การคำนวณความต้านทานความร้อนในการระบายความร้อนด้วยน้ำของหม้อน้ำ IGBT กำลังสูง

การคำนวณความต้านทานความร้อนในการระบายความร้อนด้วยน้ำของหม้อน้ำ IGBT กำลังสูง

บทคัดย่อ: เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพความสามารถในการกระจายความร้อนของหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยน้ำและรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ หลักการพื้นฐานและสูตรในการถ่ายเทความร้อนจะถูกอ้างถึง และขนาดเชิงกลของรูปทรงหม้อน้ำ ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนแบบบังคับของน้ำ และค่าการนำความร้อนของน้ำถูกใช้เป็นพารามิเตอร์ และตัวแปรได้รับสูตรสำหรับการคำนวณค่าความต้านทานความร้อนในการระบายความร้อนด้วยน้ำของฮีตซิงก์ในเวลาเดียวกัน เพื่อตอบสนองการใช้งานจริง ซอฟต์แวร์การคำนวณความต้านทานความร้อนหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยน้ำแบบพิเศษและซอฟต์แวร์การวาดเส้นโค้งได้รับการพัฒนา ซึ่งสามารถแสดงเส้นโค้งต่างๆ ของความต้านทานความร้อนที่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ และยังสามารถคำนวณและแสดงผลได้โดยตรง ค่าความต้านทานความร้อนให้การอ้างอิงที่ง่ายและสะดวกสำหรับการเลือกพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดในการออกแบบหม้อน้ำ

คำสำคัญ: หม้อน้ำระบายความร้อนด้วยน้ำ;การคำนวณความต้านทานความร้อนซอฟต์แวร์;หม้อน้ำ IGBT กำลังสูง

หัวรถจักรไฟฟ้า Harmony เป็นหัวรถจักรไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์ AC-DC-AC ที่ใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงเนื่องจากคุณสมบัติทางเทคนิค เช่น การควบคุมความเร็วการแปลงความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับขั้นสูง การเบรกแบบปฏิรูป การควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับกำลังสูง และระบบอัตโนมัติในระดับสูง จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในหัวรถจักรความเร็วสูงและพลังงานสูงในการขนส่งทางรถไฟสายหลักตัวแปลงของหัวรถจักรแต่ละคันใช้โมดูล IGBT สามประเภท ได้แก่ โมดูลตัวสับสี่ด้าน (4QC) โมดูลตัวแปลงด้านมอเตอร์ (Inv) และโมดูลตัวแปลงเสริมตรวจสอบข้อผิดพลาดของเครื่องแปลงหัวรถจักรไฟฟ้า HXD1B จำนวน 305 เครื่องในโรงรถจักรแห่งหนึ่งตั้งแต่เดือนกรกฎาคม 2552 ถึง 4 พฤษภาคม 2554 และพบว่ามีการใช้งานโมดูลทั้งหมด 4,880 โมดูล โดยมีข้อผิดพลาด 255 รายการ และจำนวนข้อผิดพลาดโมดูล IGBT แสดงให้เห็นว่า ณ ชิป IGBT อย่างน้อยหนึ่งตัวล้มเหลวจนถึงขณะนี้ ยังไม่มีความล้มเหลวของโมดูลที่เกิดจากสาเหตุอื่นนอกเหนือจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ไฟฟ้าความล้มเหลวประเภทนี้จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิแวดล้อมตามฤดูกาลสรุปได้ว่าความล้มเหลวของ IGBT นั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการกระจายความร้อน ดังนั้นการระบายความร้อนและความร้อนแบบดิจิตอลของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงกลายเป็นหนึ่งในจุดเน้นของการวิจัยในภายหลังจากการศึกษาปัญหาการระบายความร้อนและการกระจายความร้อนของอุปกรณ์ ทำให้เงื่อนไขการกระจายความร้อนได้รับการปรับให้เหมาะสมและเปลี่ยนแปลง เพื่อให้สามารถทำงานได้นานที่สุดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิเหมาะสม และลดอุบัติการณ์ของอุบัติเหตุ ซึ่งมีบทบาทสำคัญใน การบำรุงรักษาตู้รถไฟรถไฟอย่างปลอดภัย

