Ин таҳқиқот ба як масъалаи муҳими муҳандисӣ дар системаҳои сардкунии моеъ барои модулҳои пуриқтидори IGBT, ки дар мошинҳои барқӣ истифода мешаванд, равона шудааст: ҳатто агар сардкунӣ кофӣ бошад ҳам, муқовимати зиёде, ки моеъ ҳангоми гузаштан аз канали сардкунӣ мебинад, яъне пастшавии фишор, қувваи насосро зиёд мекунад, самаранокии энергетикиро коҳиш медиҳад ва эътимоднокии системаро зери фишор мегузорад. Барои ҳалли ин масъала муҳаққиқон сохторҳои силиндрии pin-fin-ро, ки одатан баландии якхела доранд, аз нав тарҳрезӣ карда, қаторе бо баландии тағйирёбанда пешниҳод кардаанд, ки дар самти ҷараён аз 5 mm то 25 mm тадриҷан баланд мешавад.

Таҳқиқот дар геометрияе, ки ба модулҳои воқеии автомобилӣ IGBT монанд карда шудааст, бо симулятсияҳои сеандозаи CFD гузаронида шудааст. Дар модел омехтаи сардкунандаи 50% об–этиленгликол, ҳарорати вурудии 65°C ва суръати вурудии 2,5 m/s истифода шудааст. Ҳадаф ин аст, ки ҳарорати пайванди IGBT аз ҳадди бехатарии 150°C паст нигоҳ дошта шуда, ҳамзамон пастшавии фишор дар канали сардкунӣ то ҳадди имкон кам карда шавад.

Натиҷаи муҳимтарин ин аст, ки сохтори pin-fin, ки аз 5–25 mm тадриҷан баланд мешавад, ҳарорати максималии пайвандро дар 126,64°C нигоҳ дошта, пастшавии фишорро то 11,53 kPa кам кардааст. Сохтори асосии муқоисавӣ бо баландии доимии 25 mm бошад, 22,51 kPa пастшавии фишор додааст. Аз ин рӯ, сохтори пешниҳодшуда бо нигоҳ доштани амнияти ҳарорат пастшавии фишорро тақрибан %48,80 кам кардааст. Натиҷаҳои таҳқиқот нишон медиҳанд, ки системаҳои сардкунии мошинҳои барқӣ набояд танҳо бо ҳадафи «дур кардани гармии бештар», балки инчунин бо ҳадафи «сардкунии бехатар бо энергияи камтари насос» тарҳрезӣ шаванд.

Шарҳи Муфассал

Дар мошинҳои барқӣ inverter, motor drive ва системаҳои электроникаи қувва дар зери ҷараён ва шиддати баланд кор мекунанд. Дар маркази ин системаҳо аксаран нимноқилҳои қувва бо номи IGBT, яъне Insulated Gate Bipolar Transistor, қарор доранд. Модулҳои IGBT идоракунии энергияи барқиро таъмин мекунанд, вале ҳангоми ин кор миқдори зиёди гармӣ ҳосил мекунанд. Агар ин гармӣ ба таври бехатар хориҷ нашавад, ҳарорати пайванди нимноқил баланд мешавад, самаранокӣ паст мегардад, умри модул кӯтоҳ мешавад ва хавфи вайроншавӣ меафзояд.

Нуқтаи оғози таҳқиқот дар ҳамин ҷост. Дар равиши анъанавӣ ҳангоми тарҳрезии сардкунакҳои электроникаи қувва аввалин ҳадаф одатан зиёд кардани сатҳи интиқоли гармӣ буд. Аз ин рӯ, микроқаналҳо, сохторҳои pin-fin, роҳҳои мураккаби ҷараён ва геометрияҳое, ки турбулентиро зиёд мекунанд, васеъ таҳқиқ шудаанд. Чунин сохторҳо воқеан интиқоли гармиро қавӣ мекунанд; аммо ҳамзамон гузаштани моеъро душвор намуда, пастшавии фишорро зиёд мекунанд. Бо зиёд шудани пастшавии фишор насос қувваи бештар талаб мекунад. Дар мошини барқӣ ин бевосита ба масофаи ҳаракат, масрафи энергия, андозаи насос, фишори корӣ ва эътимоднокии мӯҳрҳо таъсир мерасонад.

Масъалаи асосии таҳқиқот ҳамин мувозинати интиқоли гармӣ–муқовимати ҷараён аст. Муҳаққиқон мепурсанд: оё ҳангоми нигоҳ доштани модули IGBT дар диапазони бехатари ҳарорат, пастшавии фишорро дар канали сардкунӣ ба таври назаррас кам кардан мумкин аст? Ҷиҳати фарқкунандаи таҳқиқот он аст, ки вақте сардкунӣ аллакай ба сатҳи кофӣ расидааст, ба ҷои маҷбур кардани ҷараён барои интиқоли гармии бештар, кам кардани муқовимати гидродинамикӣ ҳамчун ҳадафи асосии тарҳ қабул мешавад.

