Ushbu tadqiqot elektr transport vositalarida ishlatiladigan yuqori quvvatli IGBT modullarining suyuqlik bilan sovitish tizimlaridagi muhim muhandislik muammosiga qaratilgan: sovitish yetarli bo‘lsa ham, sovitish kanalida suyuqlik duch keladigan yuqori qarshilik, ya’ni bosim tushishi nasos quvvatini oshiradi, energiya samaradorligini pasaytiradi va tizim ishonchliligini qiyinlashtirishi mumkin. Tadqiqotchilar bu muammoni hal qilish uchun odatda bir xil balandlikda ishlatiladigan silindrsimon pin-fin tuzilmalarini qayta tashkil etib, oqim yo‘nalishi bo‘ylab 5 mm dan 25 mm gacha oshib boradigan o‘zgaruvchan balandlikdagi pin-fin qatorini taklif qilgan.

Tadqiqot haqiqiy avtomobil IGBT modullariga o‘xshatilgan geometriyada uch o‘lchamli CFD simulyatsiyalari bilan olib borilgan. Modelda 50% suv-etilen glikol aralashmasi bo‘lgan sovituvchi suyuqlik, 65°C kirish harorati va 2,5 m/s kirish tezligi ishlatilgan. Maqsad IGBT birikma haroratini xavfsiz chegara bo‘lgan 150°C dan pastda ushlab turish bilan birga, sovitish kanalidagi bosim yo‘qotishini imkon qadar kamaytirishdir.

Eng e’tiborga molik natija shuki, 5–25 mm oralig‘ida bosqichma-bosqich oshadigan pin-fin tuzilmasi maksimal birikma haroratini 126,64°C da saqlagan holda bosim tushishini 11,53 kPa gacha kamaytirgan. Xuddi shu tadqiqotda taqqoslash uchun ishlatilgan 25 mm doimiy balandlikdagi bazaviy tuzilma 22,51 kPa bosim tushishini hosil qilgan. Shu sababli taklif etilgan bosqichli tuzilma harorat xavfsizligini saqlagan holda bosim tushishini taxminan %48,80 ga kamaytirgan. Natijalar elektr transport vositalarida sovitish tizimlari faqat “ko‘proq issiqlikni chiqarish” maqsadi bilan emas, balki “kamroq nasos energiyasi bilan xavfsiz sovitish” maqsadi bilan ham loyihalanishi kerakligini ko‘rsatadi.

Batafsil Tushuntirish

Elektr transport vositalarida invertorlar, dvigatel drayverlari va quvvat elektronikasi tizimlari yuqori tok va kuchlanish ostida ishlaydi. Ushbu tizimlarning markazida ko‘pincha IGBT, ya’ni Insulated Gate Bipolar Transistor deb ataluvchi quvvat yarimo‘tkazgichlari mavjud. IGBT modullari elektr energiyasini boshqarishga imkon beradi; ammo bu jarayonda katta miqdorda issiqlik hosil bo‘ladi. Agar bu issiqlik xavfsiz chiqarilmasa, yarimo‘tkazgich birikma harorati oshadi, samaradorlik pasayadi, modulning xizmat muddati qisqaradi va nosozlik xavfi ortadi.

Tadqiqotning boshlang‘ich nuqtasi shu yerda muhim. An’anaviy yondashuvda quvvat elektronikasi sovitgichlari loyihalanganda asosiy maqsad ko‘pincha issiqlik uzatish yuzasini oshirish bo‘lgan. Shu sababli mikrokanallar, pin-fin tuzilmalari, murakkab oqim yo‘llari va turbulentlikni kuchaytiruvchi geometriyalar keng o‘rganilgan. Bunday tuzilmalar issiqlik uzatishni haqiqatdan kuchaytirishi mumkin; biroq ular suyuqlikning o‘tishini qiyinlashtirib, bosim tushishini ham oshiradi. Bosim tushishi ortganda tizim nasosi ko‘proq quvvat sarflaydi. Elektr transport vositasida bu to‘g‘ridan-to‘g‘ri yurish masofasi, energiya sarfi, nasos hajmi, ish bosimi va muhrlash ishonchliligi kabi amaliy masalalarga ta’sir qiladi.

Ushbu tadqiqotning asosiy muammosi aynan issiqlik uzatish–oqim qarshiligi muvozanatidir. Tadqiqotchilar quyidagi savolni beradi: IGBT moduli xavfsiz harorat oralig‘ida ushlab turilgan holda, sovitish kanalidagi bosim tushishini sezilarli darajada kamaytirish mumkinmi? Tadqiqotning ajralib turadigan tomoni shuki, sovitish samaradorligini oshirish uchun oqimni yanada kuchli qarshilikka majbur qilish o‘rniga, sovitish allaqachon yetarli darajaga yetganda gidrodinamik qarshilikni kamaytirish asosiy dizayn maqsadi sifatida olinadi.

