CC BY
92
УДК 621.396.2
Маниленко И.Н.
Оценка эффективности радиаторов воздушного охлаждения
электроники
Владимирский государственный университет имени Александра Г ригорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир
Рассмотрена зависимость тепловой эффективности радиаторов от расстояния между тепловыделяющими модулями, получены расчетные зависимости, даны
рекомендации по их размещению.
Shown a relation between heat performance of heatsink and a distance between heat emission modules, taken estimated relations, given advices of it’s placing.
Высокий темп развития электронных технологий, создание новых классов полупроводниковых приборов, расширение сфер их применения приводит к значительному увеличению выделяемой ими тепловой энергии. Усугубляет проблему теплоотвода повышение требований к массогабаритным характеристикам электронных средств. Как следствие, остро встает вопрос об использовании эффективных радиаторов для отвода тепла, и, как наиболее распространенных, радиаторов воздушного охлаждения.
В частности, для управления электродвигателями широко применяются импульсные схемы с IGBT модулями. Для трехфазных двигателей используется три модуля для управления каждой из фаз. В условиях серийного производства применяются конструкции электрических шин с фиксированными расстояниями между модулями. В тоже время, для повышения эффективности теплоотвода они должны стоять как можно дальше друг от друга. Исследования различных конструкций показали, что существует некоторый предел, при котором дальнейшее увеличение размеров радиаторов при фиксированном шаге установки модулей, не дает увеличения способности теплоотвода. На рисунке 1 приведен пример конструкции
ребристо-пластинчатого радиатора с закрепленными на нем силовыми полупроводниковыми модулями.
Для определения характеристик эффективности радиаторов различного размера, при различной скорости потока, проводились расчеты с использованием численноаналитического метода. Известно, что аналитические методы решения задач газодинамики и сопряженного теплообмена могут быть получены лишь для простых конструкций. Численный анализ, позволяя рассчитывать радиаторы любой сложности, требует значительных затрат временных ресурсов и высокой квалификации работников, в тоже время он не дает возможности решать задачи оптимизации. Для преодоления недостатков обоих методов предлагается приводить сложные конструкции радиаторов к более простым, получая их удельные характеристики, и в дальнейшем использовать аналитическую модель для окончательного расчета.
Проведенный анализ показал, что наиболее удобной для решения подобных задач является модель распределения тепла в пластине:
J = О [(а +а2 )• 4 • ax • by] 1 jx -jy, С1)
где J- температура перегрева основания тепловыделяющего модуля, а;-коэффициенты теплоотдачи поверхностей пластины, ax и by - размеры пластины, j,jy- коэффициенты, определяющие температурное поле на поверхности пластины.
Неизвестные в данном случае коэффициенты теплоотдачи а; традиционно находились экспериментальным путем. В настоящее время, в связи со значительным ростом вычислительной мощности компьютеров, а также в связи с развитием САПР конечно-элементного анализа, эти коэффициенты могут быть получены численным моделированием. Для снижения временных затрат на моделирование возможно разделение радиатора на характерные части, с последовательным их анализом методом конечных элементов. Пример разбиения конструкции представлен на рисунке 2.
Моделирование производится последовательно: на каждой итерации
производится анализ одной из частей, в результате получается удельная тепловая характеристика этой части: коэффициент теплоотдачи. В следующей итерации эти
элементы конструкции замещаются граничным условием в виде коэффициента теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи рассчитывается в САПР на основе следующего выражения:
а =
Еа • S
г=1
s
(2
)
где а - средний коэффициент теплоотдачи поверхности, аг - коэффициент теплоотдачи поверхности i-ого элемента, Si - площадь i-ого элемента, n- количество элементов поверхности, S0- общая площадь поверхности.
Получив на последнем этапе коэффициент теплоотдачи основания радиатора (пластины) становится возможным его подстановка в формулу (1), получая таким образом аналитическое выражение. Для решения прямой задачи с несколькими источниками тепла, выражение может быть записано следующим образом:
'1 1
J= Е °г [(а +а2 )• 4 • аХг ■ ЬУг J ' j ' фуг . (3)
г=1
Учитывая, что коэффициент теплоотдачи одинаковы, а также приниая во внимание то, что коэффициент теплоотдачи оребренной поверхности значительно превосходит по величине коэффициент теплоотдачи неоребренной поверхности, можно записать:
J=a- Е °г [ 4 • аХг • ЬУг Ґ • j • Фуг
г=1
(4)
На основании изложенной методики проводится моделирование радиаторов с различным шагом размещение тепловыделяющих модулей. На рисунке 3 представлены графики зависимости тепловой мощности, рассеиваемой радиатором от его длины с указанием шагов установки модулей.
Анализируя зависимости становится очевидным, что наибольший прирост эффективности наблюдается в случае установки IGBT-модулей с пропорционально-
увеличивающимся шагом, эти зависимости являются оптимальными, любое отклонение от них приведет либо к увеличению длины радиатора, либо к снижению эффективности. В тоже время, при фиксированном шаге наблюдается граница повышения мощности теплоотвода радиатора с увеличением длины. Так для скорости потока воздуха 12 м/с и шагов установки 39 мм, 65 мм, 91 мм такая граница соответствует длинам 250 мм, 300 мм и 370 мм.
Существенное влияние на тепловую производительность радиатора оказывает также скорость воздушного потока. В частности, одну и туже мощность рассеяния можно получить для 2 различных наборов конструктивных параметров:
1. скорость 6 м/с, шаг установки модулей 35 мм, длина 290 мм
2. скорость 9 м/с, шаг установки модулей 35 мм, длина 170 мм.
То есть, изменению увеличению скорости потока 1,5 раза соответствует уменьшение размеров в 1,7 раза при неизменной мощности рассеяния. Кроме того, в связи с уменьшением размеров радиатора уменьшится и размер вентилятора, используемого для нагнетания воздуха, что скажется на характеристиках конструкции в целом.
При разработке конструкций с использованием силовых полупроводниковых модулей не следует применять радиаторы с длинной, большей указанных границ. Оптимальными тепловыми и массо-габаритными параметрами будет обладать конструкция, в которой расположение модулей приближается к равномерному по длине основания.
Список Литературы:
1. Ройзен Л.И. , Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. Под ред. В.Г. Фастовского. - М.: Энергия, 1977 - 254 с.
2. Маниленко И.Н. Особенности моделирования систем охлаждения IGBT модулей при использовании принудительной конвекции Моделирование. Теория, методы и средства: материалы IX междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 13, апр. 2009 г. / Юж.-Рос. гос. ун-т (НПИ).- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009.
тШШШжшт
Рисунок 2. Разбиение радиатора на характерные части.
Рисунок 3. График зависимости рассеиваемой радиатором мощности от длины.