Ин равиш махсусан имрӯз муҳим мешавад, ки мошинҳои барқӣ ба платформаҳои 800 V ва болотар ҳаракат мекунанд. Дар системаҳои баландшиддат бо зичии қувваи бештар кор карда мешавад ва ҷараёни гармӣ дар модулҳои IGBT меафзояд. Сардкунии ҳавоӣ дар ин сатҳҳо аксаран кофӣ нест; аз ин рӯ, heat sink-ҳои моеъии бар пояи микроқанал ва pin-fin муҳим мешаванд. Аммо дар мошини барқӣ системаи сардкунӣ танҳо як ҷузъе нест, ки дар лаборатория хуб сард мекунад. Он зерсистемаи пурраест, ки бо насос, шланг, пайвастҳо, мӯҳрҳо, арзиши истеҳсол, масрафи мавод ва талафоти энергия якҷоя кор мекунад. Аз ин сабаб, кам кардани пастшавии фишор на танҳо масъалаи академии механикаи моеъ, балки масъалаи бевоситаи самаранокӣ ва эътимоднокии мошин мебошад.

Модули IGBT-и моделшуда ба меъмории модули автомобилӣ Infineon FS820R08A6P2B монанд карда шудааст. Дар модел топологияи пули сефаза ва тарҳи матритсаи сеандозаи зинавии чипҳо ба назар гирифта шудааст. Дар ҳар шохаи нимпул се IGBT ва се freewheeling diode, яъне шаш ҷуфти нимноқилӣ мавҷуд аст; дар маҷмӯъ сохтори 36-чип моделсозӣ шудааст. Ҳадафи ин тарҳ пешгирии ҷамъшавии аз ҳад зиёди манбаъҳои гармӣ дар як минтақа ва кам кардани мутақобилаи гармӣ байни чипҳо мебошад.

Фаҳмидани роҳи гармӣ дар дохили модул барои мантиқи таҳқиқот муҳим аст. Гармии ҳосилшуда дар пайвандҳои нимноқил аввал аз чип ба қабати solder, сипас ба қабати болоии мисии DBC, қабати изолятсионии сафолии alumina, қабати поёнии мисии DBC, қабати solder-и DBC ва дар ниҳоят ба substrate-и pin-fin мегузарад. Аз ин ҷо гармӣ бо моеъи сардкунанда гирифта мешавад. Яъне дар система ду муқовимати асосӣ мавҷуд аст: муқовимати интиқоли гармӣ дар қабатҳои сахти бастабандӣ ва муқовимати конвексия дар тарафи моеъ. Яке аз натиҷаҳои муҳим ин аст, ки қисми зиёди муқовимати умумии гармӣ на дар тарафи моеъ, балки дар қабатҳои сахти бастабандӣ ҷойгир аст.

Аз ин рӯ, муҳаққиқон ба чунин натиҷа меоянд: агар ҷараёни сардкунанда аллакай дар режими Reynolds-и баланд, турбулентии қавӣ ва қариб сершуда аз ҷиҳати конвексия кор кунад, боз ҳам агрессивтар кардани геометрияи pin-fin ҳарорати пайвандро хеле кам коҳиш медиҳад, аммо метавонад пастшавии фишорро хеле зиёд кунад. Ба ибораи дигар, агар системаи сардкунӣ аллакай мисли радиаторе бошад, ки ба он ҷараёни кофии ҳаво мерасад, беҳтар аст ҷараён камтар энергия талаф диҳад, на ин ки боз ҳам сахттар ба монеаҳо бархӯрад.

Муқоисаи асосии геометрӣ байни қаторҳои анъанавии pin-fin-и силиндрии 25 mm баландии собит ва қаторҳои pin-fin-и баландии тағйирёбанда мебошад, ки аз 5 mm оғоз шуда, дар самти ҷараён то 25 mm баланд мешаванд. Дар модели асосӣ 272 pin-fin-и силиндрӣ мавҷуд аст. Онҳо дар 21 қатори алтернативӣ ҷой гирифтаанд; дар ҳар қатор 12 ё 14 pin ҳаст. Диаметри pin 2 mm буда, дар модели асосӣ ҳамаи онҳо 25 mm баландӣ доранд. Дар модели пешниҳодшуда pin-ҳо дар тарафи вуруд кӯтоҳанд ва дар самти баромад бо қадамҳои 1 mm то 25 mm баланд мешаванд.

Мантиқи ин тарҳро бо мисоли рӯзмарра чунин фаҳмидан мумкин аст: агар издиҳоме, ки аз дар медарояд, фавран дар даромад бо монеаи танг рӯ ба рӯ шавад, ҷараён фишурда шуда, энергия талаф меёбад. Агар даромад кушодтар бошад ва монеаҳо тадриҷан зиёд шаванд, гузариш мунтазамтар мешавад. Сохтори 5–25 mm низ ба моеъ дар даромад гузаргоҳи озодтар медиҳад. Ҷараён аввал бо муқовимати камтар мегузарад ва баъдтар бо pin-ҳои баландтар рӯ ба рӯ мешавад. Бо ин роҳ ҳам сатҳи интиқоли гармӣ нигоҳ дошта мешавад ва ҳам басташавии ногаҳонӣ ва таъсири jet дар вуруд коҳиш меёбад.