Bu yondashuv ayniqsa elektr transport vositalari 800 V va undan yuqori platformalarga o‘tayotgan bugungi kunda muhim. Yuqori kuchlanishli tizimlar yuqori quvvat zichligida ishlaganda IGBT modullarida issiqlik oqimi ortadi. Havo bilan sovitish bunday darajalarda ko‘pincha yetarli bo‘lmaydi; shu sababli suyuqlik bilan sovitiladigan mikrokanal va pin-fin asosidagi issiqlik qabul qilgichlari oldinga chiqadi. Ammo elektr transport vositasida sovitish tizimi faqat laboratoriyada yaxshi sovitadigan detal emas. U nasos, shlanglar, ulanishlar, muhrlash elementlari, ishlab chiqarish xarajati, material sarfi va energiya yo‘qotishlari bilan birga ishlaydigan butun bir quyi tizimdir. Shu sababli bosim tushishini kamaytirish faqat akademik suyuqlik mexanikasi mavzusi emas, balki to‘g‘ridan-to‘g‘ri transport vositasi samaradorligi va ishonchliligi bilan bog‘liq dizayn muammosidir.

Tadqiqotda modellashtirilgan IGBT moduli avtomobil sinfidagi Infineon FS820R08A6P2B quvvat modulining arxitekturasiga o‘xshatilgan. Modulda uch fazali ko‘prik topologiyasi va yarimo‘tkazgich chiplarning uch o‘lchamli bosqichli matritsa joylashuvi hisobga olingan. Har yarim ko‘prik tarmog‘ida uchta IGBT va uchta erkin aylanish diodi bo‘lib, jami oltita yarimo‘tkazgich jufti mavjud; umumiy hisobda 36 chipli tuzilma modellashtirilgan. Bu joylashuv issiqlik manbalarining bir joyga haddan tashqari to‘planishiga yo‘l qo‘ymaslik va chiplararo issiqlik o‘zaro ta’sirini kamaytirishga qaratilgan.

Issiqlikning modul ichidagi yo‘lini tushunish tadqiqot mantiqi uchun juda muhim. Yarimo‘tkazgich birikmalarida hosil bo‘lgan issiqlik avval chipdan lehim qatlamiga, keyin yuqori DBC mis qatlamiga, alumina keramika izolyatsion qatlamiga, pastki DBC mis qatlamiga, DBC lehim qatlamiga va nihoyat pin-fin tagligiga o‘tadi. Shundan keyin issiqlik suyuq sovituvchi tomonidan olib ketiladi. Demak, tizimda ikki asosiy qarshilik mavjud: qattiq qadoqlash qatlamlaridagi issiqlik o‘tkazish qarshiligi va suyuqlik tomonidagi konvektiv qarshilik. Tadqiqotning eng muhim topilmalaridan biri shuki, umumiy issiqlik qarshiligining katta qismi suyuqlik tomonida emas, qattiq qadoqlash qatlamlarida jamlangan.

Shu sababli tadqiqotchilar quyidagi xulosaga keladi: sovituvchi oqim allaqachon yuqori Reynolds soniga ega, kuchli turbulent va konveksiya nuqtayi nazaridan to‘yingan rejimda ishlayotgan bo‘lsa, pin-fin geometriyasini yanada agressiv qilish birikma haroratini juda oz kamaytiradi, lekin bosim yo‘qotishini keskin oshirishi mumkin. Boshqacha aytganda, sovitish tizimi allaqachon “yetarli darajada kuchli havo oqimi oladigan radiator” kabi ishlayotgan bo‘lsa, oqimni yanada ko‘proq urishtirish o‘rniga, uning kamroq energiya yo‘qotib o‘tishini ta’minlash ma’qul bo‘lishi mumkin.

Tadqiqotdagi asosiy geometrik taqqoslash klassik 25 mm doimiy balandlikdagi silindrsimon pin-fin qatori bilan 5 mm dan boshlanib oqim yo‘nalishi bo‘ylab 25 mm gacha oshadigan o‘zgaruvchan balandlikdagi pin-fin qatori o‘rtasida. Bazaviy modelda 272 ta silindrsimon pin-fin bor. Pinlar 21 ta navbatma-navbat qatorda joylashtirilgan; har qatorda 12 yoki 14 pin mavjud. Pin diametri 2 mm, bazaviy modelda barcha pinlar balandligi 25 mm. Taklif qilingan modelda esa kirish tomonida pinlar qisqa; oqim chiqish tomonga borgani sari pin balandligi 1 mm qadam bilan 25 mm gacha oshadi.

