анотація
З огляду на вимоги до тепловіддачі силових електронних силових пристроїв, технологія теплообміну радіаторів з повітряним охолодженням для їх охолодження була поглиблено вивчена.Відповідно до структурних характеристик і технічних вимог радіатора з повітряним охолодженням для охолодження енергетичних пристроїв проводяться випробування теплових характеристик радіатора з повітряним охолодженням з різними структурами, а програмне забезпечення для розрахунку моделювання використовується для допоміжної перевірки.Нарешті, за однаковими результатами випробувань на підвищення температури порівнювали характеристики радіаторів повітряного охолодження різної конструкції за втратою тиску, тепловиділенням на одиницю об’єму та рівномірністю температур монтажних поверхонь силових пристроїв.Результати досліджень є еталоном для проектування подібних конструктивних радіаторів повітряного охолодження.
Ключові слова:радіатор;повітряне охолодження;теплові характеристики;щільність теплового потоку
0 Передмова
З науковим розвитком науки і техніки силової електроніки застосування силових пристроїв силової електроніки стає все більш широким.Термін служби та продуктивність електронних пристроїв визначає продуктивність самого пристрою та робоча температура електронного пристрою, тобто тепловіддача радіатора, який використовується для розсіювання тепла від електронного пристрою.В даний час в апаратурі силової електроніки з щільністю теплового потоку менше 4 Вт/см2 використовується більшість систем охолодження з повітряним охолодженням.тепловідвід.
Чжан Лянцзюань та ін.використав FloTHERM для проведення теплового моделювання модулів з повітряним охолодженням і перевірив достовірність результатів моделювання за допомогою результатів експериментальних випробувань, а також одночасно перевірив ефективність розсіювання тепла різних холодних пластин.
Yang Jingshan вибрав три типові радіатори з повітряним охолодженням (тобто радіатори з прямими ребрами, радіатори з прямокутним каналом, наповненими металевою піною, і радіатори з радіальними ребрами) як об’єкти дослідження та використав програмне забезпечення CFD для підвищення теплообмінної здатності радіаторів.І оптимізуйте повну продуктивність потоку та теплопередачі.
Wang Changchang та інші використовували програмне забезпечення для моделювання розсіювання тепла FLoTHERM для моделювання та розрахунку продуктивності розсіювання тепла радіатора з повітряним охолодженням у поєднанні з експериментальними даними для порівняльного аналізу та вивчення впливу таких параметрів, як швидкість охолоджуючого вітру, щільність зубів і висоти на тепловіддачу радіатора з повітряним охолодженням.
Шао Цян та ін.коротко проаналізували еталонний об’єм повітря, необхідний для примусового повітряного охолодження, взявши за приклад прямокутний ребристий радіатор;на основі конструктивної форми радіатора та принципів гідромеханіки виведено формулу оцінки вітрового опору повітропроводу охолодження;У поєднанні з коротким аналізом кривої характеристики PQ вентилятора можна швидко отримати фактичну робочу точку та об’єм вентиляційного повітря вентилятора.
Пан Шуцзе вибрав для дослідження радіатор з повітряним охолодженням і коротко пояснив етапи розрахунку розсіювання тепла, вибору радіатора, розрахунку розсіювання тепла з повітряним охолодженням і вибору вентилятора в конструкції розсіювання тепла, а також завершив просту конструкцію радіатора з повітряним охолодженням.Використовуючи програмне забезпечення для термічного моделювання ICEPAK, Liu Wei et al.провели порівняльний аналіз двох методів проектування зменшення ваги для радіаторів (збільшення відстані між ребрами та зменшення висоти ребер).У цьому документі описано структуру та ефективність розсіювання тепла радіаторів з повітряним охолодженням із профільним, лопатковим зубом і пластинчатим ребром відповідно.
1 Конструкція радіатора з повітряним охолодженням
1.1 Часто використовувані радіатори з повітряним охолодженням
Звичайний радіатор із повітряним охолодженням утворюється шляхом обробки металу, а охолоджувальне повітря проходить через радіатор, щоб розсіювати тепло електронного пристрою в атмосферу.Серед поширених металевих матеріалів срібло має найвищу теплопровідність 420 Вт/м*К, але воно дороге;
Теплопровідність міді становить 383 Вт/м · К, що відносно близько до рівня срібла, але технологія обробки складна, вартість висока і вага відносно велика;
Теплопровідність алюмінієвого сплаву 6063 становить 201 Вт/м·К. Він дешевий, має хороші характеристики обробки, легку обробку поверхні та високу вартість.
