抽象的な
パワーエレクトロニクスのパワーデバイスの放熱要件を目指して、それらを冷却するための空冷ラジエーターの熱交換技術が徹底的に研究されてきました。パワーデバイス冷却用の空冷ラジエーターの構造特性と技術要件に従って、さまざまな構造の空冷ラジエーターの熱性能試験が実行され、シミュレーション計算ソフトウェアが補助検証に使用されます。最後に、同一の昇温試験結果の下で、構造の異なる空冷ラジエータの圧力損失、単位体積当たりの放熱量、パワーデバイス実装面の温度均一性などの特性を比較しました。研究結果は、同様の構造の空冷ラジエーターの設計の参考になります。
キーワード:ラジエーター;空冷;熱性能。熱流束密度
0 まえがき
パワーエレクトロニクス科学技術の科学的発展に伴い、パワーエレクトロニクスパワーデバイスの応用範囲はさらに拡大しています。電子機器の寿命や性能を決めるのは、機器自体の性能と電子機器の動作温度、つまり電子機器の熱を放散する放熱器の熱伝達能力です。現在、熱流束密度が4W/cm2未満のパワーエレクトロニクス機器では、ほとんどの冷却方式が空冷式となっています。ヒートシンク。
張良娟ら。FloTHERM を使用して空冷モジュールの熱シミュレーションを実施し、シミュレーション結果の信頼性を実験的テスト結果で検証し、同時にさまざまなコールド プレートの放熱性能をテストしました。
Yang Jingshan 氏は、3 つの典型的な空冷ラジエーター (つまり、ストレート フィン ラジエーター、発泡金属を充填した長方形チャネル ラジエーター、ラジアル フィン ラジエーター) を研究対象として選択し、CFD ソフトウェアを使用してラジエーターの熱伝達能力を強化しました。そして、流れと熱伝達の総合的なパフォーマンスを最適化します。
Wang Changchangらは、放熱シミュレーションソフトウェアFLoTHERMを使用して空冷ラジエーターの放熱性能をシミュレーションおよび計算し、実験データと組み合わせて比較分析し、冷却風速、歯の密度、および冷却風速などのパラメータの影響を研究しました。空冷ラジエターの放熱性能の高さ。
シャオ・チャンら。長方形のフィン付きラジエーターを例として、強制空冷に必要な基準空気量を簡単に分析しました。ラジエーターの構造形状と流体力学の原理に基づいて、冷却空気ダクトの風抵抗推定式を導き出しました。ファンの PQ 特性曲線の簡単な分析と組み合わせることで、ファンの実際の動作点と換気風量を迅速に取得できます。
Pan Shujie 氏は研究のために空冷ラジエーターを選択し、放熱設計における放熱計算、ラジエーターの選択、空冷放熱計算、ファンの選択の手順を簡単に説明し、シンプルな空冷ラジエーターの設計を完成させました。Liu Wei らは、ICEPAK 熱シミュレーション ソフトウェアを使用して、は、ラジエーターの 2 つの軽量化設計方法 (フィンの間隔を増やす、およびフィンの高さを減らす) の比較分析を実施しました。本稿では，プロファイル空冷ラジエータ，スペード歯空冷ラジエータ，プレートフィン空冷ラジエータの構造と放熱性能をそれぞれ紹介した。
1 空冷ラジエーター構造
1.1 一般的に使用される空冷ラジエーター
一般的な空冷ラジエーターは金属加工によって形成されており、ラジエーター内を冷却風が流れて電子機器の熱を大気環境に放散します。一般的な金属材料の中で銀は 420 W/m*K と最も高い熱伝導率を持っていますが、高価です。
銅の熱伝導率は383W/m・Kと銀に比較的近いですが、加工技術が複雑でコストが高く、重量も比較的重いため、銅の熱伝導率は383W/m・Kと比較的銀に近いのが特徴です。
6063アルミニウム合金の熱伝導率は201W/m・Kです。安価で加工性が良く、表面処理も容易でコストパフォーマンスが高いです。
そのため、現在主流の空冷ラジエーターの材質にはこのアルミニウム合金が使用されるのが一般的です。図 1 は、2 つの一般的な空冷ヒートシンクを示しています。一般的に使用される空冷ラジエーターの加工方法には主に次のようなものがあります。
(1) アルミニウム合金の引抜き成形により、単位体積あたりの伝熱面積は約 300 m に達します。2/m3、冷却方法は自然冷却と強制通風冷却です。
(2) ヒートシンクと基板は嵌め込まれており、ヒートシンクと基板はリベット止め、エポキシ樹脂接着、ろう付け溶接、半田付け等により接続することができる。また、基板の材質は銅合金であってもよい。単位体積あたりの伝熱面積は約500 m2/m3に達し、冷却方法は自然冷却と強制通風冷却です。
(3) シャベル歯形成、この種のラジエーターはヒートシンクと基板間の熱抵抗を排除でき、ヒートシンク間の距離は 1.0 mm 未満で、単位体積あたりの伝熱面積は約 2 500 に達します。メートル2/m3。加工方法は図2に示し、冷却方法は強制空冷です。
図1. 一般的に使用される空冷ヒートシンク
図2 ショベルトゥース空冷ラジエーターの加工方法
1.2 プレートフィン空冷ラジエーター
プレートフィン空冷ラジエーターは、複数の部品をろう付けして加工された空冷ラジエーターの一種です。主にヒートシンク、リブプレート、ベースプレートの3つの部品で構成されています。その構造を図３に示します。冷却フィンはフラットフィン、コルゲートフィン、千鳥フィン等の構造を採用することができます。プレートフィン空冷ラジエーターの溶接性を確保するため、リブの溶接工程を考慮し、リブ、ヒートシンク、ベースの3系列のアルミ材を選定しました。プレートフィン空冷ラジエーターの単位体積当たりの伝熱面積は約650m2/m3に達し、冷却方式は自然冷却と強制通風冷却です。