Bu dizayn ortidagi g‘oyani kundalik misol bilan shunday tushuntirish mumkin: eshikdan tez kirayotgan odamlar darhol kirish qismida tor to‘siqqa duch kelsa, oqim siqiladi va energiya yo‘qotadi. Ammo kirish qismi ochiqroq qoldirilib, to‘siqlar ichkariga kirgan sari bosqichma-bosqich ko‘paytirilsa, o‘tish tartibliroq bo‘ladi. Tadqiqotdagi 5–25 mm pin-fin tuzilmasi ham sovituvchi suyuqlikka kirishda kengroq erkin o‘tish maydonini beradi. Oqim avval nisbatan oson harakatlanadi, energiyasining bir qismini yo‘qotgach balandroq pinlarga duch keladi. Shu tariqa ham issiqlik uzatish yuzasi saqlanadi, ham kirishdagi keskin bo‘g‘ilish va jet ta’siri kamayadi.

Tadqiqotda ishlatilgan sonli model uch o‘lchamli bog‘langan issiqlik uzatish, ya’ni conjugate heat transfer yondashuviga asoslangan. Bu qattiq jismlar ichidagi issiqlik o‘tkazilishi va suyuqlikdagi oqim/konveksiya hodisalari birgalikda yechilishini anglatadi. Simulyatsiyalar COMSOL Multiphysics muhitida bajarilgan. Modelda oqim turg‘un holatda deb qabul qilingan, barcha qattiq-suyuqlik chegaralarida sirpanmaslik sharti qo‘llangan, tashqi sirtlardan issiqlik yo‘qotilishi e’tiborsiz qoldirilgan, material xususiyatlari o‘zgarmas deb qabul qilingan va chiplardagi hajmiy issiqlik hosil bo‘lishi bir tekis deb faraz qilingan.

Tadqiqotda oqim va issiqlik uzatishni ifodalash uchun uzluksizlik, impuls, energiya va SST k-ω turbulentlik modeli tenglamalari ishlatilgan. O‘quvchi uchun bu tenglamalarning mazmuni quyidagicha: suyuqlik massasi saqlanadi, tezlik va bosim maydoni Nyuton mexanikasiga ko‘ra muvozanatlanadi, harorat maydoni o‘tkazuvchanlik va konveksiya orqali aniqlanadi, turbulentlik esa o‘rtacha oqimdagi tebranishlar ta’sirini hisobga oladigan tarzda modellashtiriladi.

Tadqiqotda berilgan uzluksizlik tenglamasi quyidagicha:

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

Bu yerda \(\rho\) suyuqlik zichligini, \(\mathbf{v}\) esa tezlik vektorini bildiradi. Tenglama siqilmaydigan deb qabul qilingan oqimda bir hududga kiruvchi va undan chiquvchi oqim miqdori muvozanatda ekanini anglatadi. Sodda qilib aytganda, sovituvchi suyuqlik kanal ichida yo‘qolmaydi yoki yo‘qdan paydo bo‘lmaydi; faqat yo‘nalishi, tezligi va bosimi o‘zgaradi.

Impuls tenglamasi quyidagicha berilgan:

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

Bu tenglamada \(p\) bosim, \(\mu\) dinamik qovushoqlik, \(\mu_t\) turbulentlikdan kelib chiqadigan samarali qovushoqlikni anglatadi. Tenglama suyuqlikning tezlanishi bosim farqlari hamda qovushqoq/turbulent qarshiliklar bilan qanday belgilanishini ko‘rsatadi. Pin-fin sovitgichlarda bu ayniqsa muhim; chunki pinlar oqim yo‘liga tushganda oqim tezlashadi, sekinlashadi, ajraladi, girdob hosil qiladi va bu hodisalarning barchasi bosim yo‘qotishini belgilaydi.

Energiya tenglamasi esa quyidagicha:

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

Bu yerda \(c_p\) solishtirma issiqlik sig‘imi, \(T\) harorat, \(k\) issiqlik o‘tkazuvchanligi, \(k_t\) turbulent issiqlik o‘tkazuvchanligi, \(\Phi\) qovushqoq yo‘qotish funksiyasi va \(Q\) hajmiy issiqlik manbaidir. Ushbu tenglama chiplarda hosil bo‘lgan issiqlik qattiq qatlamlar va suyuqlik ichida qanday tashilishini tushuntiradi.