Таким чином, матеріал сучасних радіаторів з повітряним охолодженням зазвичай використовує цей алюмінієвий сплав.На малюнку 1 показано два звичайних радіатора з повітряним охолодженням.Зазвичай використовувані методи обробки радіатора з повітряним охолодженням в основному включають наступне:
(1) Витягування та формування алюмінієвого сплаву, площа теплопередачі на одиницю об’єму може досягати приблизно 300 м2/m3, а методи охолодження - природне охолодження та охолодження примусовою вентиляцією;
(2) Радіатор і підкладка інкрустовані разом, і радіатор і підкладку можна з’єднати заклепками, склеюванням епоксидною смолою, зварюванням, паянням та іншими процесами.Крім того, матеріалом підкладки також може бути мідний сплав.Площа теплопередачі на одиницю об'єму може досягати близько 500 м2/м3, а методи охолодження - природне охолодження та охолодження примусової вентиляції;
(3) Формування зуба лопати, цей вид радіатора може усунути термічний опір між радіатором і підкладкою, відстань між радіатором може бути менше 1,0 мм, а площа теплопередачі на одиницю об’єму може досягати приблизно 2500 м2/m3.Метод обробки показаний на малюнку 2, а метод охолодження - примусове повітряне охолодження.
Рис. 1. Зазвичай використовуваний радіатор з повітряним охолодженням
Рис. 2. Спосіб обробки радіатора повітряного охолодження лопаткового зуба
1.2 Пластинчатий радіатор повітряного охолодження
Пластинчасто-ребристий радіатор із повітряним охолодженням — це різновид радіатора з повітряним охолодженням, обробленого паянням кількох частин.В основному він складається з трьох частин, таких як радіатор, реберна пластина та опорна пластина.Його структура показана на малюнку 3. Ребра охолодження можуть мати плоскі ребра, гофровані ребра, ребра в шаховому порядку та інші структури.Враховуючи процес зварювання ребер, для ребер, радіаторів і основи вибрано 3 серії алюмінієвих матеріалів, щоб забезпечити зварюваність пластинчатого радіатора з повітряним охолодженням.Площа теплообміну на одиницю об’єму пластинчасто-ребристого радіатора з повітряним охолодженням може досягати близько 650 м2/м3, а методи охолодження — природне охолодження та охолодження примусовою вентиляцією.
Рис. 3. Пластинчасто-ребристий радіатор повітряного охолодження
2 Теплові характеристики різних радіаторів з повітряним охолодженнямv
2.1Загальноприйнятий використовуються профільні радіатори повітряного охолодження
2.1.1 Природна тепловіддача
Зазвичай використовувані радіатори з повітряним охолодженням переважно охолоджують електронні пристрої шляхом природного охолодження, і їх ефективність розсіювання тепла в основному залежить від товщини ребер розсіювання тепла, кроку ребер, висоти ребер і довжини ребер розсіювання тепла. уздовж напрямку потоку охолоджуючого повітря.Для природного розсіювання тепла чим більше ефективна площа розсіювання тепла, тим краще.Найбільш прямий спосіб полягає в тому, щоб зменшити відстань між ребрами та збільшити кількість ребер, але проміжок між ребрами досить малий, щоб впливати на граничний шар природної конвекції.Коли прикордонні шари сусідніх стінок ребер зближуються, швидкість повітря між ребрами різко впаде, і ефект розсіювання тепла також різко впаде.За допомогою симуляційного розрахунку та тестового визначення теплових характеристик радіатора з повітряним охолодженням, коли довжина ребер тепловіддачі становить 100 мм, а щільність теплового потоку становить 0,1 Вт/см.2, ефект розсіювання тепла різної відстані між ребрами показано на малюнку 4. Оптимальна відстань між плівкою становить близько 8,0 мм.Якщо довжина ребер охолодження збільшується, оптимальна відстань між ребрами стає більшою.
Рис.4.Зв'язок між температурою підкладки та відстанню між ребрами
2.1.2 Охолодження з примусовою конвекцією
Конструктивні параметри гофрованого радіатора з повітряним охолодженням: висота ребра 98 мм, довжина ребра 400 мм, товщина ребра 4 мм, відстань між ребрами 4 мм, лобова швидкість охолоджуючого повітря 8 м/с.Радіатор гофрований повітряного охолодження з щільністю теплового потоку 2,38 Вт/см.2був підданий випробуванню підвищенням температури.Результати випробувань показують, що підвищення температури радіатора становить 45 К, втрата тиску охолоджуючого повітря становить 110 Па, а тепловіддача на одиницю об’єму становить 245 кВт/м.3.Крім того, рівномірність монтажної поверхні силового компонента погана, а її різниця температур досягає приблизно 10 °C.В даний час, щоб вирішити цю проблему, мідні теплові трубки зазвичай ховають на монтажній поверхні радіатора з повітряним охолодженням, так що рівномірність температури на монтажній поверхні силового компонента може бути значно покращена в напрямку укладання теплової труби, і ефект не помітний у вертикальному напрямку.Якщо в підкладці використовується технологія парової камери, загальну рівномірність температури монтажної поверхні силового компонента можна контролювати в межах 3 °C, а також можна певною мірою зменшити підвищення температури радіатора.Цей тестовий зразок можна знизити приблизно на 3 °C.
