Оптимизация конструкции радиатора для принудительной конвекции

Оптимальная конструкция радиаторов, особенно для устройств с высокими тепловыми нагрузками, таких как MOSFET и IGBT, имеет решающее значение для эффективной работы этих устройств и предотвращения преждевременного выхода из строя компонентов. Для этого требуется сочетание вентиляторов и радиаторов, чтобы обеспечить адекватное охлаждение мощных устройств, рассеивающих большое количество тепла.

Wenxuan Thermal Energy обладает профессиональными возможностями настройки и разнообразными рынками применения, а также может настраивать охлаждающие продукты для различных систем для клиентов.

Как показано на рисунке 1, кожух или воздуховод часто используется для направления воздушного потока вентилятора в радиатор, чтобы предотвратить поток воздуха вокруг радиатора, тем самым снижая эффективную охлаждающую способность комбинации вентилятора и радиатора .

Рис. 1. Конструкция радиатора и вентилятора без байпаса.

Оптимальное расстояние между радиаторами и результирующее тепловое сопротивление для комбинации вентилятор/радиатор, показанной на рисунке 1, можно рассчитать напрямую, используя несколько формул, чтобы быстро оценить необходимый размер радиатора.

Однако невозможно оптимизировать расстояние между ребрами радиатора, предполагая постоянный расход или объемный расход. Скорость воздушного потока между ребрами определяется расстоянием между ребрами и их количеством с использованием уравнения 1. Эта формула утверждает, что объемный расход воздуха, приближающийся к радиатору, такой же, как объемный расход воздуха, проходящего через радиатор, поскольку вокруг радиатора нет байпасного потока.

Рис. 2. Размеры ребер воздушного охлаждения.

V _f : Скорость воздуха между ребрами

V:Объемный расход в радиаторе

H _f =Hb:высота плавника

S: расстояние между ребрами

N _f : количество плавников

Чем меньше расстояние между ребрами s , тем выше скорость воздуха V _f между ребрами. Чем выше скорость воздушного потока, тем лучше охлаждающий эффект радиатора. Если вы хотите оптимизировать размер радиатора, расстояние между ребрами должно быть небольшим, поскольку скорость воздушного потока будет увеличиваться по мере уменьшения расстояния между ребрами, а также увеличится эффект охлаждения. На практике поток воздуха обеспечивается вентиляторами или нагнетателями. Скорость потока не является постоянной и ограничивается увеличением падения давления на радиаторе по мере уменьшения расстояния между радиаторами s .

1. Предположения о конструкции радиатора

Чтобы упростить анализ и избежать существенных ошибок в расчетах, примем следующие допущения:

а. Площадь поверхности, получаемая из толщины ребра t и толщины основания b, намного меньше общей площади поверхности радиатора.

б. Источник тепла имеет ту же длину и ширину, что и радиатор, и расположен в центре основания радиатора.

в. Источник тепла и основание радиатора полностью соприкасаются с вентилятором.

д. Весь поток воздуха проходит через радиатор.

е. По сравнению с конвекцией радиационная теплопередача невелика и ею можно пренебречь.

ф. Поток воздуха через радиатор ламинарный и равномерный. Толщина радиатора мала по сравнению с расстоянием между радиаторами.

Предполагая, что ламинарный поток воздуха через радиатор работает для большинства коммерческих комбинаций радиатор/вентилятор. В электронике шум вентилятора является основным фактором, поэтому скорость вентилятора намеренно снижается, чтобы избежать значительного шума при переходе от ламинарного потока к турбулентному.

2. Рассчитайте расход вентилятора.

Первым шагом при проектировании радиатора является определение рабочей точки комбинации вентилятора и радиатора. Когда с радиатором используется вентилятор или воздуходувка, производительность вентилятора будет зависеть от конструкции радиатора.

Как показано на рисунке 3, каждый вентилятор имеет уникальную кривую давления/расхода, где скорость потока обратно пропорциональна перепаду давления на вентиляторе. Радиаторы также имеют кривую давления/расхода, которая пропорциональна перепаду давления на радиаторе, как показано на рисунке 3. Поток через комбинацию вентилятор/радиатор представляет собой пересечение кривых давления/расхода вентилятора и радиатора.

Рисунок 3. Кривые зависимости давления вентилятора и радиатора от расхода.

