Bu tədqiqat elektrikli nəqliyyat vasitələrində istifadə olunan yüksək güclü IGBT modullarının maye soyutma sistemlərində mühüm mühəndislik probleminə fokuslanır: soyutma kifayət qədər olsa belə, mayenin soyutma kanalı daxilində qarşılaşdığı yüksək müqavimət, yəni təzyiq düşümü nasos gücünü artırır, enerji səmərəliliyini azaldır və sistem etibarlılığını çətinləşdirə bilər. Tədqiqatçılar bu problemi həll etmək üçün ənənəvi olaraq eyni hündürlükdə istifadə olunan silindrik pin-fin strukturlarını yenidən təşkil etmiş və axın istiqamətində 5 mm-dən 25 mm-ə doğru yüksələn dəyişən hündürlüklü pin-fin düzülüşü təklif etmişlər.

Tədqiqat real avtomobil IGBT modullarına bənzədilmiş həndəsə üzərində üçölçülü CFD simulyasiyaları ilə aparılmışdır. Modeldə 50% su-etilen qlikol qarışığı soyuducu maye, 65°C giriş temperaturu və 2,5 m/s giriş sürəti istifadə edilmişdir. Məqsəd IGBT birləşmə temperaturunu təhlükəsiz hədd olan 150°C-dən aşağı saxlamaqla yanaşı, soyutma kanalındakı təzyiq itkisini mümkün qədər azaltmaqdır.

Ən diqqətçəkən nəticə 5–25 mm arasında mərhələli şəkildə yüksələn pin-fin strukturunun maksimum birləşmə temperaturunu 126,64°C-də saxlayarkən təzyiq düşümünü 11,53 kPa-a endirməsidir. Eyni tədqiqatda müqayisə üçün istifadə olunan 25 mm sabit hündürlüklü baza struktur 22,51 kPa təzyiq düşümü yaradır. Buna görə təklif olunan mərhələli struktur temperatur təhlükəsizliyini qoruyaraq təzyiq düşümünü təxminən %48,80 azaldır. Tədqiqatın nəticələri elektrikli nəqliyyat vasitələrində soyutma sistemlərinin yalnız “daha çox istilik uzaqlaşdırmaq” hədəfi ilə deyil, eyni zamanda “daha az nasos enerjisi ilə təhlükəsiz soyutma” hədəfi ilə layihələndirilməli olduğunu göstərir.

Ətraflı İzah

Elektrikli nəqliyyat vasitələrində invertorlar, mühərrik sürücüləri və güc elektronikası sistemləri yüksək cərəyan və yüksək gərginlik altında işləyir. Bu sistemlərin mərkəzində çox vaxt IGBT, yəni Insulated Gate Bipolar Transistor adlanan güc yarımkeçiriciləri yerləşir. IGBT modulları elektrik enerjisinin idarə olunmasını təmin edir; lakin bu proses zamanı ciddi miqdarda istilik yaranır. Bu istilik təhlükəsiz şəkildə uzaqlaşdırılmasa, yarımkeçirici birləşmə temperaturu yüksəlir, səmərəlilik azalır, modulun ömrü qısalır və nasazlıq riski artır.

Tədqiqatın başlanğıc nöqtəsi burada vacibdir. Ənənəvi yanaşmada güc elektronikası soyuducuları layihələndirilərkən adətən ilk hədəf istilik ötürmə səthini artırmaq olmuşdur. Buna görə mikrokanallar, pin-fin strukturları, mürəkkəb axın yolları və turbulentliyi artıran həndəsələr geniş şəkildə araşdırılmışdır. Bu cür strukturlar həqiqətən istilik ötürməsini gücləndirə bilər; lakin eyni zamanda mayenin keçidini çətinləşdirərək təzyiq itkisini artırır. Təzyiq itkisi artdıqda sistemin nasosu daha çox güc sərf edir. Bu, elektrikli nəqliyyat vasitəsində birbaşa yürüş məsafəsi, enerji istehlakı, nasos ölçüsü, iş təzyiqi və sızdırmazlıq etibarlılığı kimi praktik məsələlərə təsir edir.

Bu tədqiqatın əsas problemi məhz istilik ötürməsi–axın müqaviməti tarazlığıdır. Tədqiqatçılar belə bir sual verirlər: IGBT modulu təhlükəsiz temperatur diapazonunda saxlanılarkən, soyutma kanalındakı təzyiq düşümünü əhəmiyyətli dərəcədə azaltmaq olarmı? Tədqiqatın fərqləndirici cəhəti soyutma performansını artırmaq üçün axını daha çox məcbur etmək əvəzinə, soyutma performansı artıq kifayət qədər səviyyəyə çatdıqda hidrodinamik müqavimətin azaldılmasını əsas dizayn hədəfinə çevirməsidir.

Bu yanaşma xüsusilə elektrikli nəqliyyat vasitələrinin 800 V və daha yüksək platformalara yönəldiyi bu gün vaciblik qazanır. Yüksək gərginlikli sistemlər daha yüksək güc sıxlığı ilə işlədikdə IGBT modullarında istilik axını artır. Hava ilə soyutma bu səviyyələrdə çox vaxt kifayət etmir; buna görə maye ilə soyudulan mikrokanal və pin-fin əsaslı istilik qəbulediciləri ön plana çıxır. Lakin elektrikli nəqliyyat vasitəsində soyutma sistemi sadəcə laboratoriyada yaxşı soyudan bir hissə deyil. O, nasos, şlanqlar, birləşmələr, sızdırmazlıq elementləri, istehsal xərci, material sərfi və enerji itkisi ilə birlikdə işləyən bütöv alt sistemdir. Buna görə təzyiq itkisinin azaldılması yalnız akademik maye mexanikası mövzusu deyil, birbaşa avtomobil səmərəliliyi və etibarlılığı ilə bağlı dizayn problemidir.