Модели ададӣ бар усули сеандозаи интиқоли гармии пайваста, яъне conjugate heat transfer, асос ёфтааст. Ин маънои онро дорад, ки интиқоли гармӣ дар ҷузъҳои сахт ва ҷараён/конвексия дар моеъ ҳамзамон ҳал мешаванд. Симулятсияҳо дар COMSOL Multiphysics анҷом дода шудаанд. Дар модел фарз шудааст, ки ҷараён steady state аст, дар ҳамаи марзҳои сахт–моеъ шарти no-slip мавҷуд аст, талафоти гармӣ аз сатҳҳои беруна нодида гирифта мешавад, хусусиятҳои мавод собитанд ва ҳосилшавии ҳаҷмии гармӣ дар чипҳо uniform мебошад.

Барои тавсифи ҷараён ва интиқоли гармӣ муодилаҳои continuity, momentum, energy ва модели турбулентии SST k-ω истифода шудаанд. Барои хонанда ин маънои онро дорад, ки массаи моеъ ҳифз мешавад, майдони суръат ва фишор аз рӯи механикаи Нютон мувозинат мегирад, майдони ҳарорат бо conduction ва convection муайян мешавад ва turbulence ҳамчун таъсири флуктуатсияҳо ба ҷараёни миёна ҳисоб карда мешавад.

Муодилаи continuity дар таҳқиқот чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\rho\) зичии моеъ ва \(\mathbf{v}\) вектори суръат аст. Муодила нишон медиҳад, ки дар ҷараёни фишурданашаванда ҳаҷми моеъи воридшаванда ва баромада мувозинат дорад. Ба таври оддӣ, моеъи сардкунанда дар канал нобуд намешавад ё аз ҳеҷ ба вуҷуд намеояд; танҳо самт, суръат ва фишораш тағйир меёбад.

Муодилаи momentum чунин аст:

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

Дар ин муодила \(p\) фишор, \(\mu\) часпакии динамикӣ ва \(\mu_t\) часпакии самараноки аз turbulence ҳосилшуда мебошад. Муодила нишон медиҳад, ки шитоби моеъ аз фарқи фишор ва муқовимати часпакӣ/турбулентӣ чӣ гуна муайян мешавад. Дар pin-fin heat sink ин махсусан муҳим аст, зеро вақте pin-ҳо пеши ҷараён меоянд, моеъ суръат мегирад, суст мешавад, ҷудо мешавад ва гирдбод месозад; ҳамаи ин падидаҳо пастшавии фишорро муайян мекунанд.

Муодилаи energy чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(c_p\) иқтидори хоси гармӣ, \(T\) ҳарорат, \(k\) гузаронии гармӣ, \(k_t\) гузаронии гармии турбулентӣ, \(\Phi\) функсияи талафоти часпакӣ ва \(Q\) манбаи ҳаҷмии гармӣ мебошад. Ин муодила шарҳ медиҳад, ки гармии дар чипҳо ҳосилшуда чӣ гуна тавассути қабатҳои сахт ва моеъ интиқол меёбад.

Дар таҳқиқот бо Reynolds ва Nusselt рафтори ҷараён ва қувваи интиқоли гармӣ арзёбӣ шудаанд. Reynolds-и умумӣ чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(v_{av}\) суръати миёнаи ҷараён дар буриши канал, \(D_h\) диаметри гидравликӣ ё дарозии хоси канал ва \(\mu\) часпакии динамикии моеъ мебошад. Reynolds барои фаҳмидани laminar ё turbulent будани ҷараён истифода мешавад. Дар суръати вурудии 2,5 m/s Reynolds-и умумӣ тақрибан 79.882 ҳисоб шудааст, ки ҷараёни хеле турбулентиро нишон медиҳад.

Reynolds-и хос аз рӯи диаметри pin чунин таъриф мешавад:

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

Дар ин ҷо \(v_{max}\) баландтарин суръати маҳаллӣ байни pin-ҳо ва \(D_{pin}\) диаметри pin мебошад. Дар таҳқиқот \(Re_D = 9726\) дода шудааст. Ин арзиш нишон медиҳад, ки дар атрофи pin-ҳо турбулентии намоён, ҷудошавӣ ва wake region ба вуҷуд омада метавонад.

Nusselt нишон медиҳад, ки интиқоли гармӣ бо конвексия нисбат ба conduction то чӣ андоза қавӣ аст:

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

Дар ин ҷо \(h_{av}\) коэффициенти миёнаи интиқоли гармии конвективӣ ва \(k\) гузаронии гармии моеъ мебошад. Бо афзоиши Nusselt қобилияти гирифтани гармӣ аз сатҳ зиёд мешавад. Дар таҳқиқот Nusselt-и умумӣ 139 ва Nusselt-и хос аз рӯи диаметри pin 206,8 дода шудааст. Ин арзишҳо нишон медиҳанд, ки конвексия дар тарафи моеъ аллакай қавӣ аст.

Моеъи сардкунандаи истифодашуда омехтаи 50% об–этиленгликол мебошад. Ин омехта дар системаҳои сардкунии автомобилӣ васеъ истифода мешавад: об интиқоли гармии хуб дорад, этиленгликол бошад нуқтаи яхбандӣ ва амнияти кориро беҳтар мекунад. Дар таҳқиқот ҳарорати вуруд 65°C ва суръати вуруд 2,5 m/s қабул шудааст. Зичии моеъ 1048,83 kg/m³, часпакии динамикӣ 0,00129 Pa·s, гузаронии гармӣ 0,406 W/(m·K) ва иқтидори хоси гармӣ 3454 J/(kg·K) истифода шудааст.

