Бул изилдөө электр унааларында колдонулган жогорку кубаттуу IGBT модулдарынын суюктук муздатуу системаларындагы маанилүү инженердик көйгөйгө көңүл бурат: муздатуу жетиштүү болсо да, суюктук муздатуу каналында кездештирген жогорку каршылык, башкача айтканда басымдын түшүүсү насос кубатын көбөйтөт, энергия натыйжалуулугун төмөндөтөт жана системанын ишенимдүүлүгүнө кыйынчылык жаратат. Изилдөөчүлөр бул көйгөйдү чечүү үчүн салттуу түрдө бирдей бийиктикте колдонулган цилиндр pin-fin түзүлүштөрүн кайра уюштуруп, агым багытында 5 mmден 25 mmге чейин көтөрүлгөн өзгөрмө бийиктиктеги pin-fin катарын сунушташкан.

Изилдөө реалдуу автоунаа IGBT модулдарына окшоштурулган геометрияда үч өлчөмдүү CFD симуляциялары менен жүргүзүлгөн. Моделде 50% суу-этиленгликоль аралашмасы муздаткыч суюктук катары, 65°C кирүү температурасы жана 2,5 m/s кирүү ылдамдыгы колдонулган. Максат — IGBT байланыш температурасынын коопсуз чек болгон 150°Cден төмөн болушун сактоо менен, муздатуу каналындагы басым жоготуусун мүмкүн болушунча азайтуу.

Эң көңүл бурдурган жыйынтык — 5–25 mm аралыгында баскычтуу жогорулаган pin-fin түзүлүшү максималдуу байланыш температурасын 126,64°Cде кармап, басым түшүүсүн 11,53 kPaга чейин азайтышы. Ошол эле изилдөөдө салыштыруу үчүн колдонулган 25 mm туруктуу бийиктиктеги негизги түзүлүш 22,51 kPa басым түшүүсүн жараткан. Ошондуктан сунушталган баскычтуу түзүлүш температура коопсуздугун сактоо менен басым түшүүсүн болжол менен %48,80 азайтат. Изилдөөнүн табылгалары электр унааларындагы муздатуу системалары «көбүрөөк жылуулук чыгаруу» максаты менен гана эмес, «азыраак насос энергиясы менен коопсуз муздатуу» максаты менен да долбоорлонушу керек экенин көрсөтөт.

Толук Түшүндүрмө

Электр унааларында инверторлор, мотор драйверлери жана күч электроникасы системалары жогорку ток жана чыңалуу астында иштейт. Бул системалардын борборунда көбүнчө IGBT, башкача айтканда Insulated Gate Bipolar Transistor деп аталган күч жарым өткөргүчтөрү турат. IGBT модулдары электр энергиясын башкарууга мүмкүндүк берет, бирок бул процесс учурунда олуттуу көлөмдө жылуулук пайда болот. Эгер бул жылуулук коопсуз чыгарылбаса, жарым өткөргүчтүн байланыш температурасы жогорулайт, натыйжалуулук төмөндөйт, модулдун иш мөөнөтү кыскарат жана бузулуу коркунучу өсөт.

Изилдөөнүн баштапкы чекити ушул жерде маанилүү. Салттуу ыкмада күч электроникасынын муздаткычтары долбоорлонгондо биринчи максат көбүнчө жылуулук өткөрүү бетин көбөйтүү болгон. Ошондуктан микроканалдар, pin-fin түзүлүштөрү, татаал агым жолдору жана турбуленттүүлүктү көбөйткөн геометриялар кеңири изилденген. Мындай түзүлүштөр чындап эле жылуулук өткөрүүнү күчөтө алат, бирок ошол эле учурда суюктуктун өтүшүн кыйындатып, басым жоготуусун көбөйтөт. Басым жоготуусу көбөйгөндө система насосу көбүрөөк кубат сарптайт. Бул электр унаасында түздөн-түз жүрүү аралыгына, энергия керектөөгө, насостун өлчөмүнө, иш басымына жана герметикалуулук ишенимдүүлүгүнө таасир берет.

Бул изилдөөнүн негизги көйгөйү дал ушул жылуулук өткөрүү–агым каршылыгынын тең салмагы. Изилдөөчүлөр мындай суроо беришет: IGBT модулун коопсуз температура диапазонунда кармап туруп, муздатуу каналындагы басым түшүүсүн олуттуу азайтууга болобу? Изилдөөнүн айырмаланган жагы — муздатуу көрсөткүчүн жогорулатуу үчүн агымды дагы көбүрөөк күчкө салуунун ордуна, муздатуу жетиштүү деңгээлге жеткен соң гидродинамикалык каршылыкты азайтууну негизги дизайн максатына айлантуу.

Бул ыкма өзгөчө электр унаалары 800 V жана андан жогорку платформаларга өтүп жаткан учурда маанилүү. Жогорку чыңалуу системалары чоң кубат тыгыздыгында иштегенде IGBT модулдарындагы жылуулук агымы өсөт. Мындай деңгээлде аба менен муздатуу көп учурда жетишсиз болуп, суюктук муздатуучу микроканал жана pin-fin негизиндеги жылуулук кабылдагычтар алдыга чыгат. Бирок электр унаасында муздатуу системасы лабораторияда жакшы муздаткан гана бөлүк эмес. Ал насос, түтүктөр, байланыштар, герметикалык элементтер, өндүрүш чыгымы, материал керектөө жана энергия жоготуусу менен чогуу иштеген бүтүндөй подсистема. Ошондуктан басым жоготуусун азайтуу академиялык суюктук механикасы темасы гана эмес, унаанын натыйжалуулугу жана ишенимдүүлүгү менен түз байланышкан дизайн көйгөйү.