Tədqiqatda modelləşdirilən IGBT modulu avtomobil sinifli Infineon FS820R08A6P2B güc modulunun arxitekturasına bənzədilmişdir. Modulda üçfazalı körpü topologiyası və yarımkeçirici çiplərin üçölçülü pilləli matris düzülüşü nəzərə alınmışdır. Hər yarım körpü qolunda üç IGBT və üç sərbəst dönmə diodu olmaqla altı yarımkeçirici cütü vardır; ümumilikdə 36 çiplik struktur modelləşdirilir. Bu düzülüşün məqsədi istilik mənbələrinin bir sahədə həddindən artıq toplanmasının qarşısını almaq və çiplərarası istilik qarşılıqlı təsirini azaltmaqdır.

İstiliyin modul daxilindəki yolunu anlamaq tədqiqatın məntiqi baxımından kritikdir. Yarımkeçirici birləşmə nöqtələrində yaranan istilik əvvəlcə çipdən lehim qatına, sonra üst DBC mis qatına, alümina keramika izolyasiya qatına, alt DBC mis qatına, DBC lehim qatına və sonda pin-fin altlığına ötürülür. Bundan sonra istilik maye soyuducu tərəfindən daşınır. Yəni sistemdə iki əsas müqavimət vardır: bərk qablaşdırma qatlarında istilik keçiriciliyi müqaviməti və maye tərəfində konveksiya müqaviməti. Tədqiqatın ən mühüm nəticələrindən biri ümumi istilik müqavimətinin böyük hissəsinin maye tərəfində deyil, bərk qablaşdırma qatlarında cəmlənməsidir.

Buna görə tədqiqatçıların gəldiyi nəticə belədir: soyuducu axın artıq yüksək Reynolds sayına malik, güclü turbulent və konveksiya baxımından doymuş rejimdə işləyirsə, pin-fin həndəsəsini daha aqressiv etmək birləşmə temperaturunu çox az aşağı salır, lakin təzyiq itkisini xeyli artıra bilər. Başqa sözlə, soyutma sistemi artıq “kifayət qədər güclü hava axını alan radiator” kimi davranırsa, axını daha çox toqquşdurmaq əvəzinə mayenin daha az enerji itirərək keçməsini təmin etmək daha düzgün ola bilər.

Tədqiqatın əsas həndəsi müqayisəsi klassik 25 mm sabit hündürlüklü silindrik pin-fin düzülüşü ilə 5 mm-dən başlayıb axın istiqamətində 25 mm-ə qədər yüksələn dəyişən hündürlüklü pin-fin düzülüşü arasındadır. Baza modeldə 272 silindrik pin-fin vardır. Bu pinlər 21 alternativ sırada düzülmüşdür; hər sırada 12 və ya 14 pin yerləşir. Pin diametri 2 mm-dir və baza modeldə bütün pinlərin hündürlüyü 25 mm-dir. Təklif olunan modeldə isə giriş tərəfində pinlər qısadır; axın çıxışa doğru irəlilədikcə pin hündürlüyü 1 mm-lik artımlarla 25 mm-ə çatır.

Bu dizaynın arxasındakı fikir gündəlik bənzətmə ilə belə izah oluna bilər: qapıdan sürətlə daxil olan izdihamın dərhal girişdə dar maneə ilə qarşılaşması axının sıxılmasına və enerji itkisinə səbəb olur. Lakin giriş sahəsi daha açıq saxlanılsa, maneələr axın irəlilədikcə mərhələli şəkildə artırılsa keçid daha nizamlı olar. Tədqiqatdakı 5–25 mm pin-fin strukturu da soyuducu mayeyə girişdə daha geniş sərbəst keçid sahəsi verir. Axın əvvəlcə daha rahat irəliləyir, enerjisinin bir hissəsini itirdikdən sonra daha hündür pinlərlə qarşılaşır. Beləliklə, həm istilik ötürmə səthi qorunur, həm də girişdəki ani tıxanma və jet təsiri azalır.

Tədqiqatda istifadə olunan ədədi model üçölçülü əlaqəli istilik ötürməsi, yəni conjugate heat transfer yanaşmasına əsaslanır. Bu, bərk hissələr daxilində istilik keçiriciliyinin və maye daxilində axın/konveksiya hadisələrinin birlikdə həll edilməsi deməkdir. Simulyasiyalar COMSOL Multiphysics mühitində aparılmışdır. Modeldə axının sabit halda olduğu, bütün bərk-maye interfeyslərində sürüşməsiz sərhəd şərtinin mövcud olduğu, xarici səthlərdən istilik itkisinin nəzərə alınmadığı, material xüsusiyyətlərinin sabit qəbul edildiyi və çiplərdəki həcmli istilik istehsalının vahid olduğu fərz edilmişdir.

Tədqiqatda axını və istilik ötürməsini təsvir etmək üçün davamlılıq, impuls, enerji və SST k-ω turbulentlik modelinin tənliklərindən istifadə edilmişdir. Oxucu baxımından bu tənliklər belə məna verir: mayenin kütləsi qorunur, sürət və təzyiq sahəsi Nyuton mexanikasına görə tarazlanır, temperatur sahəsi keçiricilik və konveksiya ilə müəyyən edilir, turbulentlik isə orta axın üzərindəki dalğalanma təsirlərini nəzərə alacaq şəkildə modelləşdirilir.

Tədqiqatda verilən davamlılıq tənliyi aşağıdakı formadadır:

\[ \nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0 \]

Burada \(\rho\) mayenin sıxlığını, \(\mathbf{v}\) isə sürət vektorunu təmsil edir. Tənlik sıxılmayan qəbul edilən axında bir sahəyə daxil olan və çıxan axın miqdarının tarazlıqda olduğunu göstərir. Sadə dillə desək, soyuducu maye kanal daxilində yox olmur və ya yoxdan yaranmır; yalnız istiqaməti, sürəti və təzyiqi dəyişir.

