ハイパワーIGBTラジエーターの水冷熱抵抗の計算

ハイパワーIGBTラジエーターの水冷熱抵抗の計算

要約: 水冷ラジエーターの放熱能力を最適化し、その信頼性の高い動作を確保するために、熱伝達の基本原理と公式が引用され、ラジエーターの形状の機械的寸法、水の強制対流熱伝達係数が引用されます。水の熱伝導率をパラメータとして使用し、変数からヒートシンクの水冷熱抵抗を計算する式を導き出します。同時に、実用化に対応するために、特別な水冷ラジエーター熱抵抗計算および曲線描画ソフトウェアを開発しました。これは、パラメーターの変更によって変化する熱抵抗のさまざまな曲線を表示でき、直接計算して表示することもできます。熱抵抗値。これは、ラジエーターの設計におけるパラメーターの最適な選択のための直感的で便利なリファレンスを提供します。

キーワード: 水冷ラジエーター。熱抵抗の計算。ソフトウェア;ハイパワーIGBTラジエーター

ハーモニー電気機関車は、高出力半導体技術を使用したAC-DC-ACインバータ電気機関車です。高度な交流周波数変換速度調整、回生ブレーキ、高出力交流モータ制御、高度な自動化などの技術的特徴により、鉄道幹線輸送の高速・高出力機関車に広く使用されています。各機関車のコンバーターには 4 象限チョッパー (4QC) モジュール、モーター側インバーター モジュール (Inv)、補助インバーター モジュールの 3 種類の IGBT モジュールが使用されています。2009 年 7 月から 2011 年 5 月 4 日まで、特定の機関区で 305 台の HXD1B 電気機関車コンバータの障害を調査したところ、合計 4,880 個のモジュールが使用されており、255 個の障害が発生していたことが判明しました。IGBT モジュールは、障害の数を示しています。少なくとも 1 つの IGBT チップが故障しています。これまでのところ、パワー半導体デバイス以外の原因によるモジュールの故障は発生していません。この種の故障は、季節的な周囲温度の上昇とともに増加します。IGBT の故障はその熱放散と密接に関係していると推測できるため、電子機器の冷却とデジタル熱はその後の研究の焦点の 1 つになりました。デバイスの冷却と放熱の問題を研究することにより、放熱条件が最適化され、適切な温度の環境でできるだけ長く動作し、事故の発生率を減らすことができます。これは、デバイスの重要な役割を果たします。鉄道機関車の安全な運行を維持します。

この論文では、高出力IGBTラジエーターの放熱プロセスの分析を通じて、熱伝達の基本原理と公式を最初に引用し、熱抵抗の計算を固体によって生成される熱伝導熱抵抗に分割します。ラジエーターおよびラジエーターと冷却システムにおける熱伝達プロセス。液体間の熱伝達プロセスによって生成される対流熱伝達の熱抵抗は 2 つの部分であり、ラジエーターの水冷熱抵抗の計算は、ラジエーターの形状の機械的サイズ、水の強制対流熱伝達係数、および水の熱伝導率をパラメータおよび変数として計算した式。解析を簡素化するために、熱抵抗計算用のソフトウェアをコンパイルしました。このソフトウェアはシンプルで明瞭な操作インターフェースを備えており、パラメータによって変化するさまざまな熱抵抗曲線を表示したり、熱抵抗値を直接計算して表示したりすることができます。ラジエーターの設計分析のための直感的で便利なリファレンスを提供します。

1 熱伝達の基本式と原理

1.1 熱伝達の原理と基本的な仕組み

熱伝導の基本式は次のとおりです。

Q=KA△T／△L (1)

式中、Q は熱、つまり熱伝導によって発生または伝導される熱を表します。K は材料の熱伝導率です。△Tは両端間の温度差を表します。△Lは両端間の距離です。対流とは、流体 (気体または液体) が固体表面と接触し、流体が固体表面から熱を奪う熱伝達を指します。

熱対流の公式は次のとおりです。

Q=hA△T (2)

式では、Q は依然として熱、つまり熱対流によって奪われる熱を表します。h は熱対流係数の値です。A は熱対流の有効接触面積です。△Tは固体表面と局所流体の温度差を表します。

1.2 熱抵抗の計算

熱抵抗は熱伝導過程における抵抗を表し、熱の伝わりを防ぐ能力を反映する総合的なパラメータです。解析を簡略化するために、ラジエーターモデルを単純化した後、対流熱伝達熱抵抗と熱伝導熱抵抗の 2 つの形式が存在すると考えます。ヒートシンクの平面板には熱伝導熱抵抗が存在します。計算式は次のとおりです。

Rnd=L／KA (3)

式中、Lは放熱板の厚みを表す。Kはアルミニウム板の熱伝導率を表します。Aは熱の流れ方向に垂直な断面積、つまり板の面積を表します。

ラジエーター内の水とヒートシンクの間の熱抵抗が対流熱伝達熱抵抗です。計算式は次のとおりです。

Rnv=1/hAs (4)

式中: As は有効対流伝熱面積の合計を表します。h は対流熱伝達係数を表し、ヌッセルト数に関連します。ヌッセルト数の計算式によれば、h の計算式は次のように逆導出されます。

式中、 Nu はヌッセルト数を表します。λf は流体の熱伝導率を表します。ここで、h は水の強制対流の熱伝導率になります。Dh は伝熱面を表す幾何学的特徴長さであり、ここではパイプの水力直径を表します。

ヒートシンクを定義する総熱抵抗は次のように計算されます。

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

式では、B はラジエーターの幅を表し、他の値は前に紹介されています。ラジエータの外形寸法が固定されている場合、式(3)より、Rndは一定の値となり、K、Bも固定値となることが分かる。λf が一定の場合、ラジエーターの総熱抵抗は Rnv に直接関係します。ラジエーターの対流熱伝達の熱抵抗を見てみましょう。式 (5) から、式 (6) は次のようになります。