Ҳосилшавии гармӣ дар чипҳо низ барои муаррифии сарбории воқеии электроникаи қувва муайян шудааст. Ба ҳар IGBT 140 W ва ба ҳар diode 34 W гармӣ дода шудааст. Ин арзишҳо нишон медиҳанд, ки таҳқиқот танҳо геометрияи абстрактии каналро не, балки шароити модули қувваи автомобилӣ баррасӣ мекунад.

Яке аз масъалаҳои муҳим дар таҳқиқоти ададӣ mesh independence аст. Агар натиҷаҳо бо тағйири mesh хеле тағйир ёбанд, ҳарорат ва фишор боэътимод нестанд. Барои ҳамин ҳам модели асосии 25 mm ва ҳам модели зинавии 5–25 mm бо mesh independence test санҷида шудаанд. Меъёрҳо ҳарорати максималии пайванд ва пастшавии умумии фишор мебошанд. Фарқи байни ду mesh-и охирин дар модели 25 mm барои ҳарорати пайванд %0,13 ва барои пастшавии фишор %0,71; дар модели 5–25 mm барои ҳарорат %0,024 ва барои пастшавии фишор %1,26 аст. Азбаски ин арзишҳо аз tolerance-и муҳандисии %5 камтаранд, mesh-и интихобшуда натиҷаҳоро аз ҳад зиёд таҳриф намекунад.

Формулаи хатои нисбӣ барои арзёбии convergence чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\varepsilon_r\) хатои нисбӣ, \(\Phi_1\) натиҷаи mesh-и қаблӣ ва \(\Phi_2\) натиҷаи mesh-и баъдӣ мебошад. Формула нишон медиҳад, ки бо майда шудани mesh натиҷа чанд фоиз тағйир ёфтааст.

Санҷиши модел танҳо бо mesh маҳдуд набуд. Муҳаққиқон натиҷаи CFD-ро бо ҳисобҳои аналитикии муқовимати гармӣ муқоиса кардаанд. Барои қабатҳои сахт бо фарзияи кунҷи паҳншавии гармии 45° муқовимати умумии сахт 0,1594 K/W ҳисоб шудааст. Муқовимати тарафи моеъ бо коррелятсияи Zukauskas 0,0096 K/W будааст. Ин фарқ муҳим аст, зеро муқовимати сахт хеле калонтар аст. Яъне маҳдудкунандаи асосии ҳарорат на канали моеъ, балки қабатҳои бастабандии байни чип ва сардкунанда мебошад.

Ҳисоби аналитикӣ ҳарорати миёнаи пайвандро 105,22°C пешгӯӣ кардааст, дар ҳоле ки CFD 109,44°C додааст. Фарқ %3,86 мебошад. Санҷиши иловагӣ бо thermal impedance matrix низ хатои %2,71 нишон додааст. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки симулятсия дар доираи фарзияҳои худ аз ҷиҳати муҳандисӣ мутобиқ аст. Аммо ин санҷиш маънои онро надорад, ки прототипи физикӣ озмуда шудааст; таҳқиқот асосан симулятсионӣ мебошад.

Таҳлили майдони ҳарорат нишон медиҳад, ки ҷамъшавии гармӣ асосан дар қабатҳои сахти зери чипҳо ҷойгир аст. Векторҳои flux нишон медиҳанд, ки гармӣ танҳо амудӣ ба поён намеравад, балки дар қабатҳо паҳлӯӣ ҳам паҳн мешавад. Ин паҳншавӣ бо мантиқи кунҷи тақрибан 45° арзёбӣ шудааст. Азбаски манбаъҳои гармӣ дар майдони хурди чипҳо мутамарказанд, тамоми сатҳи қабатҳои поёнӣ яксон истифода намешавад.

Ин натиҷа фалсафаи тарҳро дастгирӣ мекунад. Агар bottleneck асосӣ дар тарафи сахт бошад, зиёд кардани convection дар тарафи моеъ ба ҳарорати пайванд таъсири маҳдуд дорад. Аммо муқовимати ҷараён ба қувваи насос ва талафоти энергия таъсири хеле калон мекунад. Аз ин рӯ, таҳқиқот ба ҷои “сардкунаки мураккабтар ва муқовиматноктар” идеяи “сардкунаки дорои сардкунии кофӣ, вале бо пастшавии фишори камтар”-ро пешниҳод мекунад.

Барои интихоби суръати вуруд муҳаққиқон Pareto multi-objective optimization ва TOPSIS-ро истифода кардаанд. Се ҳадаф якҷоя баррасӣ шудаанд: кам кардани ҳарорати максималии IGBT, кам кардани ҳарорати максималии diode ва кам кардани пастшавии фишор. Вазнҳо барои ҳарорати IGBT 0,35, барои diode 0,35 ва барои пастшавии фишор 0,30 дода шудаанд. Натиҷаи арзёбӣ суръати оптималии 2,44 m/s-ро нишон додааст ва барои осонии амал ва таҳлилҳои баъдӣ 2,5 m/s истифода шудааст.