İmpuls tənliyi aşağıdakı kimi verilir:

\[ \rho(\mathbf{v}\cdot\nabla)\mathbf{v} = -\nabla p + \nabla \cdot [(\mu+\mu_t)(\nabla \mathbf{v}+(\nabla \mathbf{v})^T)] \]

Bu tənlikdə \(p\) təzyiq, \(\mu\) dinamik özlülük, \(\mu_t\) turbulentlik mənşəli effektiv özlülük deməkdir. Tənlik mayenin sürətlənməsinin təzyiq fərqləri və özlü/turbulent müqavimətlərlə necə müəyyən edildiyini göstərir. Pin-fin soyuducularda bu tənlik xüsusilə vacibdir; çünki pinlər axının qarşısına çıxdıqda axın sürətlənir, yavaşıyır, ayrılır, burulğan yaradır və bütün bu hadisələr təzyiq itkisini müəyyən edir.

Enerji tənliyi isə aşağıdakı formadadır:

\[ \rho c_p(\mathbf{v}\cdot\nabla)T = \nabla \cdot [(k+k_t)\nabla T] + \mu\Phi + Q \]

Burada \(c_p\) xüsusi istilik tutumu, \(T\) temperatur, \(k\) istilik keçiriciliyi, \(k_t\) turbulent istilik keçiriciliyi, \(\Phi\) özlü itki funksiyası və \(Q\) həcmli istilik mənbəyidir. Bu tənlik çiplərdə yaranan istiliyin bərk qatlarda və maye daxilində necə daşındığını izah edir.

Tədqiqatda həmçinin Reynolds və Nusselt sayları ilə axının xarakteri və istilik ötürmə gücü qiymətləndirilmişdir. Ümumi Reynolds sayı aşağıdakı kimi verilir:

\[ Re = \frac{\rho \cdot v_{av} \cdot D_h}{\mu} \]

Burada \(v_{av}\) kanal kəsiyindəki orta axın sürəti, \(D_h\) hidravlik diametr və ya xarakterik kanal uzunluğu, \(\mu\) mayenin dinamik özlülüyüdür. Reynolds sayı axının laminar, yoxsa turbulent olduğunu anlamağa kömək edir. Tədqiqatda seçilən 2,5 m/s giriş sürətində ümumi Reynolds sayı təxminən 79.882 olaraq hesablanmışdır. Bu qiymət güclü turbulent axına işarə edir.

Pin diametrinə əsasən xarakterik Reynolds sayı da aşağıdakı kimi müəyyən edilir:

\[ Re_D = \frac{\rho \cdot v_{max} \cdot D_{pin}}{\mu} \]

Burada \(v_{max}\) pinlər arasındakı ən yüksək yerli sürət, \(D_{pin}\) pin diametridir. Tədqiqatda \(Re_D = 9726\) olaraq verilmişdir. Bu qiymət pinlərin ətrafında nəzərəçarpacaq turbulentlik, ayrılma və iz zonasının yarana biləcəyini göstərir.

Nusselt sayı isə konveksiya ilə istilik ötürməsinin keçiriciliyə nisbətən nə qədər güclü olduğunu göstərir:

\[ Nu = \frac{h_{av} \cdot D_h}{k} \]

Burada \(h_{av}\) orta konvektiv istilik ötürmə əmsalı, \(k\) mayenin istilik keçiriciliyidir. Nusselt sayı böyüdükcə mayenin səthdən istilik götürmə qabiliyyəti artır. Tədqiqatda ümumi Nusselt sayı 139, pin diametrinə görə xarakterik Nusselt sayı isə 206,8 olaraq verilmişdir. Bu qiymətlər soyuducu maye tərəfində konveksiyanın artıq güclü olduğunu dəstəkləyir.

Modeldə istifadə olunan soyuducu maye 50% su-etilen qlikol qarışığıdır. Bu qarışıq avtomobil soyutma sistemlərində geniş istifadə olunur; çünki su yaxşı istilik daşıma xüsusiyyətlərinə malik olduğu halda, etilen qlikol donma nöqtəsi və iş təhlükəsizliyi baxımından sistemə üstünlük verir. Tədqiqatda mayenin giriş temperaturu 65°C, giriş sürəti 2,5 m/s kimi götürülmüşdür. Soyuducunun sıxlığı 1048,83 kg/m³, dinamik özlülüyü 0,00129 Pa·s, istilik keçiriciliyi 0,406 W/(m·K) və xüsusi istilik tutumu 3454 J/(kg·K) olaraq istifadə edilmişdir.

Çiplərdə istilik istehsalı da real güc elektronikası yükünü təmsil edəcək şəkildə müəyyən edilmişdir. Hər IGBT çipinə 140 W, hər diod çipinə 34 W istilik yükü tətbiq edilmişdir. Bu qiymətlər tədqiqatın yalnız abstrakt kanal həndəsəsi deyil, avtomobil sinifli güc modulu kontekstində qiymətləndirildiyini göstərir.

Ədədi tədqiqatlarda ən kritik məsələlərdən biri şəbəkə müstəqilliyidir. Nəticələr istifadə olunan mesh, yəni hesablama şəbəkəsi dəyişdikcə ciddi şəkildə dəyişirsə, əldə olunan temperatur və təzyiq qiymətləri etibarlı olmaya bilər. Buna görə tədqiqatda həm 25 mm sabit hündürlüklü baza model, həm də 5–25 mm mərhələli model üçün mesh müstəqilliyi testi aparılmışdır. Qiymətləndirmə meyarları maksimum birləşmə temperaturu və ümumi təzyiq düşümüdür. Son iki mesh sıxlığı arasındakı fərqlər 25 mm modeldə birləşmə temperaturu üçün %0,13, təzyiq düşümü üçün %0,71; 5–25 mm modeldə isə temperatur üçün %0,024, təzyiq düşümü üçün %1,26 səviyyəsindədir. Bu qiymətlərin %5 mühəndislik tolerantlığından aşağı olması mesh seçiminin nəticələrə həddindən artıq təsir etmədiyini göstərir.

