astratto
Mirando ai requisiti di dissipazione del calore dei dispositivi elettronici di potenza, è stata studiata in modo approfondito la tecnologia di scambio termico dei radiatori raffreddati ad aria per il loro raffreddamento.In base alle caratteristiche strutturali e ai requisiti tecnici del radiatore raffreddato ad aria per il raffreddamento dei dispositivi di potenza, vengono eseguiti i test di prestazione termica del radiatore raffreddato ad aria con diverse strutture e il software di calcolo di simulazione viene utilizzato per la verifica ausiliaria.Infine, con gli stessi risultati dei test di aumento della temperatura, sono state confrontate le caratteristiche dei radiatori raffreddati ad aria con strutture diverse in termini di perdita di pressione, dissipazione del calore per unità di volume e uniformità della temperatura delle superfici di montaggio dei dispositivi di potenza.I risultati della ricerca forniscono un riferimento per la progettazione di radiatori strutturali simili raffreddati ad aria.
Parole chiave:termosifone;aria condizionata;prestazione termica;densità del flusso di calore
0 Prefazione
Con lo sviluppo scientifico della scienza e della tecnologia dell'elettronica di potenza, l'applicazione dei dispositivi di potenza dell'elettronica di potenza è più ampia.Ciò che determina la durata e le prestazioni dei dispositivi elettronici sono le prestazioni del dispositivo stesso e la temperatura operativa del dispositivo elettronico, ovvero la capacità di trasferimento del calore del radiatore utilizzato per dissipare il calore dal dispositivo elettronico.Attualmente, nelle apparecchiature elettroniche di potenza con una densità del flusso di calore inferiore a 4 W/cm2, vengono utilizzati la maggior parte dei sistemi di raffreddamento con raffreddamento ad aria.radiatore.
Zhang Liangjuan et al.ha utilizzato FloTHERM per condurre la simulazione termica dei moduli raffreddati ad aria e ha verificato l'affidabilità dei risultati della simulazione con i risultati dei test sperimentali e ha testato contemporaneamente le prestazioni di dissipazione del calore di varie piastre fredde.
Yang Jingshan ha selezionato tre tipici radiatori raffreddati ad aria (ovvero radiatori ad alette diritte, radiatori a canale rettangolare riempiti di schiuma metallica e radiatori ad alette radiali) come oggetti di ricerca e ha utilizzato il software CFD per migliorare la capacità di trasferimento del calore dei radiatori.E ottimizzare le prestazioni complete del flusso e del trasferimento di calore.
Wang Changchang e altri hanno utilizzato il software di simulazione della dissipazione del calore FLoTHERM per simulare e calcolare le prestazioni di dissipazione del calore del radiatore raffreddato ad aria, combinate con i dati sperimentali per l'analisi comparativa, e hanno studiato l'influenza di parametri come la velocità del vento di raffreddamento, la densità dei denti e altezza sulle prestazioni di dissipazione del calore del radiatore raffreddato ad aria.
Shao Qiang et al.analizzato brevemente il volume d'aria di riferimento necessario per il raffreddamento ad aria forzata prendendo come esempio un radiatore alettato rettangolare;sulla base della forma strutturale del radiatore e dei principi della meccanica dei fluidi è stata derivata la formula per la stima della resistenza al vento del condotto dell'aria di raffreddamento;combinato con una breve analisi della curva caratteristica PQ del ventilatore, è possibile ottenere rapidamente il punto di lavoro effettivo e il volume dell'aria di ventilazione del ventilatore.
Pan Shujie ha scelto il radiatore raffreddato ad aria per la ricerca e ha spiegato brevemente le fasi del calcolo della dissipazione del calore, della selezione del radiatore, del calcolo della dissipazione del calore raffreddato ad aria e della selezione della ventola nella progettazione della dissipazione del calore e ha completato il semplice design del radiatore raffreddato ad aria.Utilizzando il software di simulazione termica ICEPAK, Liu Wei et al.ha condotto un'analisi comparativa di due metodi di progettazione per la riduzione del peso dei radiatori (aumento della spaziatura delle alette e riduzione dell'altezza delle alette).Questo documento presenta la struttura e le prestazioni di dissipazione del calore rispettivamente dei radiatori raffreddati ad aria con profilo, denti a forcella e aletta piatta.
1 Struttura del radiatore raffreddato ad aria
1.1 Radiatori raffreddati ad aria comunemente usati
Il comune radiatore raffreddato ad aria è formato dalla lavorazione del metallo e l'aria di raffreddamento scorre attraverso il radiatore per dissipare il calore del dispositivo elettronico nell'ambiente atmosferico.Tra i materiali metallici comuni, l’argento ha la più alta conduttività termica pari a 420 W/m*K, ma è costoso;
La conduttività termica del rame è 383 W/m·K, che è relativamente vicina al livello dell'argento, ma la tecnologia di lavorazione è complicata, il costo è elevato e il peso è relativamente elevato;
La conduttività termica della lega di alluminio 6063 è 201 W/m·K. È economica, ha buone caratteristiche di lavorazione, facile trattamento superficiale e prestazioni ad alto costo.