Tadqiqotda Reynolds va Nusselt sonlari yordamida oqimning xususiyati va issiqlik uzatish kuchi baholangan. Umumiy Reynolds soni quyidagicha:

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

Bu yerda \(v_{av}\) kanal kesimidagi o‘rtacha oqim tezligi, \(D_h\) gidravlik diametr yoki xarakterli kanal uzunligi, \(\mu\) esa suyuqlikning dinamik qovushoqligi. Reynolds soni oqim laminar yoki turbulent ekanini tushunishga yordam beradi. Tadqiqotda tanlangan 2,5 m/s kirish tezligida umumiy Reynolds soni taxminan 79.882 deb hisoblangan. Bu qiymat kuchli turbulent oqimni ko‘rsatadi.

Pin diametri bo‘yicha xarakterli Reynolds soni ham quyidagicha aniqlangan:

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

Bu yerda \(v_{max}\) pinlar orasidagi eng yuqori mahalliy tezlik, \(D_{pin}\) pin diametridir. Tadqiqotda \(Re_D = 9726\) deb berilgan. Bu pinlar atrofida sezilarli turbulentlik, ajralish va iz zonalari hosil bo‘lishini ko‘rsatadi.

Nusselt soni esa konveksiya orqali issiqlik uzatishning o‘tkazuvchanlikka nisbatan qanchalik kuchli ekanini bildiradi:

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

Bu yerda \(h_{av}\) o‘rtacha konvektiv issiqlik uzatish koeffitsienti, \(k\) suyuqlikning issiqlik o‘tkazuvchanligidir. Nusselt soni katta bo‘lsa, suyuqlikning sirtdan issiqlik olish qobiliyati ham yuqori bo‘ladi. Tadqiqotda umumiy Nusselt soni 139, pin diametri bo‘yicha xarakterli Nusselt soni esa 206,8 deb berilgan. Bu qiymatlar sovituvchi suyuqlik tomonida konveksiya allaqachon kuchli ekanini qo‘llab-quvvatlaydi.

Modelda ishlatilgan sovituvchi suyuqlik 50% suv-etilen glikol aralashmasidir. Bu aralashma avtomobil sovitish tizimlarida keng ishlatiladi; chunki suv yaxshi issiqlik tashish xususiyatiga ega, etilen glikol esa muzlash nuqtasi va ekspluatatsion xavfsizlik nuqtayi nazaridan tizimga afzallik beradi. Tadqiqotda suyuqlik kirish harorati 65°C, kirish tezligi 2,5 m/s sifatida olingan. Sovituvchining zichligi 1048,83 kg/m³, dinamik qovushoqligi 0,00129 Pa·s, issiqlik o‘tkazuvchanligi 0,406 W/(m·K) va solishtirma issiqlik sig‘imi 3454 J/(kg·K) deb ishlatilgan.

Chiplardagi issiqlik hosil bo‘lishi ham real quvvat elektronikasidagi yukni ifodalovchi tarzda belgilangan. Har bir IGBT chipiga 140 W, har bir diod chipiga 34 W issiqlik yuki berilgan. Bu qiymatlar tadqiqot faqat abstrakt kanal geometriyasini emas, balki avtomobil sinfidagi quvvat modulini ko‘zda tutganini ko‘rsatadi.

Sonli tadqiqotlarda eng muhim masalalardan biri mesh mustaqilligidir. Agar natijalar ishlatilgan hisoblash to‘ri o‘zgarganda sezilarli o‘zgarsa, olingan harorat va bosim qiymatlari ishonchli bo‘lmasligi mumkin. Shu sababli 25 mm doimiy balandlikdagi bazaviy model va 5–25 mm bosqichli model uchun mesh mustaqilligi testi o‘tkazilgan. Baholash mezonlari maksimal birikma harorati va umumiy bosim tushishidir. Oxirgi ikki mesh zichligi orasidagi farqlar 25 mm modelda birikma harorati uchun %0,13, bosim tushishi uchun %0,71; 5–25 mm modelda esa harorat uchun %0,024, bosim tushishi uchun %1,26 bo‘lgan. Ushbu qiymatlar %5 muhandislik tolerantligidan past bo‘lgani uchun, mesh tanlovi natijalarga haddan tashqari ta’sir qilmagan.

Mesh yaqinlashishini baholashda ishlatilgan nisbiy xato formulasi quyidagicha berilgan:

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

Bu yerda \(\varepsilon_r\) nisbiy xato, \(\Phi_1\) oldingi mesh natijasidagi qiymat, \(\Phi_2\) keyingi mesh natijasidagi qiymat. Formula mesh zichlashtirilganda natija necha foizga o‘zgarganini ko‘rsatadi.