Mesh yaxınlaşmasının qiymətləndirilməsində istifadə olunan nisbi xəta düsturu tədqiqatda aşağıdakı kimi verilmişdir:

\[ \varepsilon_r = \frac{|\Phi_1-\Phi_2|}{\Phi_1} \times 100 \]

Burada \(\varepsilon_r\) nisbi xəta, \(\Phi_1\) əvvəlki mesh nəticəsindəki qiymət, \(\Phi_2\) sonrakı mesh nəticəsindəki qiymətdir. Bu düstur mesh sıxlaşdırıldıqda nəticənin faizlə nə qədər dəyişdiyini göstərir.

Modelin doğrulanması yalnız mesh testi ilə məhdudlaşmamışdır. Tədqiqatçılar analitik istilik müqaviməti hesablamaları ilə CFD nəticəsini müqayisə etmişlər. Bərk qatlar üçün 45° istilik yayılma bucağı qəbul edilərək ümumi bərk istilik müqaviməti 0,1594 K/W olaraq hesablanmışdır. Maye tərəfinin istilik müqaviməti isə Zukauskas korrelyasiyası ilə 0,0096 K/W tapılmışdır. Bu qiymətlər çox vacibdir; çünki bərk tərəfin istilik müqaviməti maye tərəfi ilə müqayisədə xeyli böyükdür. Başqa sözlə, sistemdə əsas temperatur məhdudlaşdırıcı amil pin-fin kanalındakı maye deyil, yarımkeçirici çipdən soyuducuya qədər uzanan qablaşdırma qatlarıdır.

Analitik hesablama orta birləşmə temperaturunu 105,22°C proqnozlaşdırarkən, CFD nəticəsi 109,44°C vermişdir. Aradakı fərq %3,86 olaraq bildirilmişdir. Bundan əlavə, termal impedans matrisi üsulu ilə aparılan doğrulamada xəta %2,71 tapılmışdır. Bu nəticələr simulyasiyanın öz fərziyyələri daxilində mühəndislik baxımından uyğun olduğunu göstərir. Lakin bu doğrulama tədqiqatın fiziki prototiplə eksperimental olaraq sınaqdan keçirildiyi demək deyil; tədqiqat əsasən ədədi simulyasiyaya əsaslanır.

Tədqiqatda temperatur sahələri araşdırıldıqda istilik yığılmasının əsasən çiplərin dərhal altındakı bərk qablaşdırma qatlarında cəmləndiyi görünür. İstilik axını vektorları istiliyin yalnız şaquli istiqamətdə aşağı enmədiyini, qatlar daxilində üfüqi istiqamətdə də yayıldığını göstərir. Tədqiqatda bu yayılma təxminən 45° istilik yayılması məntiqi ilə qiymətləndirilir. Bu hal istilik mənbəyinin kiçik çip sahələrində cəmlənməsi səbəbindən alt qatların hamısının bərabər şəkildə istifadə olunmadığını göstərir.

Bu nəticə tədqiqatın dizayn fəlsəfəsini birbaşa dəstəkləyir. Əgər temperaturu müəyyən edən əsas darboğaz maye tərəfində deyil, bərk qablaşdırma tərəfindədirsə, maye tərəfindəki konveksiyanı daha da artırmaq birləşmə temperaturuna məhdud təsir göstərir. Əvəzində mayenin qarşılaşdığı müqavimət nasos gücü və enerji itkisi üzərində daha böyük təsir yarada bilər. Buna görə tədqiqat “daha mürəkkəb və daha müqavimətli soyuducu” əvəzinə “kifayət qədər soyutmanı qoruyan, lakin daha az təzyiq itkisi yaradan soyuducu” ideyasını önə çıxarır.

Tədqiqatçılar giriş sürətini seçmək üçün Pareto çoxməqsədli optimallaşdırma və TOPSIS üsulundan istifadə etmişlər. Üç hədəf birlikdə qiymətləndirilmişdir: maksimum IGBT birləşmə temperaturunu azaltmaq, maksimum diod temperaturunu azaltmaq və təzyiq düşümünü azaltmaq. Çəkilər IGBT temperaturu üçün 0,35, diod temperaturu üçün 0,35, təzyiq düşümü üçün 0,30 olaraq verilmişdir. Bu qiymətləndirmə nəticəsində optimal giriş sürəti 2,44 m/s tapılmış, tətbiq rahatlığı və sonrakı təhlillər üçün 2,5 m/s qiymətinə yuvarlaqlaşdırılmışdır.

Burada vacib məqam sürət artdıqca temperaturun ümumiyyətlə azalması, lakin təzyiq itkisinin və nasos enerjisinin artmasıdır. Axın sürətini fasiləsiz artırmaq evdəki ventilyatoru daim ən yüksək sürətdə işlətməyə bənzəyir: əvvəlcə daha yaxşı soyutma təmin edir, lakin bir nöqtədən sonra səs-küy, enerji istehlakı və mexaniki yük artarkən temperaturdakı yaxşılaşma məhdud qalır. Tədqiqatın optimallaşdırması məhz bu tarazlıq nöqtəsini tapmağa yönəlib.

Beş müxtəlif pin-fin hündürlük paylanması müqayisə edildikdə maksimum birləşmə temperaturunun 121°C ile 126°C arasında dar diapazonda qaldığı bildirilmişdir. Bu diapazon yalnız təxminən %4,6 dəyişməyə uyğun gəlir. Əvəzində təzyiq düşümü həndəsəyə xeyli daha həssasdır. Ən yüksək təzyiq düşümü 33,15 kPa ilə 25-22-25 mm hündürlük dalğalanmalı modeldə müşahidə olunarkən, 5–25 mm artan mərhələli modeldə təzyiq düşümü 11,53 kPa qiymətinə enir. Bu iki ekstremal model arasında təzyiq düşümünün azalması %64,14 olaraq bildirilmişdir.

Ən praktik müqayisə isə 25 mm sabit hündürlüklü baza model ilə aparılmışdır. Baza modeldə maksimum birləşmə temperaturu təxminən 125,97°C, təzyiq düşümü 22,51 kPa olaraq verilmişdir. 5–25 mm modeldə maksimum birləşmə temperaturu 126,64°C olub təhlükəsiz hədd olan 150°C-dən aşağı qalır; təzyiq düşümü isə 11,53 kPa qiymətinə enir. Yəni temperaturda yalnız çox kiçik artım yaranarkən, təzyiq itkisində təxminən %48,80 azalma əldə edilir.