Pertanto, il materiale degli attuali radiatori raffreddati ad aria generalmente utilizza questa lega di alluminio.La Figura 1 mostra due comuni dissipatori di calore raffreddati ad aria.I metodi di lavorazione dei radiatori raffreddati ad aria comunemente utilizzati includono principalmente quanto segue:
(1) Trafilatura e formatura di leghe di alluminio, l'area di trasferimento del calore per unità di volume può raggiungere circa 300 m²2/m3e i metodi di raffreddamento sono il raffreddamento naturale e il raffreddamento a ventilazione forzata;
(2) Il dissipatore di calore e il substrato sono intarsiati insieme e il dissipatore di calore e il substrato possono essere collegati mediante rivettatura, incollaggio con resina epossidica, brasatura, saldatura e altri processi.Inoltre, il materiale del substrato può anche essere una lega di rame.L'area di trasferimento del calore per unità di volume può raggiungere circa 500 m2/m3 e i metodi di raffreddamento sono il raffreddamento naturale e il raffreddamento a ventilazione forzata;
(3) Formatura del dente di pala, questo tipo di radiatore può eliminare la resistenza termica tra il dissipatore di calore e il substrato, la distanza tra il dissipatore di calore può essere inferiore a 1,0 mm e l'area di trasferimento del calore per unità di volume può raggiungere circa 2 500 M2/m3.Il metodo di elaborazione è mostrato nella Figura 2 e il metodo di raffreddamento è il raffreddamento ad aria forzata.
Fig. 1. Dissipatore di calore raffreddato ad aria comunemente utilizzato
Fig. 2. Metodo di lavorazione del radiatore raffreddato ad aria con dente di pala
1.2 Radiatore raffreddato ad aria con alette a piastra
Il radiatore raffreddato ad aria con alette a piastra è un tipo di radiatore raffreddato ad aria lavorato mediante brasatura di più parti.È composto principalmente da tre parti come dissipatore di calore, piastra a coste e piastra di base.La sua struttura è mostrata nella Figura 3. Le alette di raffreddamento possono adottare alette piatte, alette ondulate, alette sfalsate e altre strutture.Considerando il processo di saldatura delle nervature, vengono selezionati materiali in alluminio della serie 3 per nervature, dissipatori di calore e basi per garantire la saldabilità del radiatore raffreddato ad aria con aletta a piastra.L'area di trasferimento del calore per unità di volume del radiatore raffreddato ad aria con alette piatte può raggiungere circa 650 m2/m3 e i metodi di raffreddamento sono il raffreddamento naturale e il raffreddamento a ventilazione forzata.
Fig. 3. Radiatore raffreddato ad aria con alette a piastra
2 Prestazioni termiche di vari radiatori raffreddati ad ariav
2.1Comunemente radiatori raffreddati ad aria con profilo usato
2.1.1 Dissipazione naturale del calore
I radiatori raffreddati ad aria comunemente utilizzati raffreddano principalmente i dispositivi elettronici mediante raffreddamento naturale e le loro prestazioni di dissipazione del calore dipendono principalmente dallo spessore delle alette di dissipazione del calore, dal passo delle alette, dall'altezza delle alette e dalla lunghezza delle alette di dissipazione del calore lungo la direzione del flusso d'aria di raffreddamento.Per una dissipazione del calore naturale, maggiore è l'area effettiva di dissipazione del calore, meglio è.Il modo più diretto è ridurre la spaziatura delle alette e aumentarne il numero, ma lo spazio tra le alette è sufficientemente piccolo da influenzare lo strato limite della convezione naturale.Una volta che gli strati limite delle pareti delle alette adiacenti convergono, la velocità dell'aria tra le alette diminuirà drasticamente e anche l'effetto di dissipazione del calore diminuirà drasticamente.Attraverso il calcolo della simulazione e il rilevamento del test delle prestazioni termiche del radiatore raffreddato ad aria, quando la lunghezza dell'aletta di dissipazione del calore è 100 mm e la densità del flusso di calore è 0,1 W/cm2, l'effetto di dissipazione del calore derivante dalla diversa spaziatura delle alette è mostrato nella Figura 4. La migliore distanza della pellicola è di circa 8,0 mm.Se la lunghezza delle alette di raffreddamento aumenta, la distanza ottimale tra le alette aumenterà.
