Berechnung des Wasserkühlungs-Wärmewiderstands eines Hochleistungs-IGBT-Kühlers

Berechnung des Wasserkühlungs-Wärmewiderstands eines Hochleistungs-IGBT-Kühlers

Zusammenfassung: Um die Wärmeableitungskapazität des wassergekühlten Kühlers zu optimieren und seinen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, werden die Grundprinzipien und Formeln der Wärmeübertragung sowie die mechanischen Abmessungen der Kühlerform und der Wärmeübertragungskoeffizient der erzwungenen Konvektion von Wasser zitiert und die Wärmeleitfähigkeit von Wasser werden als Parameter verwendet und Variablen leiten die Formel zur Berechnung des Wasserkühlungs-Wärmewiderstands des Kühlkörpers ab.Um der praktischen Anwendung gerecht zu werden, wurde gleichzeitig eine spezielle Software zur Berechnung und Kurvenzeichnung des Wärmewiderstands wassergekühlter Heizkörper entwickelt, die verschiedene Kurven des Wärmewiderstands anzeigen kann, die sich mit Parameteränderungen ändern, und auch direkt berechnen und anzeigen kann Wärmewiderstandswerte.Es bietet eine intuitive und praktische Referenz für die optimale Auswahl von Parametern bei der Gestaltung des Heizkörpers.

Schlüsselwörter: wassergekühlter Kühler;Berechnung des Wärmewiderstands;Software;Hochleistungs-IGBT-Strahler

Die Elektrolokomotive Harmony ist eine elektrische Lokomotive mit Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselrichter und Hochleistungs-Halbleitertechnologie.Aufgrund seiner technischen Merkmale wie fortschrittlicher AC-Frequenzumwandlungs-Geschwindigkeitsregelung, regenerativem Bremsen, Hochleistungs-AC-Motorsteuerung und hohem Automatisierungsgrad wird es häufig in Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungslokomotiven im Eisenbahnfernverkehr eingesetzt.Der Konverter jeder Lokomotive verwendet drei Arten von IGBT-Modulen, nämlich: Vierquadranten-Chopper-Modul (4QC), motorseitiges Wechselrichtermodul (Inv) und Hilfswechselrichtermodul.Untersuchte die Fehler von 305 HXD1B-Umrichtern für Elektrolokomotiven in einem bestimmten Lokomotivdepot von Juli 2009 bis 4. Mai 2011 und stellte fest, dass insgesamt 4.880 Module mit 255 Fehlern im Einsatz waren, und die Anzahl der Fehler. Das IGBT-Modul zeigt dies an Mindestens ein IGBT-Chip ist ausgefallen.Bisher gab es keinen Modulausfall, der andere Ursachen als Leistungshalbleiter hatte.Diese Art von Fehlern nimmt mit zunehmender saisonaler Umgebungstemperatur zu.Daraus lässt sich schließen, dass der Ausfall des IGBT eng mit seiner Wärmeableitung zusammenhängt, weshalb die Kühlung und digitale Wärme elektronischer Geräte zu einem Schwerpunkt späterer Forschung geworden ist.Durch die Untersuchung der Kühl- und Wärmeableitungsprobleme des Geräts werden die Wärmeableitungsbedingungen optimiert und transformiert, sodass es so lange wie möglich in einer Umgebung mit geeigneter Temperatur arbeiten und die Unfallhäufigkeit reduzieren kann, was eine wichtige Rolle dabei spielt Aufrechterhaltung des sicheren Betriebs von Eisenbahnlokomotiven.

In diesem Artikel werden anhand der Analyse des Wärmeableitungsprozesses des Hochleistungs-IGBT-Strahlers zunächst die Grundprinzipien und Formeln der Wärmeübertragung zitiert und die Berechnung des Wärmewiderstands in den vom Feststoff erzeugten Wärmeleitungswärmewiderstand unterteilt Wärmeübertragungsprozess im Kühler und im Kühler- und Kühlsystem.Der Wärmewiderstand der konvektiven Wärmeübertragung, der durch den Wärmeübertragungsprozess zwischen den Flüssigkeiten erzeugt wird, besteht aus zwei Teilen, und die Berechnung des Wärmewiderstands der Kühlerwasserkühlung wird abgeleitet, indem die mechanische Größe der Kühlerform, der erzwungene konvektive Wärmeübertragungskoeffizient von Wasser usw. herangezogen werden Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Wasser als Parameter und Variablenformel.Um die Analyse zu vereinfachen, wurde eine Software zur Berechnung des Wärmewiderstands erstellt.Die Software verfügt über eine einfache und übersichtliche Bedienoberfläche, die verschiedene Kurven des Wärmewiderstands anzeigen kann, die sich mit Parametern ändern, und auch Wärmewiderstandswerte direkt berechnen und anzeigen kann.Es bietet eine intuitive und praktische Referenz für die Designanalyse des Heizkörpers.