Изилдөөдө моделденген IGBT модулу автоунаа класстагы Infineon FS820R08A6P2B күч модулунун архитектурасына окшоштурулган. Моделде үч фазалуу көпүрө топологиясы жана жарым өткөргүч чиптердин үч өлчөмдүү баскычтуу матрицалык жайгашуусу эске алынган. Ар бир жарым көпүрө бутагында үч IGBT жана үч эркин айлануучу диод болуп, алты жарым өткөргүч жуп жайгашкан; жалпы 36 чиптен турган түзүлүш моделденген. Бул жайгашуунун максаты — жылуулук булактарынын бир жерде ашыкча топтолушун алдын алуу жана чиптер ортосундагы жылуулук өз ара таасирин азайтуу.

Жылуулуктун модул ичиндеги жолун түшүнүү изилдөөнүн логикасы үчүн маанилүү. Жарым өткөргүч байланыштарда пайда болгон жылуулук адегенде чиптен solder катмарына, андан кийин жогорку DBC жез катмарына, алюминий оксиди керамикалык изоляция катмарына, төмөнкү DBC жез катмарына, DBC solder катмарына жана акырында pin-fin негизине өтөт. Андан кийин жылуулукту суюк муздаткыч алып кетет. Демек, системада эки негизги каршылык бар: катуу таңгактоо катмарларындагы жылуулук өткөрүү каршылыгы жана суюктук тарабындагы конвекция каршылыгы. Изилдөөнүн эң маанилүү табылгаларынын бири жалпы жылуулук каршылыгынын көбү суюктук тарабында эмес, катуу таңгактоо катмарларында топтолору.

Ошондуктан изилдөөчүлөр мындай жыйынтыкка келишет: Муздаткыч агым жогорку Reynolds санында, күчтүү турбуленттүү жана конвекция жагынан каныккан режимде иштеп жатса, pin-fin геометриясын дагы агрессивдүү кылуу байланыш температурасын өтө аз төмөндөтөт, бирок басым жоготуусун абдан көбөйтүшү мүмкүн. Башкача айтканда, муздатуу системасы буга чейин «жетиштүү күчтүү аба агымы алган радиатор» сыяктуу иштеп жатса, агымды дагы көбүрөөк кагылыштыруунун ордуна, агым аз энергия жоготуп өтүшүн камсыз кылуу туурараак болушу мүмкүн.

Изилдөөнүн негизги геометриялык салыштыруусу классикалык 25 mm туруктуу бийиктиктеги цилиндр pin-fin катары менен 5 mmден башталып, агым багыты боюнча 25 mmге чейин өскөн өзгөрмө бийиктиктеги pin-fin катарынын ортосунда. Негизги моделде 272 даана цилиндр pin-fin бар. Бул pinдер 21 кезектешкен катарда жайгаштырылган; ар бир катарда 12 же 14 pin бар. Pin диаметри 2 mm, негизги моделде бардык pinдердин бийиктиги 25 mm. Сунушталган моделде pinдер кирүү тарабында кыска; агым чыгышка карай жылган сайын pin бийиктиги 1 mm кадам менен 25 mmге чейин өсөт.

Бул дизайн идеясы күнүмдүк мисал менен мындай түшүндүрүлөт: Эшиктен тез кирген эл дароо эле кире бериште тар тоскоолдукка туш болсо, агым кысылып, энергия жоголот. Бирок кирүү аймагы ачыгыраак калтырылып, тоскоолдуктар агым алдыга жылган сайын баскычтуу көбөйтүлсө, өтүү тартиптүүрөөк болот. Изилдөөдөгү 5–25 mm pin-fin түзүлүшү да муздаткыч агымга кирүүдө чоңураак эркин өтүү аянтын берет. Агым адегенде жеңилирээк өтүп, энергиясынын бир бөлүгүн жоготкондон кийин бийигирээк pinдерге туш болот. Ошентип жылуулук өткөрүү бетин сактоо менен кирүүдөгү кескин бөгөттөө жана jet таасири азайтылат.

Изилдөөдө колдонулган сандык модель үч өлчөмдүү байланышкан жылуулук өткөрүү, башкача айтканда conjugate heat transfer ыкмасына негизделген. Бул катуу бөлүктөр ичиндеги жылуулук өткөрүү жана суюктуктагы агым/конвекция кубулуштары бирге чечилерин билдирет. Симуляциялар COMSOL Multiphysics чөйрөсүндө жүргүзүлгөн. Моделде агым туруктуу абалда, бардык катуу-суюктук чек араларында no-slip шарт бар, тышкы беттерден жылуулук жоготуусу эске алынбайт, материал касиеттери туруктуу жана чиптердеги көлөмдүк жылуулук өндүрүшү бир калыпта деп болжолдонгон.

Изилдөөдө агымды жана жылуулук өткөрүүнү сүрөттөө үчүн үзгүлтүксүздүк, импульс, энергия жана SST k-ω турбуленттүүлүк моделинин теңдемелери колдонулган. Бул теңдемелер окурманга мындай маанини берет: суюктуктун массасы сакталат, ылдамдык жана басым талаасы Newton механикасына ылайык тең салмактанат, температура талаасы өткөрүү жана конвекция менен аныкталат, ал эми турбуленттүүлүк орточо агымга болгон чайпалуу таасирлерин эске алуу менен моделденет.

Изилдөөдө берилген үзгүлтүксүздүк теңдемеси төмөнкүдөй:

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

Бул жерде \(\rho\) суюктуктун тыгыздыгын, \(\mathbf{v}\) болсо ылдамдык векторун билдирет. Теңдеме кысылбас агымда аймакка кирген жана чыккан агым көлөмү тең салмакта болорун түшүндүрөт. Жөнөкөй айтканда, муздаткыч суюктук канал ичинде жоголбойт же жоктон пайда болбойт; анын багыты, ылдамдыгы жана басымы гана өзгөрөт.