ในบทความนี้ จากการวิเคราะห์กระบวนการกระจายความร้อนของหม้อน้ำ IGBT กำลังสูง หลักการพื้นฐานและสูตรในการถ่ายเทความร้อนจะถูกอ้างถึงเป็นอันดับแรก และการคำนวณความต้านทานความร้อนจะแบ่งออกเป็นความต้านทานความร้อนการนำความร้อนที่เกิดจากของแข็ง กระบวนการถ่ายเทความร้อนในหม้อน้ำและหม้อน้ำและระบบหล่อเย็นความต้านทานความร้อนถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนที่ผลิตโดยกระบวนการถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวเป็นสองส่วน และการคำนวณค่าความต้านทานความร้อนในการระบายความร้อนด้วยน้ำของหม้อน้ำจะอนุมานได้โดยใช้ขนาดทางกลของรูปทรงหม้อน้ำ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบบังคับของน้ำ และ ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของน้ำเป็นพารามิเตอร์และสูตรตัวแปรเพื่อให้การวิเคราะห์ง่ายขึ้น จึงได้รวบรวมซอฟต์แวร์สำหรับการคำนวณความต้านทานความร้อนซอฟต์แวร์มีอินเทอร์เฟซการทำงานที่เรียบง่ายและชัดเจน ซึ่งสามารถแสดงเส้นโค้งต่างๆ ของความต้านทานความร้อนที่เปลี่ยนแปลงตามพารามิเตอร์ และยังสามารถคำนวณและแสดงค่าความต้านทานความร้อนได้โดยตรงให้การอ้างอิงที่ง่ายและสะดวกสำหรับการวิเคราะห์การออกแบบหม้อน้ำ

1 สูตรพื้นฐานและหลักการถ่ายเทความร้อน

1.1 หลักการและวิธีพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อน

สูตรพื้นฐานสำหรับการนำความร้อนคือ:

Q=KA△T／△L (1)

ในสูตรนี้ Q แทนค่าความร้อน ซึ่งก็คือความร้อนที่เกิดขึ้นหรือเกิดจากการนำความร้อนK คือค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุ△T หมายถึงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสองด้าน△L คือระยะห่างระหว่างปลายทั้งสองการพาความร้อนหมายถึงการถ่ายเทความร้อนซึ่งของไหล (ก๊าซหรือของเหลว) สัมผัสกับพื้นผิวของแข็ง ทำให้ของไหลดึงความร้อนออกจากพื้นผิวของแข็ง

สูตรของการพาความร้อนคือ:

Q=hA△T (2)

ในสูตร: Q ยังคงแสดงถึงความร้อน นั่นคือความร้อนที่ถูกพาออกไปโดยการพาความร้อนh คือค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนA คือพื้นที่สัมผัสที่มีประสิทธิภาพของการพาความร้อน△T แสดงถึงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวของแข็งและของไหลในภูมิภาค

1.2 การคำนวณความต้านทานความร้อน

ความต้านทานความร้อนแสดงถึงความต้านทานในกระบวนการนำความร้อน และเป็นพารามิเตอร์ที่ครอบคลุมซึ่งสะท้อนถึงความสามารถในการป้องกันการถ่ายเทความร้อนเพื่อให้การวิเคราะห์ง่ายขึ้น หลังจากลดความซับซ้อนของแบบจำลองหม้อน้ำแล้ว จะพิจารณาว่ามีความต้านทานความร้อนถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนและความต้านทานความร้อนการนำความร้อนอยู่สองรูปแบบมีตัวต้านทานการนำความร้อนในแผ่นระนาบของตัวระบายความร้อนสูตรการคำนวณคือ:

Rnd=L／KA (3)

ในสูตร: L หมายถึงความหนาของแผ่นหม้อน้ำK หมายถึงการนำความร้อนของแผ่นอะลูมิเนียมA หมายถึงพื้นที่หน้าตัดที่ตั้งฉากกับทิศทางการไหลของความร้อน นั่นคือ พื้นที่ของแผ่น

ความต้านทานความร้อนระหว่างน้ำในหม้อน้ำและฮีตซิงก์คือความต้านทานความร้อนถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนสูตรการคำนวณคือ:

Rnv=1/hAs (4)

ในสูตร: ตามที่แสดงถึงพื้นที่ถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนที่มีประสิทธิภาพทั้งหมดh แทนค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับหมายเลข Nusseltตามสูตรการคำนวณของ Nusselt number สูตรการคำนวณของ h สามารถอนุมานแบบผกผันได้ดังนี้

ในสูตร: Nu แทนจำนวน Nusselt;λf หมายถึงการนำความร้อนของของไหลh ที่นี่ควรเป็นค่าการนำความร้อนของการพาความร้อนของน้ำDh คือความยาวคุณลักษณะทางเรขาคณิตซึ่งแสดงถึงพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน ในที่นี้หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางไฮดรอลิกของท่อ

ความต้านทานความร้อนทั้งหมดที่กำหนดฮีตซิงก์คำนวณดังนี้:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

ในสูตร: B หมายถึงความกว้างของหม้อน้ำ และค่าอื่นๆ จะถูกแนะนำก่อนหน้านี้เมื่อขนาดภายนอกของหม้อน้ำคงที่ สามารถดูได้จากสูตร (3) ว่า Rnd เป็นค่าหนึ่ง และทั้ง K และ B เป็นค่าคงที่ถ้า λf เป็นค่าคงที่ ค่าความต้านทานความร้อนรวมของหม้อน้ำจะสัมพันธ์โดยตรงกับ Rnvลองดูความต้านทานความร้อนถ่ายเทความร้อนของหม้อน้ำจากสูตร (5) สูตร (6) จะได้:

ดังจะเห็นได้จากสูตร (7) ว่าความต้านทานความร้อนของการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ Dh และแปรผกผันกับ Asจะเห็นได้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางไฮดรอลิกของท่อไม่สามารถเพิ่มขึ้นแบบสุ่มสี่สุ่มห้าเพื่อเพิ่มปริมาณน้ำหมุนเวียน ดังนั้นจึงไม่สามารถบรรลุผลการระบายความร้อนที่ดีได้การลด Rnv จะลดความต้านทานความร้อนรวมของหม้อน้ำและเพิ่มผลการกระจายความร้อนแทนที่สูตร (3) และสูตร (7) เป็นสูตร (6) สูตรการคำนวณความต้านทานความร้อนทั้งหมดคือ:

โดยที่: le หมายถึงความยาวของหม้อน้ำλf คือค่าการนำความร้อนของน้ำ และ h คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบบังคับพาความร้อนของน้ำ

1.3 ตัวอย่างการคำนวณ

โดยทั่วไป เมื่อหม้อน้ำของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้วิธีการระบายความร้อนด้วยน้ำ การไหลเวียนของของเหลวภายในหม้อน้ำจะแบ่งออกเป็นสองประเภท: ช่องอนุกรมและช่องขนานดังแสดงในรูปที่ 1 ส่วนตัดขวางของช่องสัญญาณของทั้งสองรุ่นจะแสดงตามลำดับในหมู่พวกเขา รุ่น A คือการกระจายช่องน้ำแบบซีรีส์ และโมเดลคือการเพิ่มครีบระบายความร้อนหลายตัวให้กับช่องน้ำแต่ละซีรีส์รุ่น B คือช่องน้ำขนานจะมีช่องตรงเท่านั้น และของเหลวจะไหลผ่านช่องน้ำขนานจากช่องเติมน้ำไปยังช่องจ่ายน้ำ

ค่าการนำความร้อนของน้ำ λf ถูกเลือกเป็น 0.5W/m2K และค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนแบบบังคับของน้ำ h คือ 1 000 W/m2Kเพื่อความสะดวกในการคำนวณ ขนาดที่เล็ก เช่น ความหนาของตัวระบายความร้อนจะถูกละเว้นขนาดโดยรวมของแผงระบายความร้อนของโมดูล IGBT สี่ส่วนสำหรับหัวรถจักรคือ L=0.005 ม., L=0.55 ม. และ B=0.45 ม.เนื่องจากขนาดภายนอกเท่ากัน ความแตกต่างของความต้านทานความร้อนระหว่างรุ่น Series A และรุ่น B แบบขนานจึงอยู่ที่ความแตกต่างใน Asกำหนดพื้นที่ของแผงด้านบนและด้านล่างของผนังด้านในของหม้อน้ำ พื้นที่ของแผงด้านหน้าและด้านหลัง พื้นที่ของแผงด้านซ้ายและขวา และพื้นที่ทั้งหมดของแผงระบายความร้อนเป็น As1, As2, As3, และ As4 ตามลำดับรุ่น Series A มีฮีตซิงก์ภายใน 19 ตัวAs1=0.495m2, As2=0.0432m2, As3=0.0528m2, As4=0.8208m2พื้นที่ทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพทั้งหมดจะกลายเป็น: As=As1+As2+As3+As4=1.4118 m2แทนค่าพารามิเตอร์แต่ละตัวในสูตร (9) จะได้ค่าความต้านทานความร้อนของรุ่น Series A เป็น:

รุ่น B ดังที่เห็นได้จากภาพหน้าจอของการกระจายความเร็ว น้ำเข้าจากช่องเติมน้ำ และไหลผ่านตรงกลาง 1/3 ของหม้อน้ำเท่านั้น และความเร็วการไหลของส่วนอื่นๆ ทางด้านซ้ายและด้านขวา มีค่าเกือบเป็น 0 ซึ่งเป็นค่าเล็กน้อยด้วยวิธีนี้ พื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพของแผงด้านบนและด้านล่างสามารถกำหนดเป็น 1/3 ของพื้นที่โดยรวม และพื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพของแผงด้านหน้าและด้านหลังก็เป็น 1/3 ของพื้นที่โดยรวมเช่นกันไม่มีน้ำไหลผ่านแผงด้านซ้ายและขวา ไม่นับเป็นพื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพจำนวนน้ำที่ไหลผ่านฮีตซิงก์ตรงกลางที่มีประสิทธิภาพคือ 6 ชิ้นแล้วมี:

2 ซอฟต์แวร์สำหรับแก้ปัญหาการต้านทานความร้อนของฮีตซิงก์และการวาดเส้นโค้งการต้านทานความร้อน

2.1 แบบฟอร์มอินเตอร์เฟส

รูปแบบของอินเทอร์เฟซหลักแสดงในรูปที่ 3 ตามความต้องการ ซอฟต์แวร์นี้ออกแบบโมดูลการทำงานสองโมดูลเป็นหลักโมดูลหนึ่งคือโมดูลสำหรับคำนวณค่าความต้านทานความร้อนในการระบายความร้อนด้วยน้ำ และอีกโมดูลหนึ่งคือโมดูลสำหรับการวาดเส้นกราฟความต้านทานความร้อนในการระบายความร้อนด้วยน้ำ

อินเทอร์เฟซของโมดูลการคำนวณความต้านทานความร้อนของน้ำหล่อเย็นหม้อน้ำแสดงในรูปที่ 4

ในหมู่พวกเขา l คือความยาวของหม้อน้ำ หน่วยคือ m;B คือความกว้างของหม้อน้ำ หน่วยเป็นเมตรL คือความหนาของหม้อน้ำ หน่วยเป็นเมตรA คือพื้นที่ระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพทั้งหมดของหม้อน้ำ หน่วยเป็นตารางเมตรh คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้วยการพาความร้อนของน้ำ หน่วย W/m2Kλ คือการนำความร้อนของน้ำ มีหน่วยเป็น W/mKผลการคำนวณคือค่าการต้านทานความร้อนของหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยน้ำ และมีหน่วยเป็น cm2K/Wฟังก์ชั่นของโมดูลนี้มีลักษณะการคำนวณซึ่งสามารถรับรู้การคำนวณค่าความต้านทานความร้อนที่สอดคล้องกันของหม้อน้ำภายใต้เงื่อนไขของขนาดทางเรขาคณิตของหม้อน้ำ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบบังคับพาความร้อนของน้ำ และค่าการนำความร้อนของ น้ำ.โมดูลการวาดเส้นโค้งความต้านทานความร้อนของหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยน้ำแสดงในรูปที่ 5 และรูปที่ 6 ความหมายของพารามิเตอร์เหมือนกับในรูปที่ 4 เส้นโค้งหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยน้ำแสดงความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างผลรวม พื้นที่ของหม้อน้ำ ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนแบบบังคับของน้ำ และความต้านทานความร้อนปัญหาสองข้อได้รับการแก้ไขแล้วสำหรับหม้อน้ำที่มีพื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพตามที่กำหนด เพื่อให้ได้ค่าความต้านทานความร้อนเฉพาะ ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนแบบบังคับของน้ำจะต้องได้รับ นั่นคือ ต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางท่อเท่าใดสำหรับค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบบังคับเฉพาะของน้ำ วิธีการควบคุมความต้านทานความร้อนผ่านพื้นที่กระจายความร้อนของหม้อน้ำ

2.2 คำแนะนำในการคำนวณความต้านทานความร้อน

ขั้นตอนการวาดเส้นโค้งการต้านทานความร้อนในรูปที่ 5 และรูปที่ 6 แสดงไว้ด้านล่างพร้อมตัวอย่างใน "1.3 ตัวอย่าง" มีการคำนวณค่าความต้านทานความร้อนรวมของรุ่น Series A และรุ่น Bอันดับแรก เราเติมค่าการนำความร้อนของน้ำลงในช่องว่างที่เกี่ยวข้อง λ=0.5 W/mk, L=0.005 ม., ls=0.55 ม., B=0.45 ม.จากนั้นเลือกประเภทเส้นโค้งภายใต้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้วยการพาความร้อนของน้ำที่แตกต่างกัน ความสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพของหม้อน้ำและความต้านทานความร้อนแสดงไว้ในรูปที่ 5 ภายใต้พื้นที่กระจายความร้อนที่มีประสิทธิผลต่างกัน ความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อนของน้ำและ ความต้านทานความร้อนแสดงอยู่ในรูปที่ 6 นอกจากนี้ยังมี "คำนวณความต้านทานความร้อนของน้ำหล่อเย็น" ที่ด้านล่างซ้ายของอินเทอร์เฟซ คลิกเพื่อเข้าสู่อินเทอร์เฟซการคำนวณความต้านทานความร้อน ดังแสดงในรูปกรอกค่าพารามิเตอร์แต่ละค่าตามต้องการ: λ=0.5 W/mK, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m, h=1 000W/m2K เมื่อพื้นที่อินพุตคือ 1.4118 ค่าความต้านทานความร้อนที่คำนวณได้คือ 92.502 801 066 337 cm2K/W ซึ่งสอดคล้องกับแบบจำลองการคำนวณ A ผลลัพธ์ของสูตรข้างต้น 92.503 cm2K/W