1 Grundformeln und Prinzipien der Wärmeübertragung

1.1 Das Prinzip und die grundlegende Art der Wärmeübertragung

Die Grundformel für die Wärmeleitung lautet:

Q=KA△T／△L (1)

In der Formel stellt Q die Wärme dar, also die durch Wärmeleitung erzeugte oder geleitete Wärme;K ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Materials.△T stellt die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden dar;△L ist der Abstand zwischen den beiden Enden.Unter Konvektion versteht man die Wärmeübertragung, bei der eine Flüssigkeit (Gas oder Flüssigkeit) mit einer festen Oberfläche in Kontakt kommt, wodurch die Flüssigkeit der festen Oberfläche Wärme entzieht.

Die Formel für die Wärmekonvektion lautet:

Q=hA△T (2)

In der Formel: Q steht immer noch für Wärme, also die Wärme, die durch Wärmekonvektion abgeführt wird;h ist der Wert des Wärmekonvektionskoeffizienten;A ist die effektive Kontaktfläche der Wärmekonvektion;△T stellt den Temperaturunterschied zwischen der festen Oberfläche und der regionalen Flüssigkeit dar.

1.2 Berechnung des Wärmewiderstands

Der Wärmewiderstand stellt den Widerstand im Wärmeleitungsprozess dar und ist ein umfassender Parameter, der die Fähigkeit widerspiegelt, die Wärmeübertragung zu verhindern.Um die Analyse zu vereinfachen, wird nach der Vereinfachung des Kühlermodells davon ausgegangen, dass es zwei Formen des Wärmewiderstands der konvektiven Wärmeübertragung und des Wärmeleitungswiderstands gibt.In der Planplatte des Kühlkörpers befindet sich ein Wärmeleitungs-Wärmewiderstand.Die Berechnungsformel lautet:

Rnd=L／KA (3)

In der Formel: L stellt die Dicke der Kühlerplatte dar;K stellt die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumplatte dar;A stellt die Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des Wärmeflusses dar, also die Fläche der Platte.

Der Wärmewiderstand zwischen dem Wasser im Kühler und dem Kühlkörper ist der Wärmewiderstand der konvektiven Wärmeübertragung.Die Berechnungsformel lautet:

Rnv=1/hAs (4)

In der Formel: As stellt die gesamte effektive konvektive Wärmeübertragungsfläche dar;h stellt den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten dar, der mit der Nusselt-Zahl zusammenhängt.Gemäß der Berechnungsformel der Nusselt-Zahl kann die Berechnungsformel von h umgekehrt wie folgt abgeleitet werden:

In der Formel: Nu steht für die Nusselt-Zahl;λf stellt die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit dar;h sollte hier die Wärmeleitfähigkeit von Wasser durch erzwungene Konvektion sein;Dh ist die geometrisch charakteristische Länge der Wärmeübertragungsfläche, hier der hydraulische Durchmesser des Rohres.

Der gesamte Wärmewiderstand, der den Kühlkörper definiert, wird wie folgt berechnet:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

In der Formel: B stellt die Breite des Heizkörpers dar, und andere Werte werden früher eingeführt.Wenn die Außenabmessungen des Kühlers festgelegt sind, ist aus Formel (3) ersichtlich, dass Rnd ein bestimmter Wert ist und sowohl K als auch B feste Werte sind.Wenn λf konstant ist, steht der Gesamtwärmewiderstand des Heizkörpers in direktem Zusammenhang mit Rnv.Schauen wir uns den Wärmewiderstand des Heizkörpers bei der konvektiven Wärmeübertragung an.Aus Formel (5) kann Formel (6) erhalten:

Aus Formel (7) ist ersichtlich, dass der Wärmewiderstand der konvektiven Wärmeübertragung direkt proportional zu Dh und umgekehrt proportional zu As ist.Es ist ersichtlich, dass der hydraulische Durchmesser der Rohrleitung nicht blind vergrößert werden kann, um die Menge des zirkulierenden Wassers zu erhöhen, sodass keine gute Kühlwirkung erzielt werden kann.Durch die Reduzierung von Rnv wird der Gesamtwärmewiderstand des Kühlers entsprechend verringert und der Wärmeableitungseffekt verbessert.Wenn man Formel (3) und Formel (7) in Formel (6) einsetzt, lautet die Berechnungsformel für den Gesamtwärmewiderstand:

Wobei: le die Länge des Heizkörpers darstellt;λf ist die Wärmeleitfähigkeit von Wasser und h ist der Wärmeübertragungskoeffizient von Wasser durch erzwungene Konvektion.

1.3 Berechnungsbeispiel

Wenn der Kühler elektronischer Geräte die Wärmeableitungsmethode der Wasserkühlung anwendet, wird die Flüssigkeitszirkulation im Kühler im Allgemeinen in zwei Arten unterteilt: Reihenkanal und Parallelkanal.Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind jeweils die Kanalquerschnitte der beiden Modelle dargestellt.Unter ihnen ist Modell A eine serielle Wasserkanalverteilung, und das Modell besteht darin, jedem seriellen Wasserkanal mehrere Kühlrippen hinzuzufügen.Das B-Modell besteht darin, dass die parallelen Wasserkanäle nur gerade Kanäle haben und die Flüssigkeit durch die parallelen Wasserkanäle vom Wassereinlass zum Wasserauslass fließt.

Die Wärmeleitfähigkeit von λf-Wasser wird mit 0,5 W/mK gewählt, und der Wärmeübertragungskoeffizient durch erzwungene Konvektion von h-Wasser beträgt 1.000 W/m2K.Zur Vereinfachung der Berechnung werden kleine Abmessungen wie die Dicke des Kühlkörpers ignoriert.Die Gesamtabmessungen des Kühlkörpers des IGBT-Vierquadrantenmoduls für Lokomotiven betragen L=0,005 m, L=0,55 m und B=0,45 m.Da die Außenabmessungen gleich sind, liegt der Unterschied im Wärmewiderstand zwischen dem Serie-A-Modell und dem Parallel-B-Modell in der Differenz in As.Stellen Sie die Fläche der oberen und unteren Platten der Innenwand des Kühlers, die Fläche der vorderen und hinteren Platten, die Fläche der linken und rechten Platten und die Gesamtfläche des Kühlkörpers als As1, As2, As3 ein. bzw. As4.Das Modell der Serie A verfügt über 19 interne Kühlkörper.As1=0,495 m2, As2=0,0432 m2, As3=0,0528 m2, As4=0,8208 m2.Die gesamte effektive Kühlfläche beträgt: As=As1+As2+As3+As4=1,4118 m2.Setzt man jeden Parameter in Formel (9) ein, erhält man den Wärmewiderstand des Modells der Serie A wie folgt:

Modell B, wie aus dem Screenshot der Geschwindigkeitsverteilung ersichtlich ist, tritt das Wasser durch den Wassereinlass ein und fließt nur durch das mittlere Drittel des Kühlers, und die Strömungsgeschwindigkeit der anderen Teile liegt auf der linken und rechten Seite ist fast 0, was vernachlässigbar ist.Auf diese Weise kann die effektive Wärmeableitungsfläche der Ober- und Unterplatte als 1/3 der Gesamtfläche definiert werden, und die effektive Wärmeableitungsfläche der Vorder- und Rückplatte beträgt ebenfalls 1/3 der Gesamtfläche.Kein Wasserfluss durch die linke und rechte Platte zählt nicht als effektive Wärmeableitungsfläche.Die effektive Anzahl des Wasserdurchflusses durch den mittleren Kühlkörper beträgt 6 Stück.Dann gibt es:

2 Software zum Berechnen des Wärmewiderstands von Kühlkörpern und zum Zeichnen der Wärmewiderstandskurve

2.1 Schnittstellenformular

Die Form der Hauptschnittstelle ist in Abbildung 3 dargestellt. Je nach Bedarf entwirft diese Software hauptsächlich zwei Funktionsmodule.Das eine ist ein Modul zur Berechnung spezifischer Werte des Wärmewiderstands von Wasserkühlungen und das andere ist ein Modul zum Zeichnen von Kurven des Wärmewiderstands von Wasserkühlungen.