図3 プレートフィン空冷ラジエーター
2 各種空冷ラジエーターの熱性能v
2.1一般的に 中古プロファイル空冷ラジエーター
2.1.1 自然放熱
一般的に使用されている空冷ラジエーターは主に自然冷却により電子機器を冷却しており、その放熱性能は主に放熱フィンの厚さ、フィンのピッチ、フィンの高さ、放熱フィンの長さによって決まります。冷却空気の流れの方向に沿って。自然放熱の場合、有効放熱面積が大きいほど良いです。最も直接的な方法はフィンの間隔を減らしてフィンの数を増やすことですが、フィン間の隙間が小さいため自然対流の境界層に影響を与えます。隣接するフィン壁の境界層が集中すると、フィン間の風速が急激に低下し、放熱効果も急激に低下します。放熱フィン長さ100mm、熱束密度0.1W/cmの場合の空冷ラジエーターの熱性能をシミュレーション計算と試験検出により測定2異なるフィン間隔の放熱効果を図 4 に示します。最適なフィルム距離は約 8.0 mm です。冷却フィンの長さが長くなると、最適なフィン間隔は大きくなります。
図4．基板温度とフィン間隔の関係
2.1.2 強制対流冷却
波形空冷ラジエータの構造パラメータは、フィン高さ 98 mm、フィン長さ 400 mm、フィン厚さ 4 mm、フィン間隔 4 mm、冷却空気の正面速度 8 m/s です。熱流束密度2.38W/cmの波形空冷ラジエーター2昇温試験を行った。試験の結果、ラジエターの温度上昇は45K、冷却風の圧力損失は110Pa、単位体積当たりの放熱量は245kW/mであることがわかりました。3。また、パワー部品実装面の均一性が悪く、その温度差は10℃程度にも達します。現在、この問題を解決するために、通常、銅製のヒートパイプが空冷ラジエーターの設置面に埋め込まれており、パワーコンポーネントの設置面の温度均一性をヒートパイプの敷設方向に大幅に向上させることができます。垂直方向では効果は明らかではありません。基板にベーパーチャンバー技術を採用すると、パワー部品実装面全体の温度均一性を3℃以内に抑えることができ、ヒートシンクの温度上昇もある程度抑えることができます。この試験片では約3℃の温度低下が可能です。
熱シミュレーション計算ソフトを用いて、同一の外部条件において、ストレート歯と波形冷却フィンのシミュレーション計算を行った結果を図5に示します。 ストレート歯冷却によるパワーデバイスの実装面の温度フィンは153.5℃、波形冷却フィンは133.5℃です。したがって、波形空冷ラジエーターの冷却能力は直歯型空冷ラジエーターよりも優れていますが、両者のフィン本体の温度均一性は比較的悪く、冷却性能に大きな影響を与えます。ラジエーターの。
図5。ストレートフィンとコルゲートフィンの温度場
2.2 プレートフィン空冷ラジエーター
プレートフィン空冷ラジエーターの構造パラメータは次のとおりです。通気部の高さは 100 mm、フィンの長さは 240 mm、フィン間の間隔は 4 mm、正面流速は次のとおりです。冷却空気の風速は 8 m/s、熱流束密度は 4.81 W/cm です。2。温度上昇は45℃、冷却空気の圧力損失は460Pa、単位体積当たりの放熱量は374kW/mです。3。波形空冷ラジエーターと比較して、単位体積あたりの放熱能力が52.7%増加しますが、空気圧損失も大きくなります。
2.3 ショベルトゥース空冷ラジエーター
アルミニウム製ショベルトゥースラジエーターの熱性能を理解するために、フィンの高さは 15 mm、フィンの長さは 150 mm、フィンの厚さは 1 mm、フィンの間隔は 1 mm、冷却空気を正面から当てます。速度は5.4m/sです。熱流束密度 2.7 W/cm のシャベルトゥース空冷ラジエーター2昇温試験を行った。試験の結果、ラジエーターパワー素子取付面温度は74.2℃、ラジエター温度上昇は44.8K、冷却空気圧力損失は460Pa、単位体積当たりの放熱量は4570kW/mに達しました。3.
3 結論
上記のテスト結果から、次の結論が導き出されます。
(1) 空冷ラジエーターの冷却能力は、ショベルトゥース空冷ラジエーター、プレートフィン空冷ラジエーター、コルゲート空冷ラジエーター、ストレートトゥース空冷ラジエーターの冷却能力の高いものと低いものに分類されます。
(2) 波形空冷ラジエータと直歯型空冷ラジエータのフィン間の温度差は比較的大きく、ラジエータの冷却能力に大きな影響を与えます。
(3) 自然空冷ラジエーターは、実験または理論計算によって得られる最適なフィン間隔を持っています。
(4) ショベルトゥース空冷ラジエーターの強力な冷却能力により、局所的な熱流束密度の高い電子機器にも使用できます。
出典: 機械電気工学技術第 50 巻、第 06 号
著者: Sun Yuanbang、Li Feng、Wei Zhiyu、Kong Lijun、Wang Bo、CRRC 大連機関車研究所株式会社
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投稿日時: 2023 年 3 月 27 日