Axın mexanizmi baxımından tədqiqatın ən dəyərli hissələrindən biri müxtəlif pin-fin düzülüşlərinin niyə fərqli təzyiq düşümləri yaratdığını izah etməsidir. 25-22-25 mm dalğalı hündürlük düzülüşündə giriş sahəsində ciddi tıxanma yaranır. Pin hündürlüyünün davamlı dəyişməsi axında sürətlənmə-yavaşıma dövrləri, turbulent qarışma və güclü enerji itkisi yaradır. Bu düzülüş istilik ötürməsini artıra bilər; lakin mayenin nasosla hərəkət etdirilməsi xeyli çətinləşir.

25 mm sabit hündürlüklü modeldə də pinlər bütün kanal boyunca hündür olduğu üçün axın dar keçidlərdən keçməli olur. Pinlər arasında yerli sürətlərin 3 m/s üzərinə çıxa bildiyi bildirilmişdir. Bu hal jet daralması, yəni jet throttling təsiri yaradır. Axın pinlərin arxasında iz zonaları və ayrılmış sərhəd təbəqələri əmələ gətirir. Bu iz zonaları mayenin enerjisinin istiliyə və turbulent itkilərə çevrilməsinə səbəb olur.

25-5-25 mm V formalı düzülüşdə girişdəki hündür pinlər yenə mühüm giriş tıxanması yaradır. Kanalın orta hissəsində pin hündürlüyü azaldıqda axın üçün rahatlama sahəsi yaranır; lakin çıxışa doğru pin hündürlüyü yenidən artdıqda axın təkrar yüksək müqavimətlə qarşılaşır. Buna görə təzyiq düşümü sabit 25 mm modellə müqayisədə bəzi baxımlardan yaxşılaşsa da, ən aşağı müqavimət bu dizaynda əldə olunmur.

5–25 mm artan mərhələli modeldə isə giriş sahəsində qısa pinlər vardır. Bu qısa pinlər axına geniş sərbəst keçid sahəsi verir. Beləliklə, axın kanala sərt şəkildə boğulmadan daxil olur. Axın irəlilədikcə pin hündürlüyü artır; bu, çıxış tərəfində hələ də kifayət qədər istilik ötürmə səthinin qalmasını təmin edir. Bundan əlavə, aşağı sürətli dövriyyə zonaları yüksək sürətli əsas axının pinlərə birbaşa çırpılmasının qismən qarşısını alan bir növ axın örtüyü kimi davranır. Tədqiqatda bu təsir iti silindrik cisimlərin axına qarşı daha aerodinamik hala gəlməsinə bənzər şəkildə şərh olunur.

Bu mexanizm təzyiq itkisinin yalnız “pin sayı” və ya “ümumi səth sahəsi” məsələsi olmadığını göstərir. Eyni materialı və bənzər səthləri fərqli hündürlük paylanması ilə yerləşdirmək mayenin hansı sahədə sürətlənəcəyini, harada ayrılacağını, harada burulğan yaradacağını və harada enerji itirəcəyini ciddi şəkildə dəyişə bilər. Tədqiqatın mühəndislik töhfəsi də məhz bundadır: soyuducunu yalnız temperatur baxımından deyil, axın sahəsinin enerji itkisi baxımından da optimallaşdırır.

Tədqiqatda istilik müqaviməti ilə axın müqaviməti arasındakı əlaqə də araşdırılmışdır. Ümumi meyl aydındır: axın müqaviməti azaldıldıqda istilik müqavimətində kiçik artım ola bilər. Lakin bu artımın birləşmə temperaturuna təsiri məhduddur; çünki maye tərəfinin istilik müqaviməti ümumi istilik müqaviməti büdcəsində çox kiçik paya malikdir. Tədqiqatda axın müqavimətinin ümumi istilik müqavimətində %1-dən az qaldığı bildirilir. Buna görə istilik ötürməsi baxımından kiçik itki qəbul edilərək təzyiq düşümündə böyük qazanc əldə etmək mühəndislik baxımından məntiqli olur.

Nasos gücü hesabı da tədqiqatın praktik əhəmiyyətini gücləndirir. Tədqiqatda verilən nasos gücü əlaqəsi belədir:

\[ W_p = \frac{\Delta P \cdot Q}{\eta} \]

Burada \(W_p\) nasos gücü, \(\Delta P\) təzyiq düşümü, \(Q\) həcm axını, \(\eta\) isə nasos səmərəliliyidir. Tədqiqatda nasos səmərəliliyi 0,68 olaraq götürülmüşdür. Bu düstur təzyiq düşümü artdıqca eyni axını təmin etmək üçün nasosun daha çox güc sərf etməli olduğunu göstərir.

Bu əlaqəyə görə 25 mm sabit hündürlüklü köhnə struktur təxminən 190 W nasos gücü tələb edərkən, 5–25 mm struktur təxminən 97 W nasos gücü tələb edir. Aradakı fərq 93 W olaraq bildirilmişdir. Bu qiymət hətta bir modul üçün nəzərə alındıqda əhəmiyyətlidir; avtomobildə birdən çox güc modulu olduqda sistem səviyyəsində enerji qənaəti daha mənalı ola bilər. Elektrikli nəqliyyat vasitəsi baxımından bu cür qənaət batareyadan çəkilən köməkçi sistem gücünü azalda və ümumi enerji səmərəliliyinə töhfə verə bilər.