Modelni tekshirish faqat mesh testi bilan cheklanmagan. Tadqiqotchilar analitik issiqlik qarshiligi hisoblari bilan CFD natijasini taqqoslagan. Qattiq qatlamlar uchun 45° issiqlik tarqalish burchagi qabul qilinib, umumiy qattiq jism issiqlik qarshiligi 0,1594 K/W deb hisoblangan. Suyuqlik tomoni issiqlik qarshiligi esa Zukauskas korrelyatsiyasi bilan 0,0096 K/W topilgan. Bu qiymatlar juda muhim; chunki qattiq tomon issiqlik qarshiligi suyuqlik tomoniga qaraganda ancha katta. Boshqacha aytganda, tizimdagi asosiy harorat cheklovchi omil pin-fin kanalidagi suyuqlik emas, yarimo‘tkazgich chipdan sovituvchigacha bo‘lgan qadoqlash qatlamlaridir.

Analitik hisob o‘rtacha birikma haroratini 105,22°C deb taxmin qilgan, CFD natijasi esa 109,44°C bo‘lgan. Farq %3,86 sifatida bildirilgan. Bundan tashqari termal impedans matritsasi usuli bilan tekshirishda xato %2,71 topilgan. Bu natijalar simulyatsiyaning o‘z farazlari ichida muhandislik jihatidan izchil ekanini ko‘rsatadi. Ammo bu tekshiruv tadqiqot jismoniy prototip bilan tajribaviy sinovdan o‘tkazilgan degani emas; tadqiqot asosan sonli simulyatsiyaga asoslangan.

Harorat maydonlari ko‘rib chiqilganda issiqlik to‘planishi asosan chiplarning darhol ostidagi qattiq qadoqlash qatlamlarida jamlangani ko‘rinadi. Issiqlik oqimi vektorlari issiqlik faqat vertikal ravishda pastga tushmay, qatlamlar ichida yon tomonga ham tarqalishini ko‘rsatadi. Tadqiqotda bu tarqalish taxminan 45° issiqlik tarqalishi mantig‘i bilan baholangan. Bu issiqlik manbai kichik chip maydonlarida jamlangani sababli pastki qatlamlarning hammasi bir xil darajada ishlatilmasligini anglatadi.

Bu topilma tadqiqotning dizayn falsafasini bevosita qo‘llab-quvvatlaydi. Agar haroratni belgilovchi asosiy tiqilish suyuqlik tomonida emas, qattiq qadoqlash tomonida bo‘lsa, suyuqlik tomoni konveksiyasini yanada oshirish birikma haroratiga faqat cheklangan ta’sir qiladi. Buning o‘rniga suyuqlik duch keladigan qarshilik nasos quvvati va energiya yo‘qotishiga ancha katta ta’sir ko‘rsatishi mumkin. Shu sababli tadqiqot “murakkabroq va qarshiligi yuqoriroq sovitgich” o‘rniga “yetarli sovitishni saqlaydigan, ammo bosim yo‘qotishi pastroq sovitgich” g‘oyasini ilgari suradi.

Tadqiqotchilar kirish tezligini tanlash uchun Pareto ko‘p maqsadli optimallashtirish va TOPSIS usulidan foydalangan. Uchta maqsad birgalikda baholangan: maksimal IGBT birikma haroratini kamaytirish, maksimal diod haroratini kamaytirish va bosim tushishini kamaytirish. Og‘irliklar IGBT harorati uchun 0,35, diod harorati uchun 0,35, bosim tushishi uchun 0,30 deb berilgan. Natijada optimal kirish tezligi 2,44 m/s topilgan va amaliy qulaylik hamda keyingi tahlillar uchun 2,5 m/s ga yaxlitlangan.

Bu yerda muhim narsa shuki, tezlik oshgani sari harorat odatda kamayadi, ammo bosim yo‘qotishi va nasos energiyasi ortadi. Oqim tezligini uzluksiz oshirish uyda ventilyatorni doimo eng yuqori tezlikda ishlatishga o‘xshaydi: dastlab yaxshiroq sovitadi, ammo ma’lum nuqtadan keyin shovqin, energiya sarfi va mexanik yuk ortadi, haroratdagi yaxshilanish esa cheklanadi. Tadqiqotdagi optimallashtirish aynan shu muvozanat nuqtasini topishga qaratilgan.

Beshta turli pin-fin balandlik taqsimoti solishtirilganda maksimal birikma harorati 121°C bilan 126°C oralig‘idagi tor diapazonda qolgan. Bu atigi taxminan %4,6 o‘zgarishga teng. Bunga qarshi bosim tushishi geometriyaga ancha sezgir. Eng yuqori bosim tushishi 33,15 kPa bilan 25-22-25 mm balandligi tebranuvchi modelda kuzatilgan, 5–25 mm oshib boruvchi bosqichli modelda esa bosim tushishi 11,53 kPa gacha tushgan. Ushbu ikki chekka model orasida bosim tushishining kamayishi %64,14 deb bildirilgan.

