Температурное поле в радиаторах охлаждения силовой электроники
Температурное поле в радиаторах охлаждения силовой электроники
Аннотация
В статье приводится исследование температурных полей в радиаторах, применяемых для охлаждения элементов силовой электроники. Радиаторы, изготовленные из сплава на основе алюминия, охлаждаются принудительно воздушными вентиляторами. Поток охлаждающего воздуха направлен вдоль ребер радиаторов. С целью определения температурного поля в ребрах был разработан специальный стенд. В радиаторе размещены термопары для измерения распределения температур в основании и вдоль ребра. Тепло распространялось теплопроводностью. Дополнительно производилась тепловизионная съемка. В экспериментах проводились измерения температур при различных подводимой мощности и скорости охлаждающего воздуха. Обработка данных показала линейную зависимость изменения температур в разных точках при разной мощности.
1. Введение
Основной и актуальной проблемой силовой электроники на данное время является охлаждение мощных ключевых элементов, для обеспечения бесперебойной и надёжной работы всей энергетической системы оборудования . Чаще всего в качестве ключевых элементов применяют IGBT и MOSFET транзисторы. Тепловыделение данных элементов настолько велико, что качественное их охлаждение невозможно без применения дополнительных теплоотводящих элементов. При решении задач охлаждения стоит учитывать такие параметры и плотность компоновки силовых элементов производимого оборудования, а также условиях их эксплуатации. Первый параметр ограничивает габариты и возможности технической реализации охлаждения, а второй на возможные технологические решения.
В целом распределение температур в материалах при передаче теплоты теплопроводностью можно определить экспериментально или теоретически расчетными методами . Анализ экспериментальных данных с применением теории подобия является трудоемкой задачей.
В связи с вышесказанным, наиболее оптимальными решениями для жестких условий эксплуатации выглядят различные варианты радиаторов охлаждения без дополнительных теплоносителей, например радиаторов с плоскими рёбрами. Однако классические варианты радиаторов с открытой внешней частью малоэффективны для ограниченных пространств и высоких скоростей потока холодного теплоносителя (воздуха), данный фактор приводит к решению данной задачи путём усложнения конструкции радиаторов и расположения плиты контакта с обеих сторон плоскорёберного радиатора. Такой подход убирает проблему снижения скорости потока воздуха, однако уменьшает максимально-возможную высоту рёбер. Для компенсации описанного негативного эффекта требуется изготовить рёбра сложных форм. Все решения приведут как к изменению металлоёмкости, так и к изменению требований к мощности вентилятора, охлаждающего радиатор.
В статье показано влияние геометрии ребер и их пространственное расположение по отношению к направлению охлаждающего потока на интенсивность теплообмена оребренной поверхности. При этом может быть достигнуто повышение эффективности ребристых поверхностей на 50%.
Цель проведённых исследований – определение эффективности оребрённых плоских теплообменных радиаторов.
2. Методы и принципы исследования
Экспериментальные исследования проводились для 3 типов образцов радиаторов (рис. 1), отличающихся шагом и высотой ребер, шириной секции, высотой и количеством внутренних каналов. Материал изготовления образцов- сплав на основе алюминия .
Рисунок 1 - Внешний вид радиаторов с расположением ребер:
а) ТП 050; б) ТП 070; в) ТП 071
Рисунок 2 - Общий вид экспериментальной установки
В ходе экспериментов производились замеры тока (применялся шунт 75 ШИП 1 10005 и мультиметр METEX M-3660 D) и напряжения (вольтметр 85L1-V2.5), подаваемого на нагревательный элемент, имитирующий IGBT транзистор. Для измерения расхода, скорости и температуры воздуха на входе и выходе из радиатора применялся анемометр АКТАКОМ АТЕ-9508 и термоанемометр АКТАКОМ АТТ-1004. Воздух в экспериментальную установку подавался вентилятором LD Didactic GmBH 373041, который имеет возможность регулировки расхода.
Электрическая мощность, подаваемая на нагреватель, регулировалась при помощи автотрансформатора ЛАТР РЕСАНТА и изменялась в пределах от 100 Вт до 1000 Вт с шагом 100 Вт. Температуры в радиаторе под нагревательным элементом, у основания ребра и по длине ребра измерялись термопарами типа К, которые располагали в массиве материала радиатора. Основным измеряемым параметром, являлась температура основания радиатора под нагревательным элементом, которая не должна была превышать 85 0С (критическая температура работы полупроводниковых приборов) .
