abstrato
Visando os requisitos de dissipação de calor dos dispositivos eletrônicos de potência, a tecnologia de troca de calor de radiadores resfriados a ar para resfriá-los tem sido estudada em profundidade.De acordo com as características estruturais e requisitos técnicos do radiador resfriado a ar para resfriamento de dispositivos de potência, são realizados os testes de desempenho térmico do radiador resfriado a ar com diferentes estruturas, e o software de cálculo de simulação é utilizado para verificação auxiliar.Finalmente, sob os mesmos resultados do teste de aumento de temperatura, foram comparadas as características de radiadores resfriados a ar com diferentes estruturas em termos de perda de pressão, dissipação de calor por unidade de volume e uniformidade de temperatura das superfícies de montagem do dispositivo de potência.Os resultados da pesquisa fornecem uma referência para o projeto de radiadores estruturais refrigerados a ar semelhantes.
Palavras-chave:radiador;resfriamento de ar;Performance térmica;densidade de fluxo de calor
0 Prefácio
Com o desenvolvimento científico da ciência e tecnologia da eletrônica de potência, a aplicação de dispositivos de potência da eletrônica de potência é mais extensa.O que determina a vida útil e o desempenho dos dispositivos eletrônicos é o desempenho do próprio dispositivo e a temperatura de operação do dispositivo eletrônico, ou seja, a capacidade de transferência de calor do radiador usado para dissipar o calor do dispositivo eletrônico.Atualmente, em equipamentos eletrônicos de potência com densidade de fluxo de calor inferior a 4 W/cm2, são utilizados a maioria dos sistemas de refrigeração refrigerados a ar.dissipador de calor.
Zhang Liangjuan et al.usou FloTHERM para conduzir simulação térmica de módulos resfriados a ar e verificou a confiabilidade dos resultados da simulação com resultados de testes experimentais e testou o desempenho de dissipação de calor de várias placas frias ao mesmo tempo.
Yang Jingshan selecionou três radiadores típicos resfriados a ar (ou seja, radiadores de aletas retas, radiadores de canal retangular cheios de espuma metálica e radiadores de aletas radiais) como objetos de pesquisa e usou software CFD para aumentar a capacidade de transferência de calor dos radiadores.E otimize o desempenho abrangente de fluxo e transferência de calor.
Wang Changchang e outros usaram o software de simulação de dissipação de calor FLoTHERM para simular e calcular o desempenho de dissipação de calor do radiador resfriado a ar, combinado com os dados experimentais para análise comparativa, e estudaram a influência de parâmetros como velocidade do vento de resfriamento, densidade dos dentes e altura no desempenho de dissipação de calor do radiador resfriado a ar.
Shao Qiang et al.analisou brevemente o volume de ar de referência necessário para resfriamento de ar forçado tomando como exemplo um radiador de aletas retangulares;com base na forma estrutural do radiador e nos princípios da mecânica dos fluidos, foi derivada a fórmula de estimativa da resistência ao vento do duto de ar de resfriamento;combinado com uma breve análise da curva característica PQ do ventilador, o ponto de trabalho real e o volume de ar de ventilação do ventilador podem ser obtidos rapidamente.
Pan Shujie escolheu o radiador resfriado a ar para pesquisa e explicou brevemente as etapas de cálculo da dissipação de calor, seleção do radiador, cálculo da dissipação de calor resfriado a ar e seleção do ventilador no projeto de dissipação de calor, e completou o projeto simples do radiador resfriado a ar.Usando o software de simulação térmica ICEPAK, Liu Wei et al.conduziu uma análise comparativa de dois métodos de projeto de redução de peso para radiadores (aumentando o espaçamento das aletas e reduzindo a altura das aletas).Este artigo apresenta a estrutura e o desempenho de dissipação de calor de radiadores refrigerados a ar de perfil, dente de pá e aleta de placa, respectivamente.
1 Estrutura do radiador refrigerado a ar
1.1 Radiadores resfriados a ar comumente usados
O radiador comum resfriado a ar é formado por processamento de metal, e o ar de resfriamento flui através do radiador para dissipar o calor do dispositivo eletrônico para o ambiente atmosférico.Entre os materiais metálicos comuns, a prata tem a maior condutividade térmica de 420 W/m*K, mas é cara;
A condutividade térmica do cobre é de 383 W/m·K, o que é relativamente próximo do nível da prata, mas a tecnologia de processamento é complicada, o custo é alto e o peso é relativamente pesado;
A condutividade térmica da liga de alumínio 6063 é de 201 W/m·K. É barata, possui boas características de processamento, fácil tratamento de superfície e alto desempenho de custo.