Eng amaliy taqqoslash 25 mm doimiy balandlikdagi bazaviy model bilan qilingan. Bazaviy modelda maksimal birikma harorati taxminan 125,97°C, bosim tushishi 22,51 kPa. 5–25 mm modelda maksimal birikma harorati 126,64°C bo‘lib, 150°C xavfsiz chegaradan pastda qoladi; bosim tushishi esa 11,53 kPa gacha kamayadi. Demak, haroratda juda kichik o‘sish bo‘lgan holda bosim yo‘qotishida taxminan %48,80 kamayish olinadi.

Oqim mexanizmi nuqtayi nazaridan tadqiqotning eng qimmatli qismlaridan biri turli pin-fin qatorlari nega turli bosim tushishlarini hosil qilishini tushuntiradi. 25-22-25 mm tebranuvchi balandlik qatorida kirish sohasida jiddiy tiqilish yuzaga keladi. Pin balandligining doimo o‘zgarishi oqimda tezlanish-sekinlashish sikllari, turbulent aralashish va kuchli energiya yo‘qotishiga olib keladi. Bu qator issiqlik uzatishni kuchaytirishi mumkin, ammo suyuqlikni nasos bilan itarish ancha qiyinlashadi.

25 mm doimiy balandlikdagi modelda ham pinlar butun kanal bo‘ylab baland bo‘lgani uchun oqim tor bo‘shliqlardan o‘tishga majbur. Pinlar orasidagi mahalliy tezliklar 3 m/s dan oshishi mumkinligi bildirilgan. Bu jet bo‘g‘ilishi, ya’ni jet throttling ta’sirini yuzaga keltiradi. Oqim pinlar ortida iz zonalari va ajralgan chegaraviy qatlamlar hosil qiladi. Ushbu iz zonalari suyuqlik energiyasining issiqlik va turbulent yo‘qotishlarga aylanishiga olib keladi.

25-5-25 mm V shaklidagi qator kirishdagi baland pinlar tufayli yana sezilarli kirish tiqilishini hosil qiladi. Kanalning o‘rta qismida pin balandligi pasayganda oqim uchun yengillik zonasi paydo bo‘ladi; ammo chiqish tomonga pin balandligi yana ortganda oqim yuqori qarshilikka duch keladi. Shu sababli bosim tushishi doimiy 25 mm modelga nisbatan ayrim jihatdan yaxshilansa-da, eng past qarshilik bu dizaynda olinmaydi.

5–25 mm oshib boruvchi bosqichli modelda esa kirish qismida qisqa pinlar mavjud. Bu qisqa pinlar oqimga keng erkin o‘tish maydonini beradi. Natijada oqim kanalga keskin bo‘g‘ilmasdan kiradi. Oqim oldinga siljigan sari pin balandligi ortadi; bu chiqish tomonida ham yetarli issiqlik uzatish yuzasi saqlanishiga imkon beradi. Bundan tashqari past tezlikdagi aylanma zonalar yuqori tezlikdagi asosiy oqimning pinlarga to‘g‘ridan-to‘g‘ri urilishini qisman to‘suvchi oqim qobig‘i kabi ishlaydi. Tadqiqotda bu ta’sir o‘tkir silindrsimon jismlarning oqimga nisbatan aerodinamikroq bo‘lishiga o‘xshatib talqin qilingan.

Bu mexanizm bosim yo‘qotishi faqat “pinlar soni” yoki “umumiy sirt maydoni” masalasi emasligini ko‘rsatadi. Bir xil material va o‘xshash yuzalarni boshqa balandlik taqsimotida joylashtirish suyuqlik qayerda tezlashishi, qayerda ajralishi, qayerda girdob hosil qilishi va qayerda energiya yo‘qotishini keskin o‘zgartirishi mumkin. Tadqiqotning muhandislik hissasi ham shu yerda: sovitgichni faqat harorat bo‘yicha emas, oqim maydonidagi energiya yo‘qotishi bo‘yicha ham optimallashtiradi.

Tadqiqotda issiqlik qarshiligi va oqim qarshiligi o‘rtasidagi bog‘lanish ham o‘rganilgan. Umumiy tendensiya aniq: oqim qarshiligi kamayganda issiqlik qarshiligida kichik o‘sish bo‘lishi mumkin. Ammo bu o‘sish birikma haroratiga cheklangan ta’sir qiladi; chunki suyuqlik tomoni issiqlik qarshiligi umumiy issiqlik qarshiligi byudjetining juda kichik qismini tashkil qiladi. Tadqiqotda oqim qarshiligining umumiy issiqlik qarshiligidagi ulushi %1 dan kam ekani aytilgan. Shu sababli issiqlik uzatishda kichik yo‘qotishni qabul qilib, bosim tushishida katta yutuq olish muhandislik jihatidan mantiqli bo‘ladi.