式 (7) から、対流熱伝達の熱抵抗は Dh に正比例し、As に反比例することがわかります。循環水量を増やすために、やみくもにパイプラインの水力直径を大きくすることはできず、良好な冷却効果が得られないことがわかります。Rnvを下げると、それに応じてラジエーターの総熱抵抗が下がり、放熱効果が高まります。式(3)と式(7)を式(6)に代入すると、総熱抵抗の計算式は次のようになります。

ここで、 le はラジエーターの長さを表します。λf は水の熱伝導率、h は水の強制対流熱伝達率です。

1.3 計算例

一般に、電子機器のラジエーターが水冷放熱方式を採用している場合、ラジエーター内の液体循環は直列チャネルと並列チャネルの2種類に分けられます。図 1 に示すように、2 つのモデルのチャネル断面がそれぞれ示されています。このうちモデルAは直列水路配置であり、各直列水路に複数の冷却フィンを追加したモデルです。Bモデルは平行水路が直線のみであり、液体は入口から出口まで平行水路を通って流れます。

λf 水の熱伝導率は 0.5W/mK として選択され、h 水の強制対流熱伝達係数は 1 000 W/m2K です。計算の便宜上、ヒートシンクの厚さなどの小さな寸法は無視されます。機関車用 IGBT 4 象限モジュールのヒートシンクの全体寸法は、L=0.005 m、L=0.55 m、B=0.45 m です。外形寸法は同じですので、シリーズAモデルと並列Bモデルの熱抵抗の違いはAsの違いとなります。放熱器内壁の上下パネルの面積、前後パネルの面積、左右パネルの面積、ヒートシンクの合計面積をAs1、As2、As3、とAs4、それぞれ。シリーズ A モデルには 19 個の内部ヒートシンクがあります。As1=0.495m2、As2=0.0432m2、As3=0.0528m2、As4=0.8208m2。有効冷却面積の合計は、As=As1+As2+As3+As4=1.4118 m2 となります。各パラメータを式(9)に代入すると、シリーズAモデルの熱抵抗は次のように求められます。

モデルBは、流速分布のスクリーンショットからわかるように、水は入口から入り、ラジエーターの中央1/3のみを流れ、それ以外の左右の部分の流速は変化しません。はほぼ 0 であり、無視できる程度です。このように、上下パネルの有効放熱面積は全体面積の 1/3 と定義でき、前面パネルと背面パネルの有効放熱面積も全体面積の 1/3 となります。左右のパネルに水が流れない場合は、有効放熱面積としてカウントされません。中央ヒートシンクの有効水流数は6個です。次に、次のとおりです。

2 ヒートシンクの熱抵抗を求め、熱抵抗曲線を描くソフトウェア

2.1 インターフェース形式

メインインターフェイスの形式を図 3 に示します。このソフトウェアは、ニーズに応じて、主に 2 つの機能モジュールを設計します。1 つは具体的な水冷熱抵抗値を計算するモジュール、もう 1 つは水冷熱抵抗曲線を描くモジュールです。

ラジエーター水冷熱抵抗計算モジュールのインターフェースを図 4 に示します。

このうち、lはラジエーターの長さであり、単位はmです。B はラジエーターの幅で、単位はメートルです。L はラジエーターの厚さで、単位はメートルです。A はラジエーターの総有効冷却面積で、単位は平方メートルです。h は水の強制対流熱伝達係数、単位 W/m2K です。λ は水の熱伝導率で、単位は W/mK です。計算結果は水冷ラジエーターの熱抵抗値で、単位はcm2K/Wです。このモジュールの機能は計算の性質を持っており、ラジエーターの幾何学的サイズ、水の強制対流熱伝達率、および熱伝導率の条件下で、ラジエーターの対応する熱抵抗値の計算を実現できます。水。水冷ラジエーターの熱抵抗曲線の描画モジュールを図 5 と図 6 に示します。パラメータの意味は図 4 と同じです。水冷ラジエーターの曲線は、合計熱抵抗と熱抵抗の定量的な関係を示します。ラジエーターの面積、水の強制対流熱伝達率、熱抵抗。2 つの問題が解決されました。与えられた有効放熱面積を持つラジエーターの場合、特定の熱抵抗を達成するには、水の強制対流熱伝達率をどれくらいにする必要があるか、つまりパイプの直径をどれくらいにする必要があります。水の特定の強制対流熱伝達率について、ラジエーターの放熱領域を通る熱抵抗を制御する方法。

2.2 熱抵抗の計算手順

以下に、図 5 および図 6 の熱抵抗曲線の描画プロセスを例を挙げて説明します。「1.3 例」では、シリーズAモデルとシリーズBモデルの合計熱抵抗を計算しています。まず、対応するブランクに水の熱伝導率 λ=0.5 W/mk、L=0.005 m、ls=0.55 m、B=0.45 m を入力します。次に、曲線のタイプを選択します。水の強制対流熱伝達率を変えた場合の、ラジエーターの有効放熱面積と熱抵抗の関係を図5に示します。熱抵抗を図 6 に示します。インターフェースの左下には「水冷熱抵抗の計算」もあります。クリックすると、図に示すように熱抵抗計算インターフェースに入ります。必要に応じて各パラメータ値を入力します。 入力面積が 1.4118 の場合、λ=0.5 W/mK、L=0.005 m、ls=0.55 m、B=0.45 m、h=1 000W/m2K 計算された熱抵抗値は 92.502 801 です。 066 337 cm2K/W。これは、上記の式の計算モデル A の結果 92.503 cm2K/W と一致します。