Оптимальная конструкция радиаторов, особенно для устройств с высокими тепловыми нагрузками, таких как МОП-транзисторы 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.
В практической теплотехнике снижение объемного теплового сопротивления при принудительной конвекции в значительной степени зависит от балансировки плотности ребер с локализованным перепадом статического давления. В Winshare Thermal мы используем эти математические аналитические базовые параметры для выполнения первоначального определения размеров перед переходом к моделированию вычислительной гидродинамики (CFD), гарантируя, что конструкция вашего корпуса максимально использует каждый кубический фут в минуту (CFM), подаваемый охлаждающим вентилятором.
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 радиатор
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 s уменьшения расстояния между радиаторами.
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 s 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, пропорциональную перепаду давления на радиаторе, как показано на рисунке 3. Поток через комбинацию вентилятор/радиатор представляет собой пересечение кривых давления/расход 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 единственными данными о производительности вентиляторов, которые они предоставляют, являются 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]:
, представляет собой число Рейнольдса канала жидкости, где nu — кинематическая вязкость охлаждающего воздуха.
Термин 
продукта учитывает коэффициент трения, возникающий в результате полностью развитого ламинарного потока между ребрами радиатора. Полностью развитый поток обычно возникает в сверхдлинных каналах или при более низких скоростях жидкости, где профиль скорости потока остается полностью постоянным.
Чтобы определить практическую рабочую точку вентилятора и радиатора (точное аэродинамическое пересечение, где кривая давления вентилятора соответствует кривой сопротивления потоку радиатора), уравнения 2 и уравнение 3 уравниваются, что позволяет точно определить неизвестную переменную объемного расхода (V-точка).
3.Оптимизация расстояния между ребрами.
Рассчитайте расстояние между ребрами S opt , обеспечивающее 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, 2, ΔP вентилятора . при расчете расхода в уравнении 9 следует использовать только уравнение ΔP hs в уравнении 3 зависит от расстояния между ребрами s, поэтому использование ΔP hs в уравнении 9 для определения расхода математически сложно.
4.Рассчитать 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 тепловое 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.
От теоретических уравнений к непосредственному производству
Хотя аналитические формулы обеспечивают превосходную математическую основу для оценки оптимального расстояния между ребрами, реальные системы принудительной конвекции редко бывают идеально изолированными от воздуховодов. При практическом развертывании оборудования обход воздушного потока (воздух, выходящий через зазоры между радиатором и внешним корпусом корпуса) может снизить расчетную эффективность охлаждения на 30–50%.
Поэтому переход от базового линейного расчета к надежному промышленному продукту требует специализированного производства и эмпирической проверки. Являясь сертифицированным IATF 16949 , пионером в области тепловых решений, Winshare Thermal сокращает разрыв между теорией и массовым производством.
Наши собственные проектные лаборатории не просто гадают по формулам; мы интегрируем точные вашего вентилятора характеристики P-Q в расширенные модели Ansys Icepak и FloTherm, чтобы одновременно оптимизировать геометрию ребер, толщину опорной пластины и кожухов воздуховодов. Независимо от того, требует ли ваш проект алюминиевых профилей с высоким содержанием алюминия, прецизионных медных ребер с заточкой или высоконадежных радиаторов со связанными ребрами, мы обеспечиваем полный цикл от проектирования до производства на наших передовых производственных объектах в Китае и Таиланде..
Готовы проверить свою конструкцию принудительной конвекции? Не позволяйте узким местам, связанным с перегревом, поставить под угрозу ваш модуль силовой электроники.
Ниже укажите максимальную тепловую нагрузку (Ватты), доступные характеристики модели вентилятора или необработанные файлы 3D CAD. Наша специализированная группа по теплотехнике предоставит комплексную бесплатную оценку конструкции для производства (DFM) и конкурентоспособное заводское предложение в течение 24 часов.