Fig.4.Relazione tra temperatura del substrato e spaziatura delle alette
2.1.2 Raffreddamento a convezione forzata
I parametri strutturali del radiatore ondulato raffreddato ad aria sono altezza delle alette 98 mm, lunghezza delle alette 400 mm, spessore delle alette 4 mm, spaziatura delle alette 4 mm e velocità frontale dell'aria di raffreddamento 8 m/s.Un radiatore ondulato raffreddato ad aria con una densità del flusso di calore di 2,38 W/cm2è stato sottoposto ad un test di aumento della temperatura.I risultati del test mostrano che l'aumento di temperatura del radiatore è di 45 K, la perdita di pressione dell'aria di raffreddamento è di 110 Pa e la dissipazione di calore per unità di volume è di 245 kW/m3.Inoltre, l'uniformità della superficie di montaggio del componente di potenza è scarsa e la differenza di temperatura raggiunge circa 10°C.Attualmente, per risolvere questo problema, i tubi di calore in rame vengono solitamente interrati sulla superficie di installazione del radiatore raffreddato ad aria, in modo che l'uniformità della temperatura della superficie di installazione del componente di potenza possa essere significativamente migliorata nella direzione di posa del tubo di calore, e l'effetto non è evidente nella direzione verticale.Se nel substrato viene utilizzata la tecnologia della camera di vapore, l'uniformità complessiva della temperatura della superficie di montaggio del componente di potenza può essere controllata entro 3 °C e anche l'aumento della temperatura del dissipatore di calore può essere ridotto in una certa misura.Questo campione può essere ridotto di circa 3 °C.
Utilizzando il software di calcolo di simulazione termica, nelle stesse condizioni esterne, viene eseguito il calcolo di simulazione dei denti diritti e delle alette di raffreddamento ondulate e i risultati sono mostrati nella Figura 5. La temperatura della superficie di montaggio del dispositivo di potenza con raffreddamento a denti diritti delle alette di raffreddamento è 153,5 °C, e quella delle alette di raffreddamento ondulate è 133,5 °C.Pertanto, la capacità di raffreddamento del radiatore ondulato raffreddato ad aria è migliore di quella del radiatore raffreddato ad aria a denti diritti, ma l'uniformità della temperatura dei corpi delle alette dei due è relativamente scarsa, il che ha un impatto maggiore sulle prestazioni di raffreddamento del radiatore.
Fig.5.Campo di temperatura delle alette diritte e ondulate
2.2 Radiatore raffreddato ad aria con alette a piastra
I parametri strutturali del radiatore raffreddato ad aria con alette a piastra sono i seguenti: l'altezza della parte di ventilazione è 100 mm, la lunghezza delle alette è 240 mm, la distanza tra le alette è 4 mm, la velocità del flusso frontale dell'aria di raffreddamento è di 8 m/s e la densità del flusso di calore è di 4,81 W/cm2.L'aumento di temperatura è di 45°C, la perdita di carico dell'aria di raffreddamento è di 460 Pa e la dissipazione di calore per unità di volume è di 374 kW/m3.Rispetto al radiatore ondulato raffreddato ad aria, la capacità di dissipazione del calore per unità di volume è aumentata del 52,7%, ma anche la perdita di pressione dell'aria è maggiore.
2.3 Radiatore raffreddato ad aria con dente di pala
Per comprendere le prestazioni termiche del radiatore a dente di pala in alluminio, l'altezza delle alette è di 15 mm, la lunghezza delle alette è di 150 mm, lo spessore delle alette è di 1 mm, la spaziatura delle alette è di 1 mm e l'aria di raffreddamento è frontale la velocità è 5,4 m/s.Un radiatore raffreddato ad aria a denti di pala con una densità di flusso termico di 2,7 W/cm2è stato sottoposto ad un test di aumento della temperatura.I risultati del test mostrano che la temperatura della superficie di montaggio dell'elemento di potenza del radiatore è di 74,2°C, l'aumento di temperatura del radiatore è di 44,8 K, la perdita di pressione dell'aria di raffreddamento è di 460 Pa e la dissipazione del calore per unità di volume raggiunge 4570 kW/m3.
3 Conclusione
Attraverso i risultati dei test di cui sopra, si possono trarre le seguenti conclusioni.
(1) La capacità di raffreddamento del radiatore raffreddato ad aria è classificata in base a alta e bassa: radiatore raffreddato ad aria a denti di pala, radiatore raffreddato ad aria con alette a piastra, radiatore ondulato raffreddato ad aria e radiatore raffreddato ad aria a denti diritti.
(2) La differenza di temperatura tra le alette del radiatore ondulato raffreddato ad aria e il radiatore raffreddato ad aria a denti diritti è relativamente grande, il che ha un grande impatto sulla capacità di raffreddamento del radiatore.
(3) Il radiatore naturale raffreddato ad aria ha la migliore spaziatura delle alette, che può essere ottenuta mediante esperimento o calcolo teorico.
(4) Grazie alla forte capacità di raffreddamento del radiatore raffreddato ad aria a denti di pala, può essere utilizzato in apparecchiature elettroniche con elevata densità di flusso di calore locale.
Fonte: Tecnologia di ingegneria meccanica ed elettrica, volume 50, numero 06
Autori: Sun Yuanbang, Li Feng, Wei Zhiyu, Kong Lijun, Wang Bo, CRRC Dalian Locomotive Research Institute Co., Ltd.
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Orario di pubblicazione: 27 marzo 2023