Portanto, o material dos atuais radiadores refrigerados a ar convencionais geralmente usa esta liga de alumínio.A Figura 1 mostra dois dissipadores de calor comuns resfriados a ar.Os métodos de processamento de radiadores resfriados a ar comumente usados incluem principalmente o seguinte:
(1) Trefilagem e conformação de liga de alumínio, a área de transferência de calor por unidade de volume pode atingir cerca de 300 m2/m3, e os métodos de resfriamento são resfriamento natural e resfriamento por ventilação forçada;
(2) O dissipador de calor e o substrato são embutidos juntos, e o dissipador de calor e o substrato podem ser conectados por rebitagem, colagem de resina epóxi, brasagem, soldagem e outros processos.Além disso, o material do substrato também pode ser uma liga de cobre.A área de transferência de calor por unidade de volume pode atingir cerca de 500 m2/m3, e os métodos de resfriamento são resfriamento natural e resfriamento por ventilação forçada;
(3) Formação de dente de pá, este tipo de radiador pode eliminar a resistência térmica entre o dissipador de calor e o substrato, a distância entre o dissipador de calor pode ser inferior a 1,0 mm e a área de transferência de calor por unidade de volume pode atingir cerca de 2.500 eu2/m3.O método de processamento é mostrado na Figura 2, e o método de resfriamento é o resfriamento com ar forçado.
Figura 1. Dissipador de calor resfriado a ar comumente usado
Figura 2. Método de processamento do radiador refrigerado a ar com dente de pá
1.2 Radiador refrigerado a ar com aletas planas
O radiador resfriado a ar com aleta de placa é um tipo de radiador resfriado a ar processado por brasagem de várias peças.É composto principalmente por três partes, como dissipador de calor, placa canelada e placa de base.Sua estrutura é mostrada na Figura 3. As aletas de resfriamento podem adotar aletas planas, aletas onduladas, aletas escalonadas e outras estruturas.Considerando o processo de soldagem das nervuras, materiais de alumínio de 3 séries são selecionados para as nervuras, dissipadores de calor e bases para garantir a soldabilidade do radiador resfriado a ar com aletas de placa.A área de transferência de calor por unidade de volume do radiador resfriado a ar com aletas de placa pode atingir cerca de 650 m2/m3, e os métodos de resfriamento são resfriamento natural e resfriamento por ventilação forçada.
Figura 3. Radiador refrigerado a ar com aletas planas
2 Desempenho térmico de vários radiadores refrigerados a arv
2.1Geralmente radiadores refrigerados a ar de perfil usados
2.1.1 Dissipação natural de calor
Radiadores resfriados a ar comumente usados resfriam principalmente dispositivos eletrônicos por resfriamento natural, e seu desempenho de dissipação de calor depende principalmente da espessura das aletas de dissipação de calor, do passo das aletas, da altura das aletas e do comprimento das aletas de dissipação de calor ao longo da direção do fluxo de ar de resfriamento.Para dissipação natural de calor, quanto maior for a área efetiva de dissipação de calor, melhor.A maneira mais direta é reduzir o espaçamento das aletas e aumentar o número de aletas, mas o espaço entre as aletas é pequeno o suficiente para afetar a camada limite da convecção natural.Uma vez que as camadas limites das paredes das aletas adjacentes convirjam, a velocidade do ar entre as aletas cairá drasticamente e o efeito de dissipação de calor também cairá drasticamente.Através do cálculo de simulação e detecção de teste do desempenho térmico do radiador resfriado a ar, quando o comprimento da aleta de dissipação de calor é de 100 mm e a densidade do fluxo de calor é de 0,1 W/cm2, o efeito de dissipação de calor de diferentes espaçamentos de aletas é mostrado na Figura 4. A melhor distância do filme é de cerca de 8,0 mm.Se o comprimento das aletas de resfriamento aumentar, o espaçamento ideal das aletas aumentará.