Импульс теңдемеси төмөнкүдөй берилген:

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

Бул теңдемеде \(p\) басым, \(\mu\) динамикалык илешкектүүлүк, \(\mu_t\) турбуленттүүлүктөн чыккан эффективдүү илешкектүүлүк. Теңдеме суюктуктун ылдамдануусу басым айырмалары жана илешкек/турбуленттүү каршылыктар менен кантип аныкталарын көрсөтөт. Pin-fin муздаткычтарда бул теңдеме өзгөчө маанилүү, анткени pinдер агымдын алдына чыкканда агым ылдамдайт, жайлайт, ажырайт, куюн жаратат жана бул кубулуштардын баары басым жоготуусун аныктайт.

Энергия теңдемеси төмөнкүдөй:

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

Бул жерде \(c_p\) менчик жылуулук сыйымдуулугу, \(T\) температура, \(k\) жылуулук өткөрүмдүүлүк, \(k_t\) турбуленттик жылуулук өткөрүмдүүлүк, \(\Phi\) илешкек жоготуу функциясы жана \(Q\) көлөмдүк жылуулук булагы. Бул теңдеме чиптерде пайда болгон жылуулук катуу катмарлар жана суюктук аркылуу кантип ташыларын түшүндүрөт.

Изилдөөдө мындан тышкары Reynolds жана Nusselt сандары менен агымдын мүнөзү жана жылуулук өткөрүү күчү бааланган. Жалпы Reynolds саны төмөнкүдөй берилет:

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

Бул жерде \(v_{av}\) канал кесилишиндеги орточо агым ылдамдыгы, \(D_h\) гидравликалык диаметр же мүнөздүү канал узундугу, \(\mu\) суюктуктун динамикалык илешкектүүлүгү. Reynolds саны агым ламинардыкпы же турбуленттүүбү түшүнүүгө жардам берет. Изилдөөдө тандалган 2,5 m/s кирүү ылдамдыгында жалпы Reynolds саны болжол менен 79.882 деп эсептелген. Бул маани күчтүү турбуленттүү агымды көрсөтөт.

Pin диаметри боюнча мүнөздүү Reynolds саны да төмөнкүдөй аныкталат:

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

Бул жерде \(v_{max}\) pinдер ортосундагы эң жогорку жергиликтүү ылдамдык, \(D_{pin}\) pin диаметри. Изилдөөдө \(Re_D = 9726\) деп берилген. Бул маани pinдердин айланасында ачык турбуленттүүлүк, агым ажырашы жана из зонасы пайда болушу мүмкүн экенин көрсөтөт.

Nusselt саны болсо конвекциялык жылуулук өткөрүү өткөрүмдүүлүккө салыштырмалуу канчалык күчтүү экенин көрсөтөт:

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

Бул жерде \(h_{av}\) орточо конвекциялык жылуулук өткөрүү коэффициенти, \(k\) суюктуктун жылуулук өткөрүмдүүлүгү. Nusselt саны чоңойгон сайын суюктуктун беттен жылуулук алуу жөндөмү өсөт. Изилдөөдө жалпы Nusselt саны 139, pin диаметри боюнча мүнөздүү Nusselt саны болсо 206,8 деп берилген. Бул маанилер муздаткыч суюктук тарабында конвекция буга чейин эле күчтүү экенин колдойт.

Моделде колдонулган муздаткыч суюктук 50% суу-этиленгликоль аралашмасы. Бул аралашма автоунаа муздатуу системаларында кеңири колдонулат, анткени суу жылуулук ташуу касиеттери боюнча жакшы, ал эми этиленгликоль тоңуу чекити жана иш коопсуздугу боюнча системага артыкчылык берет. Изилдөөдө суюктуктун кирүү температурасы 65°C, кирүү ылдамдыгы 2,5 m/s деп алынган. Муздаткычтын тыгыздыгы 1048,83 kg/m³, динамикалык илешкектүүлүгү 0,00129 Pa·s, жылуулук өткөрүмдүүлүгү 0,406 W/(m·K) жана менчик жылуулук сыйымдуулугу 3454 J/(kg·K) катары колдонулган.

Чиптердеги жылуулук өндүрүшү да реалдуу күч электроникасынын жүгүн көрсөтө тургандай аныкталган. Ар бир IGBT чипке 140 W, ар бир диод чипке 34 W жылуулук жүгү берилген. Бул маанилер изилдөө абстракттуу канал геометриясын гана эмес, автоунаа класстагы күч модулу контекстин баалаганын көрсөтөт.

Сандык изилдөөлөрдө эң маанилүү темалардын бири — тор көз карандысыздыгы. Эгер жыйынтыктар колдонулган mesh, башкача айтканда эсептөө тору өзгөргөн сайын олуттуу өзгөрсө, алынган температура жана басым маанилери ишенимдүү болбой калышы мүмкүн. Ошондуктан изилдөөдө 25 mm туруктуу бийиктиктеги негизги модель жана 5–25 mm баскычтуу модель үчүн mesh көз карандысыздык тести жүргүзүлгөн. Баалоо көрсөткүчтөрү максималдуу байланыш температурасы жана жалпы басым түшүүсү. Акыркы эки mesh тыгыздыгынын айырмасы 25 mm моделде байланыш температурасы үчүн %0,13, басым түшүүсү үчүн %0,71; 5–25 mm моделде болсо температура үчүн %0,024, басым түшүүсү үчүн %1,26 болгон. Бул маанилер %5 инженердик толеранстын төмөнүндө болгондуктан mesh тандоосу жыйынтыктарга ашыкча таасир бербегенин көрсөтөт.