Nasos quvvati hisobi ham tadqiqotning amaliy ahamiyatini kuchaytiradi. Tadqiqotda nasos quvvati uchun quyidagi bog‘lanish berilgan:

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

Bu yerda \(W_p\) nasos quvvati, \(\Delta P\) bosim tushishi, \(Q\) hajmiy sarf, \(\eta\) esa nasos samaradorligini bildiradi. Tadqiqotda nasos samaradorligi 0,68 deb olingan. Formula bosim tushishi oshgan sari bir xil sarfni ushlab turish uchun nasos ko‘proq quvvat sarflashi kerakligini ko‘rsatadi.

Bu bog‘lanishga ko‘ra 25 mm doimiy balandlikdagi eski tuzilma taxminan 190 W nasos quvvatini talab qilgan, 5–25 mm tuzilma esa taxminan 97 W. Farq 93 W deb bildirilgan. Bitta modul uchun ham bu muhim; transport vositasida bir nechta quvvat moduli bo‘lganda tizim darajasidagi energiya tejash yanada mazmunli bo‘lishi mumkin. Elektr transport vositasida bunday tejash batareyadan yordamchi tizimlarga ketadigan quvvatni kamaytirib, umumiy energiya samaradorligiga hissa qo‘shishi mumkin.

Tadqiqotning material va xarajat tomoni ham bor. 5–25 mm o‘zgaruvchan balandlikdagi tuzilma keraksiz pin balandligini kamaytirib, mis sarfini taxminan %40 kamaytiradi. Har bir issiqlik qabul qilgich uchun hajm kamayishi 8545 mm³ deb berilgan. Tadqiqotchilar buni katta miqyosdagi elektr transport ishlab chiqarishi uchun hisoblaganda, to‘rtta IGBT moduliga ega 16,626 million elektr transport vositasi farazi bilan 568,29 m³, ya’ni taxminan 5091,84 tonna yuqori sifatli misni tejash salohiyatini hisoblagan. Joriy bozor qiymatlari asosida bu yiliga taxminan 78,47 million dollar material tejalishiga teng bo‘lishi mumkinligi aytilgan.

Ushbu iqtisodiy baholash ehtiyotkor o‘qilishi kerak. Tadqiqot bu qiymatlarni ishlab chiqarish ko‘lami farazlari bilan hisoblaydi; haqiqiy tejash transport arxitekturasi, modul soni, ishlab chiqarish usuli, mis narxi, dizayn standarti, sifat nazorati va ta’minot zanjiri sharoitlariga qarab farq qilishi mumkin. Ammo asosiy xabar aniq: sovitgich geometriyasini optimallashtirish faqat harorat yoki bosim qiymati bilan cheklanmaydi; material sarfi, nasos quvvati va tizim xarajatiga ham ta’sir qiladi.

Tarixiy nuqtayi nazardan quvvat elektronikasi sovitishi uzoq vaqt ko‘proq sirt maydoni va yuqoriroq konvektiv issiqlik uzatish koeffitsientiga qaratilgan. Bu pastroq quvvat zichliklari va havo sovitish yetarli bo‘lgan davrlarda tushunarli edi. Bugun esa elektr transport vositalarida yuqori quvvat, ixcham qadoqlash va yuqori ishonchlilik bir vaqtning o‘zida talab qilinadi. Shu sababli faqat sovitish quvvati emas, sovitish tizimining energiya narxi ham dizayn markaziga kiradi.

Kelajak nuqtayi nazaridan ushbu tadqiqot elektr transport vositalari quvvat elektronikasida yanada aqlli sovitgich geometriyalari yo‘lini ko‘rsatadi. Keyingi bosqichda bunday o‘zgaruvchan balandlikdagi pin-fin tuzilmalarini tajribaviy prototiplar bilan sinash, vibratsiya va termal sikllar ostida chidamliligini o‘rganish, turli suyuqlik va kirish haroratlarida tekshirish, ishlab chiqarish imkoniyati va xarajat tahlillarini haqiqiy sanoat jarayonlari bilan tasdiqlash kerak. Bundan tashqari IGBT o‘rniga SiC MOSFET kabi yangi avlod quvvat yarimo‘tkazgichlarda ham shu dizayn mantig‘i amal qilishi yoki qilmasligi o‘rganilishi mumkin.