Figura 4.Relação entre temperatura do substrato e espaçamento das aletas
2.1.2 Resfriamento por convecção forçada
Os parâmetros estruturais do radiador corrugado resfriado a ar são altura das aletas de 98 mm, comprimento das aletas de 400 mm, espessura das aletas de 4 mm, espaçamento das aletas de 4 mm e velocidade frontal do ar de resfriamento de 8 m/s.Um radiador corrugado resfriado a ar com densidade de fluxo de calor de 2,38 W/cm2foi submetido a um teste de aumento de temperatura.Os resultados do teste mostram que o aumento de temperatura do radiador é de 45 K, a perda de pressão do ar de resfriamento é de 110 Pa e a dissipação de calor por unidade de volume é de 245 kW/m3.Além disso, a uniformidade da superfície de montagem do componente de potência é fraca e sua diferença de temperatura atinge cerca de 10 °C.Atualmente, para resolver este problema, os tubos de calor de cobre são geralmente enterrados na superfície de instalação do radiador resfriado a ar, de modo que a uniformidade da temperatura da superfície de instalação do componente de energia possa ser significativamente melhorada na direção da colocação do tubo de calor, e o efeito não é óbvio na direção vertical.Se a tecnologia de câmara de vapor for usada no substrato, a uniformidade geral da temperatura da superfície de montagem do componente de potência pode ser controlada dentro de 3 °C, e o aumento da temperatura do dissipador de calor também pode ser reduzido até certo ponto.Esta peça de teste pode ser reduzida em cerca de 3 °C.
Utilizando software de cálculo de simulação térmica, sob as mesmas condições externas, é realizado o cálculo de simulação de dentes retos e aletas de resfriamento corrugadas, e os resultados são mostrados na Figura 5. A temperatura da superfície de montagem do dispositivo de potência com resfriamento de dentes retos aletas de resfriamento corrugadas é 153,5 °C, e a das aletas de resfriamento corrugadas é 133,5 °C.Portanto, a capacidade de resfriamento do radiador resfriado a ar corrugado é melhor do que a do radiador resfriado a ar de dentes retos, mas a uniformidade de temperatura dos corpos das aletas dos dois é relativamente baixa, o que tem um impacto maior no desempenho de resfriamento. do radiador.
Figura 5.Campo de temperatura de aletas retas e onduladas
2.2 Radiador refrigerado a ar com aletas planas
Os parâmetros estruturais do radiador resfriado a ar com aletas são os seguintes: a altura da parte de ventilação é de 100 mm, o comprimento das aletas é de 240 mm, o espaçamento entre as aletas é de 4 mm, a velocidade do fluxo frontal do ar de resfriamento é 8 m/s, e a densidade do fluxo de calor é 4,81 W/cm2.O aumento de temperatura é de 45°C, a perda de pressão do ar de resfriamento é de 460 Pa e a dissipação de calor por unidade de volume é de 374 kW/m3.Comparado com o radiador corrugado resfriado a ar, a capacidade de dissipação de calor por unidade de volume é aumentada em 52,7%, mas a perda de pressão do ar também é maior.
2.3 Radiador refrigerado a ar com dente de pá
Para entender o desempenho térmico do radiador dente-pá de alumínio, a altura da aleta é de 15 mm, o comprimento da aleta é de 150 mm, a espessura da aleta é de 1 mm, o espaçamento das aletas é de 1 mm e o ar de resfriamento frontal a velocidade é 5,4 m/s.Um radiador refrigerado a ar com dente de pá e densidade de fluxo de calor de 2,7 W/cm2foi submetido a um teste de aumento de temperatura.Os resultados do teste mostram que a temperatura da superfície de montagem do elemento de potência do radiador é de 74,2°C, o aumento de temperatura do radiador é de 44,8K, a perda de pressão do ar de resfriamento é de 460 Pa e a dissipação de calor por unidade de volume atinge 4570 kW/m3.
3 Conclusão
Através dos resultados dos testes acima, as seguintes conclusões podem ser tiradas.
(1) A capacidade de resfriamento do radiador resfriado a ar é classificada por alta e baixa: radiador resfriado a ar com dente de pá, radiador resfriado a ar com aleta de placa, radiador resfriado a ar corrugado e radiador resfriado a ar de dentes retos.
(2) A diferença de temperatura entre as aletas do radiador resfriado a ar corrugado e do radiador resfriado a ar de dentes retos é relativamente grande, o que tem um grande impacto na capacidade de resfriamento do radiador.
(3) O radiador refrigerado a ar natural possui o melhor espaçamento entre as aletas, que pode ser obtido por experimento ou cálculo teórico.
(4) Devido à forte capacidade de resfriamento do radiador refrigerado a ar com dente de pá, ele pode ser usado em equipamentos eletrônicos com alta densidade de fluxo de calor local.
Fonte: Tecnologia de Engenharia Mecânica e Elétrica Volume 50 Edição 06
Autores: Sun Yuanbang, Li Feng, Wei Zhiyu, Kong Lijun, Wang Bo, CRRC Dalian Locomotive Research Institute Co., Ltd.
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Horário da postagem: 27 de março de 2023