Die Schnittstelle des Moduls zur Berechnung des Wärmewiderstands der Kühlerwasserkühlung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Unter diesen ist l die Länge des Strahlers, die Einheit ist m;B ist die Breite des Heizkörpers, die Einheit ist Meter;L ist die Dicke des Heizkörpers, die Einheit ist Meter;A ist die gesamte effektive Kühlfläche des Kühlers, die Einheit ist Quadratmeter;h ist der Wärmeübertragungskoeffizient der erzwungenen Konvektion von Wasser, Einheit W/m2K;λ ist die Wärmeleitfähigkeit von Wasser, Einheit ist W/mK.Das Berechnungsergebnis ist der Wärmewiderstandswert des wassergekühlten Kühlers, die Einheit ist cm2K/W.Die Funktion dieses Moduls hat den Charakter einer Berechnung, die die Berechnung des entsprechenden Wärmewiderstandswerts des Heizkörpers unter den Bedingungen der geometrischen Größe des Heizkörpers, des Wärmeübertragungskoeffizienten der erzwungenen Konvektion von Wasser und der Wärmeleitfähigkeit von realisieren kann Wasser.Das Zeichnungsmodul der Wärmewiderstandskurve des wassergekühlten Kühlers ist in Abbildung 5 und Abbildung 6 dargestellt. Die Bedeutung seiner Parameter ist die gleiche wie in Abbildung 4. Die Kurve des wassergekühlten Kühlers gibt die quantitative Beziehung zwischen der Summe an Fläche des Heizkörpers, der Wärmeübertragungskoeffizient von Wasser durch erzwungene Konvektion und der Wärmewiderstand.Zwei Probleme sind gelöst;Für einen Heizkörper mit einer gegebenen effektiven Wärmeableitungsfläche muss ermittelt werden, wie groß der Wärmeübertragungskoeffizient der erzwungenen Konvektion des Wassers sein muss, um einen spezifischen Wärmewiderstand zu erreichen, d. h. wie viel Rohrdurchmesser erforderlich ist.Wie lässt sich der Wärmewiderstand über die Wärmeableitungsfläche des Heizkörpers steuern, um einen bestimmten Wärmeübertragungskoeffizienten durch erzwungene Konvektion von Wasser zu ermitteln?

2.2 Anweisungen zur Berechnung des Wärmewiderstands

Der Zeichnungsprozess der Wärmewiderstandskurven in Abb. 5 und Abb. 6 wird im Folgenden anhand von Beispielen veranschaulicht.In „1.3 Beispiele“ wurde der Gesamtwärmewiderstand des A-Modells und des B-Modells der Serie berechnet.Zuerst füllen wir die entsprechenden Lücken mit der Wärmeleitfähigkeit von Wasser λ=0,5 W/mk, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m aus.Wählen Sie dann den Kurventyp.Unter verschiedenen erzwungenen Konvektions-Wärmeübertragungskoeffizienten von Wasser ist die Beziehung zwischen der effektiven Wärmeableitungsfläche des Kühlers und dem Wärmewiderstand in Abbildung 5 dargestellt. Unter verschiedenen effektiven Wärmeableitungsflächen ist die Beziehung zwischen dem erzwungenen Konvektions-Wärmeübertragungskoeffizienten von Wasser und Der Wärmewiderstand ist in Abbildung 6 dargestellt. Unten links in der Benutzeroberfläche befindet sich auch „Wärmewiderstand der Wasserkühlung berechnen“. Klicken Sie hier, um die Benutzeroberfläche zur Berechnung des Wärmewiderstands aufzurufen, wie in der Abbildung dargestellt.Geben Sie jeden Parameterwert nach Bedarf ein: λ=0,5 W/mK, L=0,005 m, ls=0,55 m, B=0,45 m, h=1 000 W/m2K, wenn die Eingabefläche 1,4118 beträgt. Der berechnete Wärmewiderstandswert beträgt 92,502 801 066 337 cm2K/W, was mit dem Berechnungsmodell übereinstimmt. Ein Ergebnis der obigen Formel 92,503 cm2K/W.