Нуктаи муҳим ин аст, ки бо зиёд шудани суръат ҳарорат одатан паст мешавад, аммо пастшавии фишор ва энергияи насос меафзояд. Доимо зиёд кардани суръати ҷараён ба кор кардани вентилятори хонагӣ дар баландтарин суръат монанд аст: аввал сардкунӣ беҳтар мешавад, вале баъд аз нуқтаи муайян садо, масрафи энергия ва сарбории механикӣ зиёд шуда, фоидаи ҳарорат маҳдуд мемонад. Оптимизатсияи таҳқиқот ҳамин нуқтаи тавозунро меҷӯяд.

Ҳангоми муқоисаи панҷ тақсимоти баландии pin-fin, ҳарорати максималии пайванд дар диапазони 121°C то 126°C боқӣ мондааст. Ин танҳо тақрибан %4,6 тағйир аст. Аммо пастшавии фишор ба геометрия хеле ҳассос аст. Баландтарин пастшавӣ 33,15 kPa дар модели мавҷдори 25-22-25 mm дида шудааст, дар ҳоле ки модели зинавии афзояндаи 5–25 mm пастшавиро то 11,53 kPa кам кардааст. Камшавии байни ин ду ҳад %64,14 гузориш шудааст.

Муқоисаи амалитар бо модели асосии 25 mm мебошад. Дар модели асосӣ ҳарорати максималии пайванд тақрибан 125,97°C ва пастшавии фишор 22,51 kPa аст. Дар модели 5–25 mm ҳарорати максималӣ 126,64°C буда, аз ҳадди 150°C паст аст; пастшавии фишор бошад 11,53 kPa. Яъне бо афзоиши ночизи ҳарорат, пастшавии фишор тақрибан %48,80 коҳиш ёфтааст.

Яке аз қисмҳои муҳим шарҳи механизми ҷараён дар геометрияҳои гуногун аст. Дар тарҳи 25-22-25 mm дар минтақаи вуруд blockage ҷиддӣ ба вуҷуд меояд. Тағйирёбии пайвастаи баландӣ суръатгирӣ–сустшавӣ, омехташавии турбулентӣ ва талафоти зиёди энергия ба вуҷуд меорад. Ин тарҳ метавонад интиқоли гармиро афзоиш диҳад, вале насос маҷбур аст моеъро бо душвории бештар тела диҳад.

Дар модели баландии собити 25 mm ҳамаи pin-ҳо дар тамоми канал баланданд ва ҷараён аз гузаргоҳҳои танг мегузарад. Суръати маҳаллӣ байни pin-ҳо метавонад аз 3 m/s зиёд шавад. Ин jet throttling ба вуҷуд меорад. Дар паси pin-ҳо wake region ва separated boundary layer пайдо мешаванд ва энергияи ҷараён ба гармӣ ва талафоти турбулентӣ табдил меёбад.

Дар тарҳи V-и 25-5-25 mm pin-ҳои баланд дар вуруд боз blockage медиҳанд. Дар қисми миёна баландӣ паст шуда, минтақаи осонтар барои ҷараён ташкил мешавад; аммо ба тарафи баромад баландӣ боз зиёд шуда, муқовимат бармегардад. Аз ин рӯ, пастшавии фишор нисбат ба 25 mm беҳтар шуда метавонад, аммо минимум дар ин тарҳ нест.

Дар модели 5–25 mm pin-ҳои кӯтоҳ дар вуруд гузаргоҳи озодтар медиҳанд. Ҷараён бидуни фишурдани сахт ба канал медарояд. Дар самти баромад pin-ҳо тадриҷан баланд мешаванд ва сатҳи кофии интиқоли гармиро нигоҳ медоранд. Илова бар ин, минтақаҳои сусти гардишӣ мисли як қабати муҳофизаткунандаи ҷараён амал карда, зарбаи мустақими main flow ба pin-ҳоро кам мекунанд. Таҳқиқот инро ба аэродинамикӣ шудани ҷисмҳои силиндрӣ монанд мекунад.

Ин механизм нишон медиҳад, ки пастшавии фишор танҳо масъалаи “шумораи pin” ё “масоҳати умумӣ” нест. Бо ҳамон мавод ва сатҳи монанд, тақсимоти гуногуни баландӣ метавонад муайян кунад, ки ҷараён дар куҷо суръат мегирад, ҷудо мешавад, гирдбод месозад ва энергия талаф медиҳад. Саҳми муҳандисии таҳқиқот низ дар ҳамин аст: оптимизатсияи сардкунак на танҳо бо ҳарорат, балки бо талафоти энергияи ҷараён.

Дар таҳқиқот муносибати байни муқовимати гармӣ ва муқовимати ҷараён низ баррасӣ шудааст. Тамоюл равшан аст: бо кам кардани муқовимати ҷараён, муқовимати гармӣ андаке зиёд шуда метавонад. Аммо таъсири он ба ҳарорати пайванд маҳдуд аст, зеро муқовимати тарафи моеъ қисми хеле ками буҷети умумии гармӣ мебошад. Гуфта шудааст, ки ин саҳм аз %1 кам аст. Аз ин рӯ, қабул кардани талафоти хурди гармӣ барои гирифтани фоидаи бузурги гидродинамикӣ мантиқӣ аст.