Mesh жакындашуусун баалоодо колдонулган салыштырмалуу ката формуласы изилдөөдө төмөнкүдөй берилген:

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

Бул жерде \(\varepsilon_r\) салыштырмалуу ката, \(\Phi_1\) мурунку mesh жыйынтыгындагы маани, \(\Phi_2\) кийинки mesh жыйынтыгындагы маани. Бул формула mesh майдаланганда жыйынтык канча пайыз өзгөргөнүн көрсөтөт.

Модель текшерүүсү mesh тести менен гана чектелген эмес. Изилдөөчүлөр аналитикалык жылуулук каршылык эсептөөлөрүн CFD жыйынтыгы менен салыштырышкан. Катуу катмарлар үчүн 45° жылуулук жайылуу бурчу кабыл алынып, жалпы катуу жылуулук каршылыгы 0,1594 K/W деп эсептелген. Суюктук тарабынын жылуулук каршылыгы Zukauskas корреляциясы менен 0,0096 K/W деп табылган. Бул маанилер өтө маанилүү, анткени катуу тараптагы жылуулук каршылыгы суюктук тарапка караганда кыйла чоң. Башкача айтканда, системадагы негизги температура чектөөчү фактор pin-fin каналындагы суюктук эмес, жарым өткөргүч чиптен муздаткычка чейинки таңгактоо катмарлары.

Аналитикалык эсеп орточо байланыш температурасын 105,22°C деп божомолдосо, CFD жыйынтыгы 109,44°C берген. Айырма %3,86 деп билдирилген. Мындан тышкары жылуулук импеданс матрицасы ыкмасы менен жүргүзүлгөн кошумча текшерүүдө ката %2,71 болгон. Бул жыйынтыктар симуляция өз божомолдорунун ичинде инженердик жактан шайкеш экенин көрсөтөт. Бирок бул текшерүү изилдөө физикалык прототипте эксперименттик түрдө сыноодон өттү дегенди билдирбейт; иш негизинен сандык симуляцияга таянат.

Изилдөөдө температура талаалары каралганда, жылуулук топтолушу негизинен чиптердин дароо астындагы катуу таңгактоо катмарларында жыйналары көрүнөт. Жылуулук агымынын векторлору жылуулук вертикалдуу гана ылдый түшпөстөн, катмарлар ичинде горизонталдык багытта да тарай турганын көрсөтөт. Изилдөөдө бул таралуу болжол менен 45° жылуулук жайылуу логикасы менен бааланат. Бул жылуулук булагы кичинекей чип аянттарында топтолгондуктан төмөнкү катмарлардын баары бирдей пайдаланылбай турганын түшүндүрөт.

Бул табылга изилдөөнүн дизайн философиясын түз колдойт. Эгер температураны аныктаган негизги тоскоолдук суюктук тарабында эмес, катуу таңгактоо тарапта болсо, суюктук тараптагы конвекцияны дагы күчөтүү байланыш температурасына чектелүү гана таасир берет. Ал эми суюктуктун каршылыгы насос кубатына жана энергия жоготуусуна кыйла чоң таасир кылышы мүмкүн. Ошондуктан изилдөө «татаалыраак жана каршылыгы чоң муздаткыч» ордуна «жетиштүү муздатууну сактаган, бирок төмөн басым жоготуусун жараткан муздаткыч» идеясын алдыга чыгарат.

Изилдөөчүлөр кирүү ылдамдыгын тандоо үчүн Pareto көп максаттуу оптималдаштыруу жана TOPSIS ыкмасын колдонушкан. Үч максат бирге бааланган: максималдуу IGBT байланыш температурасын азайтуу, максималдуу диод температурасын азайтуу жана басым түшүүсүн азайтуу. Салмактар IGBT температурасы үчүн 0,35, диод температурасы үчүн 0,35, басым түшүүсү үчүн 0,30 деп берилген. Бул баалоо жыйынтыгында оптималдуу кирүү ылдамдыгы 2,44 m/s деп табылып, колдонууга ыңгайлуулук жана кийинки талдоолор үчүн 2,5 m/s маанисине тегеректелген.

Бул жерде маанилүү нерсе — ылдамдык өскөн сайын температура адатта төмөндөйт, бирок басым жоготуусу жана насос энергиясы көбөйөт. Агым ылдамдыгын тынымсыз көбөйтүү үйдөгү желдеткичти дайыма эң жогорку ылдамдыкта иштетүүгө окшош: башында жакшыраак муздатат, бирок белгилүү чекиттен кийин ызы-чуу, энергия керектөө жана механикалык жүк көбөйүп, температурадагы жакшыруу чектелүү калат. Изилдөөдөгү оптималдаштыруу дал ушул тең салмак чекитин табууга багытталган.

Беш ар башка pin-fin бийиктик бөлүштүрүүсү салыштырылганда максималдуу байланыш температурасы 121°C менен 126°C ортосундагы тар диапазондо калган. Бул диапазон болгону болжол менен %4,6 өзгөрүүгө туура келет. Ал эми басым түшүүсү геометрияга кыйла сезимтал. Эң жогорку басым түшүүсү 33,15 kPa менен 25-22-25 mm бийиктиги толкун сымал өзгөргөн моделде байкалса, 5–25 mm өсүүчү баскычтуу моделде басым түшүүсү 11,53 kPaга чейин азайган. Бул эки четки моделдин ортосунда басым түшүүсүнүн азайышы %64,14 деп билдирилген.