Tədqiqatın material və xərc ölçüsü də vardır. 5–25 mm dəyişən hündürlüklü struktur lazımsız pin hündürlüyünü azaltmaqla mis istifadəsini təxminən %40 azaldır. Bir istilik qəbuledicisi başına həcm azalması 8545 mm³ olaraq verilmişdir. Tədqiqatçılar bunu genişmiqyaslı elektrikli nəqliyyat vasitəsi istehsalı üzrə qiymətləndirdikdə, dörd IGBT moduluna malik 16,626 milyon elektrikli nəqliyyat vasitəsi fərziyyəsi ilə 568,29 m³, yəni təxminən 5091,84 ton yüksək keyfiyyətli mis qənaəti potensialı hesablamışlar. Cari bazar qiymətləri ilə bunun illik təxminən 78,47 milyon dolar miqyasında material qənaəti demək ola biləcəyi bildirilmişdir.

Bu iqtisadi qiymətləndirmə ehtiyatla oxunmalıdır. Tədqiqat bu qiymətləri istehsal miqyası fərziyyələri ilə hesablayır; real qənaət avtomobil arxitekturası, modul sayı, istehsal üsulu, misin qiyməti, dizayn standartı, keyfiyyətə nəzarət və təchizat zənciri şəraitinə görə dəyişə bilər. Lakin tədqiqatın əsas mesajı aydındır: soyuducu dizaynındakı həndəsi optimallaşdırma yalnız temperatur və ya təzyiq qiyməti ilə məhdudlaşmır; material sərfinə, nasos gücünə və sistem xərcinə də təsir göstərə bilər.

Keçmiş baxımından güc elektronikası soyutması uzun müddət daha çox səth sahəsi və daha yüksək konveksiya əmsalı əldə etməyə fokuslanmışdır. Bu yanaşma daha aşağı güc sıxlıqlarında və hava ilə soyutmanın kifayət etdiyi dövrlərdə başadüşülən idi. Bu gün isə elektrikli nəqliyyat vasitələrində yüksək güc, kompakt qablaşdırma və yüksək etibarlılıq eyni anda tələb olunur. Buna görə yalnız soyutma qabiliyyəti deyil, soyutma sisteminin enerji xərci də dizaynın mərkəzinə keçir.

Gələcək baxımından bu tədqiqat elektrikli nəqliyyat vasitələrinin güc elektronikasında daha ağıllı soyuducu həndəsələrinə yol göstərir. Növbəti mərhələdə bu cür dəyişən hündürlüklü pin-fin strukturlarının eksperimental prototiplərlə sınaqdan keçirilməsi, vibrasiya və termal dövr altında dayanıqlığının araşdırılması, fərqli mayelər və giriş temperaturları ilə yoxlanılması, istehsalolunma qabiliyyəti və xərc təhlillərinin real sənaye prosesləri ilə doğrulanması lazımdır. Bundan əlavə, IGBT əvəzinə SiC MOSFET kimi yeni nəsil güc yarımkeçiricilərində də bənzər dizayn məntiqinin keçərli olub-olmadığı araşdırıla bilər.

Gündəlik həyata təsiri dolayı, lakin vacibdir. Elektrikli nəqliyyat vasitəsi istifadəçiləri üçün soyutma sistemi adətən görünməyən infrastrukturdur; lakin yürüş məsafəsi, etibarlılıq, nasazlıq dərəcəsi, texniki xidmət xərci və avtomobil performansı bu infrastrukturdan təsirlənir. Daha aşağı nasos gücü avtomobil batareyasındakı enerjinin daha böyük hissəsinin hərəkətə ayrılması demək ola bilər. Daha aşağı təzyiq sızdırmazlıq elementləri üzərindəki yükü azalda bilər. Daha az mis istifadəsi istehsal xərci və resurs sərfi baxımından ekoloji və iqtisadi töhfə verə bilər. Tədqiqatın əhəmiyyəti görünməyən mühəndislik detalının avtomobil səviyyəsində necə mənalı nəticələrə çevrilə biləcəyini göstərməsidir.

Tədqiqatın güclü tərəflərinə real avtomobil IGBT moduluna bənzədilmiş həndəsədən istifadə olunması, üçölçülü əlaqəli istilik ötürmə simulyasiyasının tətbiqi, mesh müstəqilliyi testinin aparılması, analitik istilik müqaviməti modeli ilə doğrulama təqdim edilməsi, yalnız temperaturun deyil, təzyiq düşümünün və nasos gücünün də qiymətləndirilməsi daxildir. Bundan əlavə, tədqiqat axın sahəsindəki jet daralması, iz zonası, giriş tıxanması, qlobal tıxanma və aşağı sürətli axın örtüyü kimi mexanizmləri izah etməyə çalışaraq yalnız nəticə verən deyil, nəticələrin niyə yarandığını şərh edən quruluş təqdim edir.

Bununla belə, məhdudiyyətlər də açıq şəkildə qeyd edilməlidir. Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmiş preprintdir. Nəticələr CFD simulyasiyalarına əsaslanır; mətndə fiziki prototip üzərində eksperimental doğrulama təqdim edilmir. Simulyasiya sabit vəziyyət fərziyyəsi ilə aparılmışdır; real nəqliyyat vasitələrində sürətlənmə, yavaşıma, ətraf temperaturunun dəyişməsi, vibrasiya, soyuducunun yaşlanması, nasosun idarəetmə strategiyası və keçici istilik yükləri işə düşə bilər. Material xüsusiyyətləri sabit qəbul edilmişdir; real temperatur diapazonlarında bəzi xüsusiyyətlər dəyişə bilər. Xarici səthlərdən istilik itkisi nəzərə alınmamışdır. Həmçinin 5–25 mm strukturun istehsal toleransları, çirklənmə/tıxanma davranışı, uzunmüddətli etibarlılığı və avtomobil seriyalı istehsalına inteqrasiyası ayrıca eksperimental olaraq araşdırılmalıdır.