Ҳисоби қувваи насос аҳамияти амалиро бештар мекунад. Муносибати қувваи насос чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(W_p\) қувваи насос, \(\Delta P\) пастшавии фишор, \(Q\) дебити ҳаҷмӣ ва \(\eta\) самаранокии насос мебошад. Дар таҳқиқот самаранокии насос 0,68 қабул шудааст. Ин формула нишон медиҳад, ки бо зиёд шудани пастшавии фишор барои нигоҳ доштани ҳамон дебит насос қувваи бештар талаб мекунад.

Бо ин муносибат сохтори қадимаи 25 mm тақрибан 190 W қувваи насос талаб мекунад, дар ҳоле ки сохтори 5–25 mm тақрибан 97 W талаб мекунад. Фарқ 93 W гузориш шудааст. Ҳатто барои як модул ин муҳим аст; агар мошин чанд модули қувва дошта бошад, сарфаи система боз бештар мешавад. Барои мошини барқӣ чунин сарфа метавонад масрафи auxiliary power-ро кам ва самаранокии умумиро беҳтар кунад.

Таҳқиқот ҷанбаи мавод ва арзишро низ дорад. Сохтори 5–25 mm бо кам кардани баландии нолозим истифодаи мисро тақрибан %40 кам мекунад. Камшавии ҳаҷм барои ҳар heat sink 8545 mm³ дода шудааст. Бо фарзияи 16,626 миллион мошини барқӣ ва чор модули IGBT дар ҳар мошин, иқтидори сарфаи 568,29 m³, яъне тақрибан 5091,84 ton мис ҳисоб шудааст. Бо арзишҳои бозорӣ ин метавонад солона тақрибан 78,47 миллион доллар сарфаи мавод бошад.

Ин арзёбии иқтисодӣ бояд бодиққат хонда шавад. Арзишҳо аз фарзияҳои миқёси истеҳсол вобастаанд; сарфаи воқеӣ метавонад бо меъмории мошин, шумораи модулҳо, усули истеҳсол, нархи мис, стандартҳои тарҳ, назорати сифат ва занҷираи таъминот тағйир ёбад. Аммо паёми асосӣ равшан аст: оптимизатсияи геометрии сардкунак метавонад на танҳо ҳарорат ва фишор, балки масрафи мавод, қувваи насос ва арзиши системаро низ тағйир диҳад.

Аз нигоҳи гузашта, сардкунии электроникаи қувва муддати дароз ба зиёд кардани сатҳ ва coefficient-и convection равона буд. Ин дар давраи зичии камтари қувва ва кофӣ будани сардкунии ҳавоӣ мантиқӣ буд. Имрӯз бошад, дар мошинҳои барқӣ қувваи баланд, бастабандии зич ва эътимоднокии баланд ҳамзамон талаб мешаванд. Аз ин рӯ, на танҳо иқтидори сардкунӣ, балки арзиши энергетикии сардкунӣ ҳам марказӣ мешавад.

Аз нигоҳи оянда, ин таҳқиқот роҳи геометрияҳои оқилонаи сардкунии электроникаи қувваи мошинҳои барқиро нишон медиҳад. Қадами баъдӣ санҷиши прототипҳои 5–25 mm, омӯзиши устуворӣ зери vibration ва thermal cycling, озмоиш бо моеъҳо ва ҳароратҳои гуногун, инчунин санҷиши истеҳсолпазирӣ ва арзиш дар равандҳои саноатӣ мебошад. Ҳамчунин метавон санҷид, ки ҳамин мантиқ барои SiC MOSFET ва дигар нимноқилҳои насли нав мувофиқ аст ё не.

Таъсир ба зиндагии рӯзмарра ғайримустақим, вале муҳим аст. Истифодабарандаи мошини барқӣ системаи сардкуниро намебинад, аммо масофаи ҳаракат, эътимоднокӣ, суръати вайроншавӣ, хароҷоти нигоҳдорӣ ва performance аз он вобастаанд. Қувваи камтари насос метавонад маънои онро дошта бошад, ки қисми бештари энергияи батарея барои ҳаракат истифода мешавад. Фишори камтар сарбориро ба мӯҳрҳо кам мекунад. Миси камтар арзиши истеҳсол ва масрафи захираҳоро кам карда метавонад. Аҳамияти таҳқиқот дар он аст, ки як ҷузъиёти нонамоёни муҳандисӣ чӣ гуна ба натиҷаҳои сатҳи мошин табдил меёбад.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот истифодаи геометрияи ба модули воқеии автомобилӣ монанд, симулятсияи сеандозаи conjugate heat transfer, mesh independence test, санҷиш бо модели аналитикии муқовимати гармӣ ва арзёбии ҳамзамони ҳарорат, пастшавии фишор ва қувваи насос мебошанд. Илова бар ин, таҳқиқот механизмҳои jet throttling, wake region, inlet blockage, global blockage ва low-speed flow sheath-ро шарҳ дода, на танҳо натиҷа, балки сабаби онро низ баррасӣ мекунад.

Бо вуҷуди ин, маҳдудиятҳо ҳам ҳастанд. Таҳқиқот preprint ва ҳанӯз peer-reviewed нест. Натиҷаҳо ба CFD асос ёфтаанд ва prototype test-и физикӣ пешниҳод нашудааст. Симулятсия steady state аст; дар мошини воқеӣ acceleration, deceleration, ҳарорати муҳит, vibration, пиршавии coolant, pump control ва transient thermal loads вуҷуд доранд. Хусусиятҳои мавод собит қабул шудаанд. Талафоти гармӣ аз сатҳҳои беруна нодида гирифта шудааст. Илова бар ин, tolerance-и истеҳсол, fouling/clogging, эътимоднокии дарозмуддат ва ҳамгироӣ ба mass production барои сохтори 5–25 mm бояд ҷудогона санҷида шавад.