Эң практикалык салыштыруу 25 mm туруктуу бийиктиктеги негизги модель менен жасалган. Негизги моделде максималдуу байланыш температурасы болжол менен 125,97°C, басым түшүүсү 22,51 kPa деп берилген. 5–25 mm моделде максималдуу байланыш температурасы 126,64°C болуп, коопсуз чек 150°Cден төмөн бойдон калган; басым түшүүсү болсо 11,53 kPaга азайган. Демек температурада өтө кичине гана өсүш болуп, басым жоготуусунда болжол менен %48,80 азайтуу алынган.

Агым механизми жагынан изилдөөнүн эң баалуу бөлүктөрүнүн бири — ар башка pin-fin түзүлүштөрү эмне үчүн ар башка басым түшүүсүн жаратарын түшүндүрүшү. 25-22-25 mm толкун сымал бийиктик түзүлүшүндө кирүү аймагында олуттуу тосулуу болот. Pin бийиктигинин тынымсыз өзгөрүшү агымда ылдамдануу-жайлоо циклдерин, турбуленттүү аралашууну жана күчтүү энергия жоготуусун жаратат. Бул түзүлүш жылуулук өткөрүүнү көбөйтүшү мүмкүн, бирок суюктукту насос менен түртүү кыйла оор болуп калат.

25 mm туруктуу бийиктиктеги моделде да pinдер бүт канал боюнча бийик болгондуктан агым тар аралыктардан өтүүгө аргасыз. Pinдер арасында жергиликтүү ылдамдык 3 m/sден ашышы мүмкүн экени белгиленген. Бул jet throttling деп аталган агымдын кескин тарылышын пайда кылат. Агым pinдердин артында из зоналарын жана ажыраган чек катмарларын түзөт. Бул из зоналары агым энергиясынын жылуулукка жана турбуленттүү жоготууларга айланышына алып келет.

25-5-25 mm V сымал жайгашууда кирүүдөгү бийик pinдер дагы эле маанилүү кирүү тоскоолдугун жаратат. Каналдын ортосунда pin бийиктиги төмөндөгөндө агым үчүн жеңилдөө аймагы пайда болот; бирок чыгышка карай pin бийиктиги кайра көбөйгөндө агым кайра жогорку каршылыкка туш болот. Ошондуктан басым түшүүсү туруктуу 25 mm моделге караганда айрым жагынан жакшы болсо да, эң төмөн каршылык бул конструкцияда алынбайт.

5–25 mm өсүүчү баскычтуу моделде болсо кирүү аймагында кыска pinдер бар. Бул кыска pinдер агымга чоң эркин өтүү аянтын калтырат. Ошентип агым каналга катуу муунтулбай кирет. Агым алдыга жылган сайын pin бийиктиги көбөйөт; бул чыгыш тарабында дагы эле жетиштүү жылуулук өткөрүү бети болушун камсыз кылат. Мындан тышкары төмөн ылдамдыктагы рециркуляция аймактары жогорку ылдамдыктагы негизги агымдын pinдерге түз урунуусун жарым-жартылай тосуп турган агым кабыгы сыяктуу иштейт. Изилдөөдө бул таасир курч цилиндр денелерди агымга карата аэродинамикалуураак кылууга окшош деп чечмеленген.

Бул механизм басым жоготуусу «pin саны» же «жалпы бет аянты» гана эмес экенин көрсөтөт. Бирдей материалды жана окшош беттерди башка бийиктик бөлүштүрүүсүндө жайгаштыруу суюктук кайсы жерде ылдамдай турганын, кайда ажырарын, кайда куюн жаратарын жана кайда энергия жоготорун олуттуу өзгөртө алат. Изилдөөнүн инженердик салымы да ушул жерде: муздаткычты температура боюнча гана эмес, агым талаасындагы энергия жоготуусу боюнча да оптималдаштырат.

Изилдөөдө жылуулук каршылык менен агым каршылыгынын мамилеси да каралган. Жалпы тенденция ачык: агым каршылыгы азайтылганда жылуулук каршылыгында кичине өсүш болушу мүмкүн. Бирок бул өсүштүн байланыш температурасына таасири чектелүү, анткени суюктук тараптагы жылуулук каршылыгы жалпы жылуулук каршылык бюджетинде өтө кичине үлүшкө ээ. Изилдөөдө суюктук каршылыгы жалпы жылуулук каршылыгынын %1 маанисинен аз бөлүгүн түзөрү белгиленген. Ошондуктан жылуулук өткөрүү жагынан кичине жоготууну кабыл алып, басым түшүүсүндө чоң утуш алуу инженердик жактан негиздүү болот.

Насос кубатынын эсеби да изилдөөнүн практикалык маанисин күчөтөт. Изилдөөдө берилген насос кубатынын мамилеси төмөнкүдөй:

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

Бул жерде \(W_p\) насос кубаты, \(\Delta P\) басым түшүүсү, \(Q\) көлөмдүк агым, \(\eta\) болсо насостун натыйжалуулугу. Изилдөөдө насос натыйжалуулугу 0,68 деп алынган. Бул формула басым түшүүсү көбөйгөн сайын бирдей агымды камсыз кылуу үчүн насос көбүрөөк кубат сарпташы керек экенин көрсөтөт.

Бул мамилеге ылайык 25 mm туруктуу бийиктиктеги эски түзүлүш болжол менен 190 W насос кубатын талап кылса, 5–25 mm түзүлүш болжол менен 97 W насос кубатын талап кылат. Айырма 93 W деп билдирилген. Бул бир модуль үчүн эле маанилүү; унаада бир нече күч модулу болсо, система деңгээлинде энергия үнөмдөөсү дагы олуттуу боло алат. Электр унаасы үчүн мындай үнөмдөө батареядан алынган жардамчы система кубатын азайтып, жалпы энергия натыйжалуулугуна салым кошо алат.