Tədqiqatın dediyi budur: müəyyən edilmiş simulyasiya şəraitində 5–25 mm artan mərhələli pin-fin strukturu IGBT birləşmə temperaturunu təhlükəsiz həddən aşağı saxlayarkən təzyiq düşümünü ciddi şəkildə azaldır. Tədqiqatın demədiyi isə budur: bu dizaynın hər elektrikli nəqliyyat vasitəsində, hər IGBT modulunda, hər maye ilə və hər iş şəraitində eyni uğuru göstərəcəyi sübut edilməyib. Həmçinin tədqiqat kommersiya tətbiqi, sahə dayanıqlığı və ya istehsal uğuru üçün qəti zəmanət vermir. Buna görə nəticələr dəyərli mühəndislik istiqaməti kimi görülməli, lakin son sənaye qərarları üçün eksperimental və sahə miqyaslı doğrulamalarla dəstəklənməlidir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Tədqiqatın metodu yüksək güclü avtomobil IGBT modulunun maye soyutma strukturunun üçölçülü CFD və əlaqəli istilik ötürmə simulyasiyaları ilə araşdırılmasına əsaslanır. Tədqiqatda bərk qablaşdırma qatları, yarımkeçirici çiplər, lehim qatları, DBC qatları, keramika izolyasiya qatı, pin-fin altlığı və maye soyuducu sahəsi birlikdə modelləşdirilmişdir.

Model həndəsəsi və material quruluşu:

• Model avtomobil sinifli Infineon FS820R08A6P2B IGBT modul arxitekturasına bənzədilmişdir.
• Üçfazalı körpü topologiyası və pilləli çip yerləşimi nəzərə alınmışdır.
• Ümumilikdə 36 yarımkeçirici çip modelləşdirilmişdir.
• Qatlar çip, çip lehimi, üst DBC mis qatı, Al₂O₃ izolyasiya qatı, alt DBC mis qatı, DBC lehim qatı, pin-fin altlığı və istilik qəbuledicisi strukturundan ibarətdir.
• Pin-fin strukturları mis, istilik qəbuledicisinin gövdəsi isə alüminium ərintisi kimi qiymətləndirilmişdir.

Əsas pin-fin konfiqurasiyaları:

Sərhəd şərtləri və iş parametrləri:

• Hər IGBT çipi üçün istilik yükü: 140 W.
• Hər diod çipi üçün istilik yükü: 34 W.
• Soyuducu maye: %50 su-etilen qlikol qarışığı.
• Giriş temperaturu: 65°C.
• Giriş sürəti: 2,5 m/s.
• Çıxış sərhəd şərti: 0 Pa göstərici təzyiqi.
• Xarici səthlər: adiabatik, yəni xaricə istilik itkisi olmadığı qəbul edilmişdir.
• Axın və istilik ötürməsi: sabit vəziyyət kimi modelləşdirilmişdir.

İstifadə olunan əsas tənliklər:

Axının kütləsinin qorunması üçün davamlılıq tənliyindən istifadə edilmişdir:

\[ \nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0 \]

Mayenin impuls tarazlığı aşağıdakı tənliklə müəyyən edilmişdir:

\[ \rho(\mathbf{v}\cdot\nabla)\mathbf{v} = -\nabla p + \nabla \cdot [(\mu+\mu_t)(\nabla \mathbf{v}+(\nabla \mathbf{v})^T)] \]

İstilik konveksiyası və keçiriciliyi üçün enerji tənliyindən istifadə edilmişdir:

\[ \rho c_p(\mathbf{v}\cdot\nabla)T = \nabla \cdot [(k+k_t)\nabla T] + \mu\Phi + Q \]

Axın rejimini qiymətləndirmək üçün Reynolds sayından istifadə edilmişdir:

\[ Re = \frac{\rho \cdot v_{av} \cdot D_h}{\mu} \]

Pin diametrinə görə xarakterik Reynolds sayı:

\[ Re_D = \frac{\rho \cdot v_{max} \cdot D_{pin}}{\mu} \]

Konveksiya gücünü qiymətləndirmək üçün Nusselt sayı:

\[ Nu = \frac{h_{av} \cdot D_h}{k} \]

Zukauskas korrelyasiyasına əsaslanan xarakterik Nusselt əlaqəsi tədqiqatda aşağıdakı formada verilmişdir:

\[ Nu_D = C \cdot Re_D^m \cdot Pr^{0.36} \cdot \left(\frac{Pr}{Pr_\omega}\right)^{0.25} \]

Burada \(Pr\) Prandtl sayıdır; impuls yayılması ilə istilik yayılması arasındakı nisbəti təmsil edir. \(C\) və \(m\) empirik əmsallardır. \(Pr_\omega\) divar temperaturu şəraitindəki Prandtl sayı kimi qiymətləndirilir.

Mesh müstəqilliyi üçün nisbi xəta tənliyindən istifadə edilmişdir:

\[ \varepsilon_r = \frac{|\Phi_1-\Phi_2|}{\Phi_1} \times 100 \]

Nasos gücü hesabı üçün istifadə olunan əlaqə:

\[ W_p = \frac{\Delta P \cdot Q}{\eta} \]

Burada \(W_p\) nasos gücü, \(\Delta P\) təzyiq düşümü, \(Q\) həcm axını, \(\eta\) nasos səmərəliliyidir. Tədqiqatda \(\eta = 0,68\) götürülmüşdür.

Mühüm ədədi nəticələr:

Digər əsas nəticələr:

• Müxtəlif pin-fin hündürlük paylanmalarında maksimum birləşmə temperaturu 121–126°C diapazonunda qalmışdır.
• Temperatur dəyişməsi yalnız təxminən %4,6 səviyyəsindədir.
• Təzyiq düşümü isə həndəsəyə xeyli daha həssasdır.
• 25-22-25 mm dalğalı struktur 33,15 kPa ilə ən yüksək təzyiq düşümünü yaratmışdır.
• 5–25 mm artan mərhələli struktur 11,53 kPa ilə ən aşağı təzyiq düşümünü yaratmışdır.
• 25-22-25 mm strukturdan 5–25 mm struktura keçiddə təzyiq düşümünün azalması %64,14 olaraq verilmişdir.
• 25 mm sabit hündürlüklü modellə müqayisədə 5–25 mm strukturdakı təzyiq düşümünün azalması %48,80 olaraq bildirilmişdir.
• Bərk qablaşdırmanın istilik müqaviməti 0,1594 K/W, maye tərəfinin istilik müqaviməti isə 0,0096 K/W olaraq hesablanmışdır.
• Bu fərq əsas istilik darboğazının maye tərəfində deyil, bərk qablaşdırma qatlarında olduğunu göstərir.
• Analitik orta birləşmə temperaturu proqnozu 105,22°C, CFD nəticəsi 109,44°C olub nisbi fərq %3,86 səviyyəsindədir.
• Termal impedans matrisi ilə aparılan əlavə doğrulamada xəta %2,71 olaraq verilmişdir.