Он чизе, ки таҳқиқот мегӯяд, чунин аст: дар шароити симулятсияи муайяншуда сохтори 5–25 mm ҳарорати пайванди IGBT-ро дар ҳадди бехатар нигоҳ дошта, пастшавии фишорро ба таври ҷиддӣ кам мекунад. Он чизе, ки намегӯяд, ин аст, ки ҳамин тарҳ дар ҳар мошини барқӣ, ҳар модули IGBT, ҳар coolant ва ҳар шароит ҳамон натиҷаро медиҳад. Ҳамчунин барои татбиқи тиҷоратӣ, устувории саҳроӣ ё истеҳсол кафолати қатъӣ пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, натиҷаҳо бояд ҳамчун самти арзишманди муҳандисӣ дида шаванд, вале қарорҳои ниҳоии саноатӣ бояд бо санҷиши таҷрибавӣ ва саҳроӣ дастгирӣ шаванд.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Усули таҳқиқот ба омӯзиши сохтори сардкунии моеъи модули пуриқтидори автомобилии IGBT бо симулятсияҳои сеандозаи CFD ва conjugate heat transfer асос ёфтааст. Қабатҳои сахти бастабандӣ, чипҳои нимноқилӣ, қабатҳои solder, DBC, қабати сафолии изолятсионӣ, substrate-и pin-fin ва минтақаи моеъи сардкунанда якҷо моделсозӣ шудаанд.

Геометрияи модел ва сохтори мавод:

• Модел ба меъмории модули автомобилӣ Infineon FS820R08A6P2B IGBT монанд карда шудааст.
• Топологияи пули сефаза ва ҷойгиркунии зинавии чипҳо ба назар гирифта шудааст.
• Дар маҷмӯъ 36 чипи нимноқилӣ моделсозӣ шудааст.
• Қабатҳо аз чип, solder-и чип, қабати болоии мисии DBC, қабати изолятсионии Al₂O₃, қабати поёнии мисии DBC, solder-и DBC, substrate-и pin-fin ва сохтори heat sink иборатанд.
• Сохторҳои pin-fin ҳамчун мис ва корпуси heat sink ҳамчун хӯлаи алюминий арзёбӣ шудаанд.

Конфигуратсияҳои асосии pin-fin:

Шартҳои марзӣ ва параметрҳои корӣ:

• Сарбории гармӣ барои ҳар IGBT: 140 W.
• Сарбории гармӣ барои ҳар diode: 34 W.
• Моеъи сардкунанда: омехтаи %50 об–этиленгликол.
• Ҳарорати вуруд: 65°C.
• Суръати вуруд: 2,5 m/s.
• Шарти марзии баромад: 0 Pa фишори gauge.
• Сатҳҳои беруна: adiabatic, яъне талафоти гармӣ ба берун нест.
• Ҷараён ва интиқоли гармӣ: steady state моделсозӣ шудааст.

Муодилаҳои асосии истифодашуда:

Барои ҳифзи массаи ҷараён муодилаи continuity истифода шудааст:

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

Мувозинати momentum бо муодилаи зерин муайян шудааст:

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

Барои conduction ва convection муодилаи energy истифода шудааст:

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

Барои арзёбии режими ҷараён Reynolds истифода шудааст:

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

Reynolds-и хос аз рӯи диаметри pin:

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

Барои арзёбии қувваи convection Nusselt истифода шудааст:

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

Коррелятсияи хоси Nusselt бар пояи Zukauskas чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(Pr\) адади Prandtl аст ва таносуби паҳншавии momentum ба паҳншавии гармиро ифода мекунад. \(C\) ва \(m\) коэффициентҳои эмпирикӣ мебошанд. \(Pr_\omega\) адади Prandtl дар шароити ҳарорати девор мебошад.

Барои mesh independence муодилаи хатои нисбӣ истифода шудааст:

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

Муносибати ҳисоби қувваи насос:

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

Дар ин ҷо \(W_p\) қувваи насос, \(\Delta P\) пастшавии фишор, \(Q\) дебити ҳаҷмӣ ва \(\eta\) самаранокии насос мебошад. Дар таҳқиқот \(\eta = 0,68\) қабул шудааст.

Натиҷаҳои муҳими ададӣ:

Дигар натиҷаҳои асосӣ:

• Дар тақсимоти гуногуни баландии pin-fin ҳарорати максималӣ дар диапазони 121–126°C боқӣ мондааст.
• Тағйири ҳарорат танҳо тақрибан %4,6 аст.
• Пастшавии фишор ба геометрия хеле ҳассостар аст.
• Тарҳи 25-22-25 mm бо 33,15 kPa баландтарин пастшавиро додааст.
• Тарҳи 5–25 mm бо 11,53 kPa камтарин пастшавиро додааст.
• Аз 25-22-25 mm ба 5–25 mm гузариш камшавии %64,14-ро додааст.
• Нисбат ба модели собити 25 mm камшавии пастшавии фишор %48,80 аст.
• Муқовимати гармии қабатҳои сахт 0,1594 K/W ва тарафи моеъ 0,0096 K/W ҳисоб шудааст.
• Ин фарқ нишон медиҳад, ки bottleneck асосии гармӣ дар қабатҳои бастабандӣ аст, на дар моеъ.
• Ҳарорати миёнаи аналитикӣ 105,22°C, CFD 109,44°C ва фарқ %3,86 будааст.
• Санҷиши thermal impedance matrix хатои %2,71 додааст.

