, एपॉक्सी राल बॉन्डिंग, ब्रेज़िंग वेल्डिंग, सोल्डरिंग और अन्य प्रक्रियाओं द्वारा जोड़ा जा सकता है।इसके अलावा, सब्सट्रेट की सामग्री तांबा मिश्र धातु भी हो सकती है।प्रति इकाई आयतन में ताप अंतरण क्षेत्र लगभग 500 m2/m3 तक पहुँच सकता है, और शीतलन विधियाँ प्राकृतिक शीतलन और बलपूर्वक वेंटिलेशन शीतलन हैं;

(3) फावड़ा दांत बनाना, इस प्रकार का रेडिएटर हीट सिंक और सब्सट्रेट के बीच थर्मल प्रतिरोध को समाप्त कर सकता है, हीट सिंक के बीच की दूरी 1.0 मिमी से कम हो सकती है, और प्रति यूनिट वॉल्यूम गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र लगभग 2 500 तक पहुंच सकता है एम²/m³.प्रसंस्करण विधि चित्र 2 में दिखाई गई है, और शीतलन विधि मजबूर वायु शीतलन है।

चित्र 1. आमतौर पर उपयोग किया जाने वाला एयर-कूल्ड हीट सिंक

चित्र 2. शॉवेल टूथ एयर-कूल्ड रेडिएटर की प्रसंस्करण विधि

1.2 प्लेट-फिन एयर-कूल्ड रेडिएटर

प्लेट-फ़िन एयर-कूल्ड रेडिएटर एक प्रकार का एयर-कूल्ड रेडिएटर है जो कई हिस्सों को टांककर संसाधित किया जाता है।यह मुख्य रूप से तीन भागों से बना है जैसे हीट सिंक, रिब प्लेट और बेस प्लेट।इसकी संरचना चित्र 3 में दिखाई गई है। कूलिंग पंख फ्लैट पंख, नालीदार पंख, कंपित पंख और अन्य संरचनाओं को अपना सकते हैं।पसलियों की वेल्डिंग प्रक्रिया को ध्यान में रखते हुए, प्लेट-फिन एयर-कूल्ड रेडिएटर की वेल्डेबिलिटी सुनिश्चित करने के लिए पसलियों, हीट सिंक और बेस के लिए 3 श्रृंखला एल्यूमीनियम सामग्री का चयन किया जाता है।प्लेट-फिन एयर-कूल्ड रेडिएटर की प्रति यूनिट मात्रा में गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र लगभग 650 एम 2 / एम 3 तक पहुंच सकता है, और शीतलन विधियां प्राकृतिक शीतलन और मजबूर वेंटिलेशन कूलिंग हैं।

चित्र 3. प्लेट-फ़िन एयर-कूल्ड रेडिएटर

2 विभिन्न एयर-कूल्ड रेडिएटर्स का थर्मल प्रदर्शन

2.1आमतौर पर प्रयुक्त प्रोफाइल एयर-कूल्ड रेडिएटर्स

2.1.1 प्राकृतिक ताप अपव्यय

आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले एयर-कूल्ड रेडिएटर्स मुख्य रूप से प्राकृतिक शीतलन द्वारा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को ठंडा करते हैं, और उनका ताप अपव्यय प्रदर्शन मुख्य रूप से ताप अपव्यय पंखों की मोटाई, पंखों की पिच, पंखों की ऊंचाई और गर्मी अपव्यय पंखों की लंबाई पर निर्भर करता है। ठंडी हवा के प्रवाह की दिशा में।प्राकृतिक ऊष्मा अपव्यय के लिए, प्रभावी ऊष्मा अपव्यय क्षेत्र जितना बड़ा होगा, उतना बेहतर होगा।सबसे सीधा तरीका पंखों के बीच की दूरी को कम करना और पंखों की संख्या को बढ़ाना है, लेकिन पंखों के बीच का अंतर प्राकृतिक संवहन की सीमा परत को प्रभावित करने के लिए काफी छोटा है।एक बार जब निकटवर्ती पंखों की दीवारों की सीमा परतें एक हो जाती हैं, तो पंखों के बीच हवा का वेग तेजी से कम हो जाएगा, और गर्मी अपव्यय प्रभाव भी तेजी से गिर जाएगा।एयर-कूल्ड रेडिएटर के थर्मल प्रदर्शन की सिमुलेशन गणना और परीक्षण का पता लगाने के माध्यम से, जब गर्मी अपव्यय पंख की लंबाई 100 मिमी है और गर्मी प्रवाह घनत्व 0.1 डब्ल्यू/सेमी है², विभिन्न फिन स्पेसिंग का ताप अपव्यय प्रभाव चित्र 4 में दिखाया गया है। सबसे अच्छी फिल्म दूरी लगभग 8.0 मिमी है।यदि कूलिंग पंखों की लंबाई बढ़ जाती है, तो इष्टतम पंखों का अंतर बड़ा हो जाएगा।