3. Основные результаты
Расход воздуха Gв, кг/с, находили по осредненной скорости потока воздуха v в канале рабочего участка до теплообменной секции в пяти сечениях по длине канала стабилизации потока секции :
Gв = vFρ,
где F – площадь поперечного сечения канала рабочего участка (теплоноситель – воздух), м2; ρ – плотность воздуха, рассчитывается в сечении измерения скоростей по измеренным в эксперименте средним значениям давления и температуры потока воздуха, кг/м3.
Тепловую мощность, подводимую к исследуемому типу радиатора, находили исходя из измеренных силы тока и напряжения. Для определения выхода на стационарный режим работы, с целью обеспечения корректного съёма температур вдоль ребра радиатора, сравнивали отводимое тепло с подводимым
Qп≈ Qо = G cp Δt,
где ср – теплоемкость теплоносителя, определяется по средней температуре потока до и после рабочего участка, кДж/(кг⋅°С); G – расход теплоносителя, кг/с; ∆t – температурный напор, °С.
Расхождение вычисленных значений, определяемое тепловыми потерями на рабочем участке, не превышало 5 %.
Удельное термическое сопротивление теплопередаче через плоскую стенку теплообменной секции без учета оребрения вычисляли по формуле:
R =1/ k,
где k – коэффициент теплопередачи.
k= Q/(F∆t),
где F – площадь теплообмена по внешней поверхности без учета оребрения, м2; ∆t – среднелогарифмический температурный напор в радиаторе.
Эффективность радиатора оценивалась на основе: тепловой мощности Q, тепловой эффективности ε, удельного термического сопротивления теплопередаче R, критериев энергетической эффективности М. В. Кирпичева и В. М. Антуфьева:
EК = Q/N,
EА = α/ N,
где N – удельная мощность на прокачку теплоносителя.
Для оценки эффективности теплоотвода вдоль рёбер проводилась тепловизионная съемка. Результаты наиболее характерных режимов, отражающих общую ситуацию для всех типов рассматриваемых теплообменников представлены на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3 - Тепловизионная съёмка радиатора ТП 070:
а) при мощности 300 Вт и скорости потока 1 м/с; б) при мощности 400 Вт и скорости потока 5 м/с
С увеличением мощности, подаваемой на НЭ, растет температура радиатора. В целом картина тепловых полей сильно не изменяется. Характерным является наличие определенной зоны теплового воздействия нагревательного элемента. Т.е. в радиальном, по отношению к оси ребер, направлении за пределами нагрева тепло распределяется не так эффективно как вдоль ребер.
Стоит отдельно отметить радиатор ТП 071, для него характерен нагрев ребер по всей длине и высоте с высокой скоростью роста температур (рис. 4).
Рисунок 4 - Тепловизионная съёмка радиатора ТП 071 при скорости потока воздуха 5 м/с:
а) 140 Вт; б) 300 Вт; в) 530 Вт; г) 814 Вт
4. Обсуждение
Результаты измерения температур при различных подводимых тепловых мощностях и расходах набегающего потока воздуха приведены на рисунках 5-7.
Рисунок 5 - Температуры радиатора типа ТП-050 в точках:
а) под нагревательным элементом; б) у основания ребра; в) вершины ребра
Рисунок 6 - Температуры радиатора типа ТП-070 в точках:
а) под нагревательным элементом; б) у основания ребра; в) вершины ребра
Рисунок 7 - Температуры радиатора типа ТП-071 в точках:
а) под нагревательным элементом; б) у основания ребра; в) вершины ребра
5. Заключение
На основании проведенных экспериментов с тремя различными образцами теплообменных секций установлена эффективность каждой секции по таким показателям, как: тепловая мощность, тепловая эффективность, удельное термическое сопротивление теплопередаче. Выявлено, что изменение рёбер от плоской формы к ребристой, обеспечивает снижение массогабаритных характеристик теплообменной секции аппаратов воздушного охлаждения с сохранением требуемого теплового потока.