Кривые вентилятора обычно предоставляются производителем вентилятора и обычно крайне нелинейны. Во многих случаях единственные данные о производительности вентилятора, которые они предоставляют, — это максимальный расход и максимальное падение давления. Чтобы упростить расчеты расхода и учесть ситуации, когда предусмотрены только максимальный расход и максимальное падение давления, простая линейная аппроксимация кривой вентилятора может быть выражена в уравнении 2. В большинстве случаев эта линейная аппроксимация кривой вентилятора дает разумную оценку кривой производительности вентилятора.

ΔP _max :Максимальное падение давления вентилятора.

V _max : максимальный объемный расход вентилятора

В случае использования нескольких вентиляторов рядом (параллельно) максимальная скорость потока V _max вентилятора равна максимальной скорости потока одного вентилятора, умноженной на количество вентиляторов.

Падение напряжения на радиаторе показано в уравнении 3:

Плотность воздуха ρ рассчитывается по температуре окружающего воздуха.

Гидравлический диаметр D _h канала между ребрами можно приблизительно определить как 2s . Переменные K _c и K _e представляют собой коэффициенты потери давления из-за сжатия и расширения воздушного потока, входящего и выходящего из радиатора, соответственно. Формулы для этих коэффициентов потери давления являются функцией площади лобовой поверхности σ=s/(s + t) и основаны на диаграмме, представленной в ссылке 1.

Коэффициент кажущегося трения fapp основан на модели, разработанной в [2]:

— число Рейнольдса, где ν — кинематическая вязкость.

Член в уравнении 6 учитывает коэффициент трения, возникающий в результате полностью развитого потока между ребрами радиатора. Полностью развитый поток возникает в очень длинных каналах или в медленных потоках, где профиль скорости потока остается постоянным.

Чтобы определить рабочую точку вентилятора/радиатора (т.е. пересечение кривых давления/расхода вентилятора и радиатора), уравнение 2 и уравнение 3 уравниваются и определяется неизвестная переменная.

3.Оптимизация расстояния между ребрами.

Рассчитайте расстояние между ребрами S _opt , которое обеспечивает максимальную теплопередачу, используя уравнение 9, где μ и α — вязкость и температуропроводность воздуха соответственно. Эта формула была предложена Бежаном и др. в исх. 3.

Оптимальное расстояние между ребрами S _opt зависит от перепада давления на вентиляторе ΔP _fan и перепада давления на радиаторе ΔP _hs . Давление всей системы определяет картину расхода через радиатор, и именно этот расход влияет на скорость теплоотдачи радиатора.

Подставьте уравнение 9 для расстояния между ребрами s в уравнении 8 и определите картину потока в системе путем решения полученного уравнения.

Обратите внимание , что хотя уравнение 8 решает, что ΔP _{вентилятора} и ΔP _hs равны, при расчете расхода в уравнении 9 следует использовать только уравнение _{2, ΔP} вентилятора . ΔP _hs в уравнении 3 зависит от расстояния между ребрами s , поэтому использование ΔP _hs в уравнении 9 для определения расхода математически неразрешимо.

4. Рассчитайте тепловое сопротивление радиатора.

Из решения уравнения 8 мы знаем картину течения и скорость потока V _f через радиатор, а также можем определить скорость теплопередачи и термическое сопротивление радиатора.

Рассчитайте средний коэффициент теплопередачи hf радиатора, используя уравнения 10, 11, 12, 13 и 14 в ссылке 4.

где k – теплопроводность воздуха.

P _r — число Прандтля воздуха. В типичном диапазоне рабочих температур радиаторов, используемых в электронном охлаждении, можно использовать значение 0,71.

Следовательно, общее тепловое сопротивление R _hs радиатора составит:

Площадь смачиваемой поверхности радиатора A _hs — это площадь, контактирующая с воздухом, проходящим через радиатор.

Первый член в уравнении 15 — это тепловое сопротивление радиатора, а член после знака плюс — тепловое сопротивление у основания радиатора.

Для разнообразных радиаторов компания Wenxuan Thermal Energy располагает профессиональными возможностями настройки и разнообразными рынками приложений, а также может настраивать охлаждающие продукты для различных систем для клиентов. А пока мы учтем множество факторов при проектировании радиатора и продолжим оптимизировать и совершенствовать конструкцию радиатора. Если у вас есть какие-либо другие вопросы о радиаторах или вам нужно решение для охлаждения, подходящее для вашего бизнеса, оставьте комментарий или свяжитесь с Wenxuan по электронной почте.