चित्र.4.सब्सट्रेट तापमान और फिन स्पेसिंग के बीच संबंध
  

2.1.2 बलपूर्वक संवहन शीतलन

नालीदार एयर-कूल्ड रेडिएटर के संरचनात्मक पैरामीटर फिन ऊंचाई 98 मिमी, फिन लंबाई 400 मिमी, फिन मोटाई 4 मिमी, फिन स्पेसिंग 4 मिमी, और कूलिंग एयर हेड-ऑन वेग 8 मीटर/सेकेंड हैं।2.38 W/cm ताप प्रवाह घनत्व वाला एक नालीदार एयर-कूल्ड रेडिएटर²तापमान वृद्धि परीक्षण के अधीन किया गया था।परीक्षण के नतीजे बताते हैं कि रेडिएटर के तापमान में वृद्धि 45 K है, ठंडी हवा का दबाव नुकसान 110 Pa है, और प्रति इकाई आयतन में गर्मी अपव्यय 245 किलोवाट/मीटर है।³.इसके अलावा, बिजली घटक माउंटिंग सतह की एकरूपता खराब है, और इसका तापमान अंतर लगभग 10 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है।वर्तमान में, इस समस्या को हल करने के लिए, तांबे के ताप पाइप को आमतौर पर एयर-कूल्ड रेडिएटर की स्थापना सतह पर दफनाया जाता है, ताकि ताप पाइप बिछाने की दिशा में बिजली घटक स्थापना सतह की तापमान एकरूपता में काफी सुधार किया जा सके, और प्रभाव ऊर्ध्वाधर दिशा में स्पष्ट नहीं है.यदि सब्सट्रेट में वाष्प कक्ष प्रौद्योगिकी का उपयोग किया जाता है, तो बिजली घटक बढ़ते सतह की समग्र तापमान एकरूपता को 3 डिग्री सेल्सियस के भीतर नियंत्रित किया जा सकता है, और हीट सिंक के तापमान में वृद्धि को भी कुछ हद तक कम किया जा सकता है।इस परीक्षण टुकड़े को लगभग 3 डिग्री सेल्सियस तक कम किया जा सकता है।

थर्मल सिमुलेशन गणना सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हुए, समान बाहरी परिस्थितियों में, सीधे दांत और नालीदार शीतलन पंखों की सिमुलेशन गणना की जाती है, और परिणाम चित्र 5 में दिखाए जाते हैं। सीधे-दांत शीतलन के साथ बिजली डिवाइस की बढ़ती सतह का तापमान पंखों का तापमान 153.5 डिग्री सेल्सियस है, और नालीदार शीतलन पंखों का तापमान 133.5 डिग्री सेल्सियस है।इसलिए, नालीदार एयर-कूल्ड रेडिएटर की शीतलन क्षमता सीधे-दांतेदार एयर-कूल्ड रेडिएटर की तुलना में बेहतर है, लेकिन दोनों के फिन निकायों की तापमान एकरूपता अपेक्षाकृत खराब है, जिसका शीतलन प्रदर्शन पर अधिक प्रभाव पड़ता है। रेडिएटर का.