Використовуючи програмне забезпечення для розрахунку термічного моделювання, за однакових зовнішніх умов виконується розрахунок моделювання прямого зуба та гофрованих охолоджуючих ребер, і результати показані на малюнку 5. Температура монтажної поверхні силового пристрою з охолодженням прямого зуба ребер становить 153,5 °C, а гофрованих ребер охолодження — 133,5 °C.Таким чином, охолоджувальна здатність гофрованого радіатора з повітряним охолодженням краща, ніж радіатора з повітряним охолодженням із прямими зубцями, але рівномірність температури ребристих тіл обох відносно погана, що має більший вплив на продуктивність охолодження. радіатора.
Рис.5.Температурне поле прямих і гофрованих ребер
2.2 Пластинчатий радіатор повітряного охолодження
Конструктивні параметри пластинчасто-ребристого радіатора повітряного охолодження: висота вентиляційної частини 100 мм, довжина ребер 240 мм, відстань між ребрами 4 мм, лобова швидкість потоку охолоджуючого повітря 8 м/с, а густина теплового потоку 4,81 Вт/см.2.Підвищення температури становить 45°C, втрати тиску охолоджуючого повітря становлять 460 Па, а тепловіддача на одиницю об’єму становить 374 кВт/м.3.Порівняно з гофрованим радіатором з повітряним охолодженням потужність тепловіддачі на одиницю об'єму збільшена на 52,7%, але втрати тиску повітря також більші.
2.3 Зуб лопати радіатор повітряного охолодження
Щоб зрозуміти теплові характеристики алюмінієвого лопатоподібного радіатора, висота ребра становить 15 мм, довжина ребра — 150 мм, товщина ребра — 1 мм, відстань між ребрами — 1 мм, а охолоджуюче повітря — лобове. швидкість 5,4 м/с.Радіатор повітряного охолодження з лопатою з щільністю теплового потоку 2,7 Вт/см.2був підданий випробуванню підвищенням температури.Результати випробувань показують, що температура монтажної поверхні силового елемента радіатора становить 74,2°C, підвищення температури радіатора становить 44,8K, втрати тиску охолоджуючого повітря становлять 460 Па, а тепловіддача на одиницю об’єму досягає 4570 кВт/м.3.
3 Висновок
Завдяки наведеним вище результатам тестування можна зробити наступні висновки.
(1) Охолоджувальна здатність радіатора з повітряним охолодженням сортується за високою та низькою: радіатор із повітряним охолодженням із лопатковим зубом, радіатор із повітряним охолодженням із пластинчастими ребрами, гофрований радіатор із повітряним охолодженням та радіатор із повітряним охолодженням із прямими зубцями.
(2) Різниця температур між ребрами в гофрованому радіаторі з повітряним охолодженням і радіаторі з повітряним охолодженням із прямими зубцями є відносно великою, що сильно впливає на охолоджувальну здатність радіатора.
(3) Природний радіатор з повітряним охолодженням має найкращу відстань між ребрами, яку можна отримати шляхом експерименту або теоретичного розрахунку.
(4) Завдяки високій охолоджувальній здатності радіатора з повітряним охолодженням із зубцями лопати його можна використовувати в електронному обладнанні з високою локальною щільністю теплового потоку.
Джерело: Технологія машинобудування та електротехніки, том 50, випуск 06
Автори: Сунь Юаньбанг, Лі Фен, Вей Чжію, Кон Ліцзюнь, Ван Бо, CRRC Dalian Locomotive Research Institute Co., Ltd.
застереження
Наведений вище вміст походить із загальнодоступної інформації в Інтернеті та використовується лише для спілкування та навчання в галузі.Стаття є незалежною думкою автора і не відображає позицію DONGXU HYDRAULICS.Якщо виникнуть проблеми зі змістом роботи, авторським правом тощо, зв’яжіться з нами протягом 30 днів після публікації цієї статті, і ми негайно видалимо відповідний вміст.
Foshan Nanhai Dongxu Hydraulic Machinery Co., Ltd.має три дочірні підприємства:Jiangsu Helike Fluid Technology Co., Ltd., Guangdong Kaidun Fluid Transmission Co., Ltd., іGuangdong Bokade Radiator Material Co., Ltd.
Холдингова компанія імFoshan Nanhai Dongxu Hydraulic Machinery Co., Ltd.: Завод гідравлічних деталей Ningbo Fenghua № 3і т.д.
Foshan Nanhai Dongxu Hydraulic Machinery Co., Ltd.
&Jiangsu Helike Fluid Technology Co., Ltd.
MAIL: Jaemo@fsdxyy.com
ВЕБ: www.dxhydraulics.com
WHATSAPP/SKYPE/TEL/WECHAT: +86 139-2992-3909
ДОДАТИ: будівля фабрики 5, зона C3, промислова база Xingguangyuan, Yanjiang South Road, Luocun Street, Nanhai District, Foshan City, Guangdong Province, China 528226
& No. 7 Xingye Road, Zhuxi Industrial Concentration Zone, Zhoutie Town, Yixing City, Jiangsu Province, Китай
Час публікації: 27 березня 2023 р