Изилдөөнүн материал жана чыгым жагы да бар. 5–25 mm өзгөрмө бийиктиктеги түзүлүш керексиз pin бийиктигин азайтып, жез керектөөнү болжол менен %40 төмөндөтөт. Бир жылуулук кабылдагычка көлөмдүн азайышы 8545 mm³ деп берилген. Изилдөөчүлөр муну чоң масштабдагы электр унаа өндүрүшү боюнча баалап, төрт IGBT модулуна ээ 16,626 миллион электр унаа деген божомол менен 568,29 m³, башкача айтканда болжол менен 5091,84 ton жогорку сапаттагы жез үнөмдөө потенциалын эсептешкен. Учурдагы рыноктук баалар боюнча бул жылына болжол менен 78,47 milyon dolar масштабындагы материал үнөмдөөсүнө туура келери айтылган.

Бул экономикалык баалоону этият окуу керек. Изилдөө бул маанилерди өндүрүш масштабы боюнча божомолдор менен эсептейт; реалдуу үнөм унаа архитектурасына, модул санына, өндүрүш ыкмасына, жез баасына, дизайн стандартына, сапат көзөмөлүнө жана жеткирүү чынжырынын шарттарына жараша өзгөрүшү мүмкүн. Бирок изилдөөнүн негизги билдирүүсү так: муздаткыч дизайнындагы геометриялык оптималдаштыруу температура же басым мааниси менен гана чектелбейт; материал керектөөсүнө, насос кубатына жана системанын чыгымына да таасир бере алат.

Өткөн мезгилде күч электроникасын муздатуу көбүнчө көбүрөөк бет аянтын жана жогорку конвекция коэффициентин алууга багытталган. Бул ыкма төмөн кубат тыгыздыгында жана аба менен муздатуу жетиштүү болгон мезгилдерде түшүнүктүү болгон. Бүгүн болсо электр унааларында жогорку кубат, компакттуу таңгактоо жана жогорку ишенимдүүлүк бир учурда талап кылынат. Ошондуктан муздатуу кубаты гана эмес, муздатуу системасынын энергия баасы да дизайн борборуна кирүүдө.

Келечекте бул изилдөө электр унаа күч электроникасында акылдуураак муздаткыч геометрияларына жол көрсөтөт. Кийинки этапта мындай өзгөрмө бийиктиктеги pin-fin түзүлүштөр физикалык прототиптер менен сыналып, вибрация жана жылуулук циклдеринде бекемдиги текшерилиши, ар башка суюктуктар жана кирүү температуралары менен сыналышы, өндүрүлүү мүмкүнчүлүгү жана чыгым талдоосу реалдуу өнөр жай процесстери менен ырасталышы керек. Мындан тышкары IGBT ордуна SiC MOSFET сыяктуу жаңы муундагы күч жарым өткөргүчтөрүндө да ушул дизайн логикасы жарайбы же жокпу изилдениши мүмкүн.

Күнүмдүк жашоого таасири кыйыр, бирок маанилүү. Электр унаа колдонуучусу үчүн муздатуу системасы көп учурда көрүнбөгөн инфраструктура; бирок жүрүү аралыгы, ишенимдүүлүк, бузулуу көрсөткүчү, тейлөө чыгымы жана унаа көрсөткүчү ушул инфраструктурага көз каранды. Төмөн насос кубаты батареядагы энергиянын чоңураак бөлүгү айдоого кетерин билдириши мүмкүн. Төмөн басым герметикалык элементтерге түшкөн жүктү азайта алат. Азыраак жез колдонуу өндүрүш чыгымы жана ресурс керектөө жагынан экологиялык жана экономикалык пайда бериши мүмкүн. Изилдөөнүн мааниси көзгө көрүнбөгөн инженердик деталь унаа деңгээлинде кандайча маанилүү натыйжага айланышы мүмкүн экенин көрсөтүшүндө.

Изилдөөнүн күчтүү жактарына реалдуу автоунаа IGBT модулуна окшоштурулган геометрия колдонуу, үч өлчөмдүү байланышкан жылуулук өткөрүү симуляциясын жүргүзүү, mesh көз карандысыздык тестин жасоо, аналитикалык жылуулук каршылык модели менен текшерүү, температураны гана эмес басым түшүүсүн жана насос кубатын да баалоо кирет. Мындан тышкары изилдөө агым талаасындагы jet throttling, из зонасы, кирүү тоскоолдугу, глобалдык тоскоолдук жана төмөн ылдамдыктагы агым кабыгы сыяктуу механизмдерди түшүндүрүүгө аракет кылып, жыйынтыкты гана бербестен анын эмне үчүн пайда болгонун да чечмелейт.

Ошол эле учурда чектөөлөр да ачык айтылышы керек. Изилдөө рецензиядан өтпөгөн preprint. Табылгалар CFD симуляцияларына негизделген; текстте физикалык прототип боюнча эксперименттик ырастоо берилген эмес. Симуляция туруктуу абал божомолу менен жүргүзүлгөн; реалдуу унааларда ылдамдануу, жайлоо, айлана-чөйрө температурасынын өзгөрүшү, вибрация, муздаткычтын эскириши, насосту башкаруу стратегиясы жана өтмө жылуулук жүктөрү ишке кириши мүмкүн. Материал касиеттери туруктуу деп алынган; реалдуу температура диапазонунда айрым касиеттер өзгөрүшү мүмкүн. Тышкы беттерден жылуулук жоготуусу эске алынган эмес. Мындан тышкары 5–25 mm түзүлүштүн өндүрүш толеранстары, булгануу/бүтөлүү жүрүм-туруму, узак мөөнөттүү ишенимдүүлүгү жана автоунаа сериялык өндүрүшүнө интеграциясы өзүнчө эксперименттик изилдөөнү талап кылат.