Маънои техникии шаклҳо ва графикҳо:

• Тасвири модул ва ҷойгиршавии чипҳо нишон медиҳад, ки таҳқиқот ба меъмории воқеии автомобилӣ наздик аст. Ҷойгиркунии зинавӣ ҷамъшавии гармиро кам мекунад.
• Шемаи роҳи паҳншавии гармӣ нишон медиҳад, ки гармӣ аз чип то сардкунанда аз қабатҳои зиёди сахт мегузарад. Ин барои фаҳмидани аҳамияти муқовимати бастабандӣ муҳим аст.
• Шемаҳои 25 mm ва 5–25 mm фарқи байни сохтори собит ва зинавии афзояндаро нишон медиҳанд.
• Графикҳои mesh independence нишон медиҳанд, ки бо зиёд шудани зичии mesh ҳарорат ва пастшавии фишор устувор мешаванд.
• Тасвирҳои майдони ҳарорат ва heat flux ҷамъшавии гармиро дар қабатҳои зери чип ва паҳншавии паҳлӯии гармиро нишон медиҳанд.
• Графики Pareto-TOPSIS нишон медиҳад, ки суръати 2,44 m/s беҳтарин тавозуни ҳарорат ва фишорро медиҳад.
• Графики муқоисаи моделҳои pin-fin нишон медиҳад, ки фарқи ҳарорат хурд ва фарқи пастшавии фишор хеле калон аст.
• Тасвирҳои тақсимоти фишор нишон медиҳанд, ки inlet blockage ва тақсимоти баландӣ чӣ гуна талафотро муайян мекунанд.
• Streamlines ва flow-field images барои шарҳи jet throttling, wake region, turbulence, low-speed circulation ва flow-sheath mechanism истифода шудаанд.
• Графики thermal-resistance–flow-resistance нишон медиҳад, ки афзоиши хурди муқовимати гармӣ барои ба даст овардани пастшавии фишори хеле кам таъсири маҳдуд ба ҳарорати пайванд дорад.

Натиҷаи техникии таҳқиқот: Сохтори зинавии 5–25 mm сатҳи кофии интиқоли гармиро нигоҳ дошта, blockage-и ногаҳонии вурудро кам мекунад. Ҳамин тавр, ҳарорати пайванд аз 150°C паст мемонад ва пастшавии фишор ва қувваи насос ба таври назаррас кам мешаванд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Ин мақола бар асоси таҳқиқоти Sirui Lu, Chenhao Tan, ZeYu Zhang, Xianjin Yi, Tianyu Ma ва Feng Wang бо унвони “A Study on Pressure Drop Optimization in High-Power IGBT Liquid-Cooling Systems Using Variable-Height Pin-fin Structures” таҳия шудааст. Таҳқиқот оптимизатсияи системаи сардкунии моеъ барои модулҳои пуриқтидори автомобилӣ IGBT-ро аз ҷиҳати пастшавии фишор ва қувваи насос меомӯзад.

Манбаъ як preprint research paper дар SSRN мебошад. Азбаски дар матн “This preprint research paper has not been peer reviewed” навишта шудааст, он аз peer review нагузаштааст. Аз ин рӯ, натиҷаҳо бояд ҳамчун симулятсияи муҳандисии арзишманд хонда шаванд, на ҳамчун натиҷаи ниҳоии peer-reviewed, prototype validation ё field application proof.

Мундариҷа ба модел, фарзияҳо, формулаҳо, графикҳо, ҷадвалҳо ва натиҷаҳои ададии таҳқиқот асос ёфтааст. Иддаоҳои дар PDF набуда, мисли муваффақияти тиҷоратӣ, муваффақияти саҳроӣ, эътимоднокии дарозмуддат, кафолати истеҳсол, кафолати бехатарӣ ё иҷрои якхела дар ҳамаи мошинҳо илова нашудаанд.

Таҳқиқот асосан ба CFD simulation ва санҷиши analytical thermal resistance асос ёфтааст. Дар матн prototype test-и физикӣ пешниҳод нашудааст. Аз ин рӯ, сохтори 5–25 mm бояд дар шароити воқеии мошин, thermal cycling, vibration, coolant-и гуногун, pump control-и гуногун ва mass-production conditions ҷудогона озмоиш шавад.

Таҳқиқот паёми муҳими тарҳӣ медиҳад: агар дар шароити турбулентии баланд интиқоли гармӣ дар тарафи моеъ аллакай ба saturation наздик бошад, геометрияҳои flow-friendly, ки пастшавии фишорро кам мекунанд, метавонанд аз геометрияҳои мураккаб ва муқовиматнок самараноктар бошанд. Аммо ин натиҷа танҳо дар ҳудуди геометрия, шартҳои марзӣ ва фарзияҳои симулятсияи муайяншуда эътибор дорад.