चित्र.5.सीधे और नालीदार पंखों का तापमान क्षेत्र

2.2 प्लेट-फिन एयर-कूल्ड रेडिएटर

प्लेट-फ़िन एयर-कूल्ड रेडिएटर के संरचनात्मक पैरामीटर इस प्रकार हैं: वेंटिलेशन भाग की ऊंचाई 100 मिमी है, पंखों की लंबाई 240 मिमी है, पंखों के बीच की दूरी 4 मिमी है, हेड-ऑन प्रवाह वेग है ठंडी हवा का घनत्व 8 m/s है, और ताप प्रवाह घनत्व 4.81 W/cm है².तापमान में वृद्धि 45 डिग्री सेल्सियस है, ठंडी हवा के दबाव में कमी 460 Pa है, और प्रति इकाई आयतन में गर्मी अपव्यय 374 किलोवाट/मीटर है।³.नालीदार एयर-कूल्ड रेडिएटर की तुलना में, प्रति यूनिट वॉल्यूम में गर्मी अपव्यय क्षमता 52.7% बढ़ जाती है, लेकिन हवा के दबाव का नुकसान भी बड़ा होता है।

2.3 फावड़ा टूथ एयर-कूल्ड रेडिएटर

एल्यूमीनियम फावड़ा-टूथ रेडिएटर के थर्मल प्रदर्शन को समझने के लिए, फिन की ऊंचाई 15 मिमी है, फिन की लंबाई 150 मिमी है, फिन की मोटाई 1 मिमी है, फिन स्पेसिंग 1 मिमी है, और ठंडी हवा हेड-ऑन है वेग 5.4 मी/से. है।2.7 डब्लू/सेमी ताप प्रवाह घनत्व वाला एक फावड़ा-दाँत एयर-कूल्ड रेडिएटर²तापमान वृद्धि परीक्षण के अधीन किया गया था।परीक्षण के नतीजे बताते हैं कि रेडिएटर पावर एलिमेंट माउंटिंग सतह का तापमान 74.2°C है, रेडिएटर का तापमान वृद्धि 44.8K है, ठंडी हवा के दबाव का नुकसान 460 Pa है, और प्रति यूनिट वॉल्यूम में गर्मी अपव्यय 4570 किलोवाट/मीटर तक पहुंच जाता है।³.

3 निष्कर्ष

उपरोक्त परीक्षण परिणामों के माध्यम से निम्नलिखित निष्कर्ष निकाले जा सकते हैं।

(1) एयर-कूल्ड रेडिएटर की शीतलन क्षमता को उच्च और निम्न के आधार पर क्रमबद्ध किया जाता है: फावड़ा-टूथ एयर-कूल्ड रेडिएटर, प्लेट-फिन एयर-कूल्ड रेडिएटर, नालीदार एयर-कूल्ड रेडिएटर, और सीधे-दांतेदार एयर-कूल्ड रेडिएटर।

(2) नालीदार एयर-कूल्ड रेडिएटर और स्ट्रेट-टूथेड एयर-कूल्ड रेडिएटर में पंखों के बीच तापमान का अंतर अपेक्षाकृत बड़ा होता है, जिसका रेडिएटर की शीतलन क्षमता पर बहुत प्रभाव पड़ता है।

(3) प्राकृतिक एयर-कूल्ड रेडिएटर में सर्वोत्तम फिन स्पेसिंग होती है, जिसे प्रयोग या सैद्धांतिक गणना द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।

(4) फावड़ा-टूथ एयर-कूल्ड रेडिएटर की मजबूत शीतलन क्षमता के कारण, इसका उपयोग उच्च स्थानीय ताप प्रवाह घनत्व वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जा सकता है।

स्रोत: मैकेनिकल और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग टेक्नोलॉजी खंड 50 अंक 06

लेखक: सन युआनबैंग, ली फेंग, वेई झियू, कोंग लिजुन, वांग बो, सीआरआरसी डालियान लोकोमोटिव रिसर्च इंस्टीट्यूट कंपनी लिमिटेड।

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