Изилдөө муну айтат: Белгиленген симуляция шарттарында 5–25 mm өсүүчү баскычтуу pin-fin түзүлүшү IGBT байланыш температурасын коопсуз чектен төмөн кармап, басым түшүүсүн олуттуу азайтат. Изилдөө муну айтпайт: Бул дизайн ар бир электр унаада, ар бир IGBT модулунда, ар бир суюктук жана иштөө шартында бирдей ийгилик көрсөтөрү далилденген эмес. Изилдөө коммерциялык колдонуу, талаа бекемдиги же өндүрүш ийгилиги боюнча так кепилдик бербейт. Ошондуктан жыйынтыктар баалуу инженердик багыт катары каралышы керек, бирок акыркы өнөр жай чечимдери үчүн эксперименттик жана талаа масштабындагы текшерүүлөр менен колдоого алынышы зарыл.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Изилдөөнүн ыкмасы жогорку кубаттуу автоунаа IGBT модулунун суюктук муздатуу түзүлүшүн үч өлчөмдүү CFD жана байланышкан жылуулук өткөрүү симуляциялары менен изилдөөгө негизделген. Изилдөөдө катуу таңгактоо катмарлары, жарым өткөргүч чиптер, solder катмарлары, DBC катмарлары, керамикалык изоляция катмары, pin-fin негизи жана суюк муздаткыч аймагы бирге моделденген.

Модель геометриясы жана материалдык түзүлүш:

• Модель автоунаа класстагы Infineon FS820R08A6P2B IGBT модул архитектурасына окшоштурулган.
• Үч фазалуу көпүрө топологиясы жана баскычтуу чип жайгашуусу эске алынган.
• Жалпы 36 жарым өткөргүч чип моделденген.
• Катмарлар чип, чип solder катмары, жогорку DBC жез катмары, Al₂O₃ изоляция катмары, төмөнкү DBC жез катмары, DBC solder катмары, pin-fin негизи жана жылуулук кабылдагыч түзүлүштөн турат.
• Pin-fin түзүлүштөрү жез, жылуулук кабылдагыч корпус болсо алюминий эритмеси катары бааланган.

Негизги pin-fin конфигурациялары:

Чектик шарттар жана иш параметрлери:

• Ар бир IGBT чип үчүн жылуулук жүгү: 140 W.
• Ар бир диод чип үчүн жылуулук жүгү: 34 W.
• Муздаткыч суюктук: %50 суу-этиленгликоль аралашмасы.
• Кирүү температурасы: 65°C.
• Кирүү ылдамдыгы: 2,5 m/s.
• Чыгуу чектик шарты: 0 Pa манометрдик басым.
• Тышкы беттер: адиабаттык, башкача айтканда сыртка жылуулук жоготуусу жок деп кабыл алынган.
• Агым жана жылуулук өткөрүү: туруктуу абал катары моделденген.

Колдонулган негизги теңдемелер:

Агымдын масса сакталуусу үчүн үзгүлтүксүздүк теңдемеси колдонулган:

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

Суюктуктун импульс балансы төмөнкү теңдеме менен аныкталган:

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

Жылуулук конвекциясы жана өткөрүмү үчүн энергия теңдемеси колдонулган:

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

Агым режимин баалоо үчүн Reynolds саны колдонулган:

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

Pin диаметри боюнча мүнөздүү Reynolds саны:

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

Конвекциянын күчүн баалоо үчүн Nusselt саны:

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

Zukauskas корреляциясына негизделген мүнөздүү Nusselt мамилеси изилдөөдө төмөнкү формада берилген:

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

Бул жерде \(Pr\) Prandtl саны; импульс таралышы менен жылуулук таралышынын катышын билдирет. \(C\) жана \(m\) эмпирикалык коэффициенттер. \(Pr_\omega\) дубал температурасы шартындагы Prandtl саны катары бааланат.

Mesh көз карандысыздыгы үчүн салыштырмалуу ката теңдемеси колдонулган:

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

Насос кубатын эсептөө үчүн колдонулган мамиле:

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

Бул жерде \(W_p\) насос кубаты, \(\Delta P\) басым түшүүсү, \(Q\) көлөмдүк агым, \(\eta\) насос натыйжалуулугу. Изилдөөдө \(\eta = 0,68\) алынган.

Маанилүү сандык табылгалар:

Башка негизги жыйынтыктар:

• Ар башка pin-fin бийиктик бөлүштүрүүлөрүндө максималдуу байланыш температурасы 121–126°C диапазонунда калган.
• Температура өзгөрүшү болгону болжол менен %4,6.
• Басым түшүүсү геометрияга кыйла сезимтал.
• 25-22-25 mm толкун сымал түзүлүш 33,15 kPa менен эң жогорку басым түшүүсүн берген.
• 5–25 mm өсүүчү баскычтуу түзүлүш 11,53 kPa менен эң төмөн басым түшүүсүн берген.
• 25-22-25 mm түзүлүштөн 5–25 mm түзүлүшкө өтүүдө басым түшүүсүнүн азайышы %64,14 деп берилген.
• 25 mm туруктуу бийиктиктеги моделге салыштырмалуу 5–25 mm түзүлүштөгү басым түшүүсүнүн азайышы %48,80 деп билдирилген.
• Катуу таңгактоо жылуулук каршылыгы 0,1594 K/W, суюктук тараптын жылуулук каршылыгы болсо 0,0096 K/W деп эсептелген.
• Бул айырма негизги жылуулук тоскоолдугу суюктук тарабында эмес, катуу таңгактоо катмарларында экенин көрсөтөт.
• Аналитикалык орточо байланыш температурасынын божомолу 105,22°C, CFD жыйынтыгы 109,44°C болуп, салыштырмалуу айырма %3,86.
• Жылуулук импеданс матрицасы менен кошумча текшерүүдө ката %2,71 деп берилген.