Şəkil və qrafiklərin texniki mənası:

• IGBT modul və çip yerləşimi vizualı, tədqiqatın real avtomobil modulu arxitekturasına yaxın quruluşu əsas götürdüyünü göstərir. Çiplərin pilləli yerləşimi istilik mənbələrinin bir nöqtədə toplanmasını azaltmağa yönəlib.
• İstilik yayılma yolu sxemi, istiliyin çipdən maye soyuducuya çatana qədər çoxsaylı bərk qatdan keçdiyini göstərir. Bu sxem bərk qablaşdırma müqavimətinin niyə kritik olduğunu anlamaq üçün vacibdir.
• 25 mm və 5–25 mm pin-fin sxemləri, ənənəvi sabit hündürlüklü struktur ilə təklif olunan artan mərhələli struktur arasındakı fərqi aydın göstərir.
• Mesh müstəqilliyi qrafikləri, şəbəkə sıxlığı artdıqca maksimum birləşmə temperaturu və təzyiq düşümü nəticələrinin sabitləşdiyini göstərir.
• İstilik sahəsi və istilik axını vizualları, temperatur yığılmasının çip altındakı qatlarda cəmləndiyini və istiliyin yanlara doğru yayıldığını göstərir.
• Pareto-TOPSIS qrafiki, 2,44 m/s sürətin temperatur və təzyiq düşümü arasında ən uyğun tarazlığı verdiyini göstərir.
• Pin-fin modellərinin müqayisə qrafiki, temperatur fərqlərinin kiçik, təzyiq düşümü fərqlərinin isə çox böyük olduğunu göstərir.
• Təzyiq paylanması vizualları, giriş tıxanması və pin hündürlüyü paylanmasının təzyiq itkisini necə müəyyən etdiyini göstərir.
• Sürət xətləri və axın sahəsi vizualları, jet daralması, iz zonası, turbulentlik, aşağı sürətli dövriyyə zonaları və axın örtüyü mexanizmlərini izah etmək üçün istifadə edilmişdir.
• İstilik müqaviməti–axın müqaviməti qrafiki, aşağı təzyiq itkisi naminə yaranan kiçik istilik müqaviməti artımının birləşmə temperaturuna məhdud təsir göstərdiyini dəstəkləyir.

Tədqiqatın texniki nəticəsi: 5–25 mm artan mərhələli pin-fin strukturu soyutma təhlükəsizliyini pozmayacaq qədər yüksək istilik ötürmə sahəsi təmin edərkən, mayenin girişdə qarşılaşdığı ani tıxanmanı azaldır. Beləliklə, həm birləşmə temperaturu 150°C həddindən aşağı saxlanılır, həm də təzyiq düşümü və nasos gücü əhəmiyyətli dərəcədə azaldılır.

Mənbə və Metod Qeydi

Bu məqalə Sirui Lu, Chenhao Tan, ZeYu Zhang, Xianjin Yi, Tianyu Ma və Feng Wang tərəfindən hazırlanmış “A Study on Pressure Drop Optimization in High-Power IGBT Liquid-Cooling Systems Using Variable-Height Pin-fin Structures” adlı tədqiqata əsaslanır. Tədqiqat yüksək güclü avtomobil IGBT modullarında maye soyutma sistemlərinin təzyiq düşümü və nasos gücü baxımından optimallaşdırılmasını araşdırır.

Mənbə növü SSRN-də əlçatan edilmiş preprint tədqiqat məqaləsidir. Mətndə açıq şəkildə “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadəsi yer aldığı üçün tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmişdir. Buna görə nəticələr elmi və mühəndislik baxımından dəyərli simulyasiya işi kimi oxunmalı; lakin rəyçidən keçmiş nəşr, eksperimental prototip doğrulaması və ya sahə tətbiqi sübutu kimi qiymətləndirilməməlidir.

Məzmun tədqiqatın təqdim etdiyi model, fərziyyə, düstur, qrafik, cədvəl və ədədi nəticələr əsasında hazırlanmışdır. PDF-də yer almayan kommersiya uğuru, sahə uğuru, uzunmüddətli etibarlılıq, istehsal zəmanəti, təhlükəsizlik zəmanəti və ya hər avtomobildə eyni performansın təmin ediləcəyi kimi iddialar əlavə edilməmişdir.

Tədqiqat əsasən CFD simülasyonu və analitik istilik müqaviməti doğrulamasına əsaslanır. Mətndə fiziki prototip üzərində aparılmış eksperimental sınaqlar təqdim edilmir. Buna görə təklif olunan 5–25 mm dəyişən hündürlüklü pin-fin strukturunun real avtomobil şəraitində, uzunmüddətli termal dövrlərdə, vibrasiya altında, fərqli soyuducu qarışıqlarda, fərqli nasos idarəetmələrində və seriyalı istehsal şəraitində ayrıca sınaqdan keçirilməsi lazımdır.

Bu tədqiqat elektrikli nəqliyyat vasitələrinin güc elektronikası soyutmasında mühüm dizayn mesajı verir: yüksək turbulent şəraitdə maye tərəfində istilik ötürməsi artıq doyma həddinə yaxınlaşıbsa, daha mürəkkəb və müqavimətli həndəsələr əvəzinə təzyiq düşümünü azaldan axın-dostu həndəsələr daha səmərəli ola bilər. Lakin bu nəticə tədqiqatda müəyyən edilmiş həndəsə, sərhəd şərtləri və simulyasiya fərziyyələri çərçivəsində keçərlidir.