Сүрөт жана графиктердин техникалык мааниси:

• IGBT модулу жана чип жайгашуу сүрөтү изилдөө реалдуу автоунаа модул архитектурасына жакын түзүлүштү негиз кылганын көрсөтөт. Чиптердин баскычтуу жайгашуусу жылуулук булактарынын бир чекитте топтолушун азайтууга багытталган.
• Жылуулук жайылуу жолу схемасы жылуулук чиптен суюк муздаткычка жеткенге чейин көптөгөн катуу катмарлардан өтөрүн көрсөтөт. Бул схема катуу таңгактоо каршылыгы эмне үчүн критикалык экенин түшүнүү үчүн маанилүү.
• 25 mm жана 5–25 mm pin-fin схемалары салттуу туруктуу бийиктиктеги түзүлүш менен сунушталган өсүүчү баскычтуу түзүлүштүн айырмасын ачык көрсөтөт.
• Mesh көз карандысыздык графиктери тор тыгыздыгы көбөйгөн сайын максималдуу байланыш температурасы жана басым түшүүсү туруктуу боло баштаганын көрсөтөт.
• Жылуулук талаасы жана жылуулук агымы сүрөттөрү температура топтолушу чип астындагы катмарларда күчтүү экенин жана жылуулук капталдарга да тарай турганын көрсөтөт.
• Pareto-TOPSIS графиги 2,44 m/s ылдамдык температура менен басым түшүүсүнүн ортосунда эң ылайыктуу тең салмак берерин көрсөтөт.
• Pin-fin моделдерин салыштыруу графиги температура айырмалары кичине, басым түшүүсү айырмалары болсо абдан чоң экенин көрсөтөт.
• Басым бөлүштүрүү сүрөттөрү кирүү тоскоолдугу жана pin бийиктиги бөлүштүрүлүшү басым жоготуусун кантип аныктай турганын көрсөтөт.
• Ылдамдык сызыктары жана агым талаасы сүрөттөрү jet throttling, из зонасы, турбуленттүүлүк, төмөн ылдамдыктагы рециркуляция аймактары жана агым кабыгы механизмдерин түшүндүрүү үчүн колдонулган.
• Жылуулук каршылык–агым каршылык графиги төмөн басым жоготуусу үчүн пайда болгон кичине жылуулук каршылык өсүшүнүн байланыш температурасына чектелүү таасир берерин колдойт.

Изилдөөнүн техникалык жыйынтыгы: 5–25 mm өсүүчү баскычтуу pin-fin түзүлүшү муздатуу коопсуздугун бузбай тургандай жетиштүү жылуулук өткөрүү аянтын сактап, суюктуктун кирүүдө кездешкен кескин тоскоолдугун азайтат. Ошентип байланыш температурасы 150°C чегинен төмөн кармалып, басым түшүүсү жана насос кубаты олуттуу азайтылат.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Бул макала Sirui Lu, Chenhao Tan, ZeYu Zhang, Xianjin Yi, Tianyu Ma жана Feng Wang тарабынан даярдалган “A Study on Pressure Drop Optimization in High-Power IGBT Liquid-Cooling Systems Using Variable-Height Pin-fin Structures” аттуу изилдөөгө негизделип даярдалган. Изилдөө жогорку кубаттуу автоунаа IGBT модулдарындагы суюктук муздатуу системаларын басым түшүүсү жана насос кубаты жагынан оптималдаштырууну карайт.

Булак түрү — SSRNде жеткиликтүү болгон preprint изилдөө макаласы. Текстте ачык түрдө “This preprint research paper has not been peer reviewed” деген билдирүү бар болгондуктан изилдөө рецензиядан өтө элек. Ошондуктан жыйынтыктар илимий жана инженердик жактан баалуу симуляциялык изилдөө катары окулушу керек, бирок рецензияланган басылма, эксперименттик прототип текшерүүсү же талаа колдонмо далили катары бааланбашы керек.

Мазмун изилдөө сунуштаган модель, божомол, формула, график, таблица жана сандык жыйынтыктарга негизделип даярдалган. PDFте жок коммерциялык ийгилик, талаа ийгилиги, узак мөөнөттүү ишенимдүүлүк, өндүрүш кепилдиги, коопсуздук кепилдиги же ар бир унаада бирдей көрсөткүч болот деген дооматтар кошулган эмес.

Изилдөө негизинен CFD симуляциясына жана аналитикалык жылуулук каршылык текшерүүсүнө негизделет. Текстте физикалык прототипте жүргүзүлгөн эксперименттик тесттер берилген эмес. Ошондуктан сунушталган 5–25 mm өзгөрмө бийиктиктеги pin-fin түзүлүшү реалдуу унаа шарттарында, узак мөөнөттүү жылуулук циклдеринде, вибрацияда, ар башка муздаткыч аралашмаларда, ар башка насос башкарууларында жана сериялык өндүрүш шарттарында өзүнчө текшерилиши керек.

Бул изилдөө электр унаа күч электроникасын муздатууда маанилүү дизайн билдирүүсүн берет: жогорку турбуленттүү шарттарда суюктук тараптагы жылуулук өткөрүү буга чейин каныгууга жакындаган болсо, татаалыраак жана каршылыгы жогору геометриялардын ордуна басым түшүүсүн азайткан агымга ыңгайлуу геометриялар натыйжалуураак болушу мүмкүн. Бирок бул жыйынтык изилдөөдө аныкталган геометрия, чектик шарттар жана симуляция божомолдору ичинде гана жарактуу.