Kundalik hayotga ta’siri bilvosita, ammo muhim. Elektr transport foydalanuvchilari uchun sovitish tizimi odatda ko‘rinmaydigan infratuzilmadir; ammo yurish masofasi, ishonchlilik, nosozlik darajasi, texnik xizmat xarajati va transport samaradorligi shu infratuzilmaga bog‘liq. Pastroq nasos quvvati batareyadagi energiyaning kattaroq qismi harakatga sarflanishi mumkinligini anglatadi. Pastroq bosim muhrlash elementlari yukini kamaytirishi mumkin. Kamroq mis ishlatish ishlab chiqarish xarajati va resurs sarfi nuqtayi nazaridan ekologik hamda iqtisodiy foyda berishi mumkin. Tadqiqotning ahamiyati ko‘zga ko‘rinmaydigan muhandislik detali transport vositasi darajasida qanday mazmunli natijalarga aylanishini ko‘rsatishidadir.

Tadqiqotning kuchli tomonlari qatoriga haqiqiy avtomobil IGBT moduliga o‘xshatilgan geometriyaning ishlatilishi, uch o‘lchamli bog‘langan issiqlik uzatish simulyatsiyasi, mesh mustaqillik testi, analitik issiqlik qarshiligi modeli bilan tasdiqlash, faqat harorat emas, bosim tushishi va nasos quvvatining ham baholanishi kiradi. Bundan tashqari tadqiqot jet bo‘g‘ilishi, iz zonasi, kirish tiqilishi, global tiqilish va past tezlikli oqim qobig‘i kabi mexanizmlarni tushuntirib, faqat natijalarni emas, ularning nima sababdan yuzaga kelishini ham talqin qiladi.

Biroq cheklovlar ham aniq. Tadqiqot ekspertlar taqrizidan o‘tmagan preprintdir. Natijalar CFD simulyatsiyalariga asoslangan; matnda jismoniy prototipdagi tajribaviy tasdiqlash yo‘q. Simulyatsiya turg‘un holat farazi bilan bajarilgan; haqiqiy transport vositasida tezlanish, sekinlashish, tashqi harorat o‘zgarishi, vibratsiya, sovituvchi suyuqlikning qarishi, nasos boshqaruv strategiyasi va o‘tkinchi issiqlik yuklari yuzaga kelishi mumkin. Material xususiyatlari o‘zgarmas deb qabul qilingan; aslida ular harorat bilan o‘zgarishi mumkin. Tashqi sirtlardan issiqlik yo‘qotilishi e’tiborsiz qoldirilgan. Bundan tashqari 5–25 mm tuzilmaning ishlab chiqarish tolerantliklari, ifloslanish/tiqilish xatti-harakati, uzoq muddatli ishonchliligi va avtomobil seriyali ishlab chiqarishga integratsiyasi tajribaviy ravishda alohida o‘rganilishi kerak.

Tadqiqotning aytgan narsasi shuki: belgilangan simulyatsiya sharoitlarida 5–25 mm oshib boruvchi bosqichli pin-fin tuzilmasi IGBT birikma haroratini xavfsiz chegaradan pastda ushlab, bosim tushishini sezilarli kamaytiradi. Tadqiqotning aytmagan narsasi esa shuki: bu dizayn har bir elektr transport vositasida, har bir IGBT modulida, har bir suyuqlik va ish sharoitida aynan bir xil muvaffaqiyat ko‘rsatishi isbotlangan emas. Shuningdek, tadqiqot tijoriy qo‘llash, dala chidamliligi yoki ishlab chiqarish muvaffaqiyati uchun kafolat bermaydi. Shu sababli natijalar muhim muhandislik yo‘nalishi sifatida ko‘rilishi, ammo yakuniy sanoat qarorlari uchun tajribaviy va dala miqyosidagi tasdiqlar bilan qo‘llab-quvvatlanishi kerak.

Tadqiqot Usuli va Topilmalari

Tadqiqot usuli yuqori quvvatli avtomobil IGBT modulining suyuqlik bilan sovitish tuzilmasini uch o‘lchamli CFD va bog‘langan issiqlik uzatish simulyatsiyalari bilan o‘rganishga asoslangan. Qattiq qadoqlash qatlamlari, yarimo‘tkazgich chiplar, lehim qatlamlari, DBC qatlamlari, keramika izolyatsion qatlami, pin-fin tagligi va suyuq sovituvchi hududi birgalikda modellashtirilgan.

Model geometriyasi va material tuzilishi:

• Model avtomobil sinfidagi Infineon FS820R08A6P2B IGBT modul arxitekturasiga o‘xshatilgan.
• Uch fazali ko‘prik topologiyasi va bosqichli chip joylashuvi hisobga olingan.
• Jami 36 yarimo‘tkazgich chip modellashtirilgan.
• Qatlamlar chip, chip lehimi, yuqori DBC mis qatlami, Al₂O₃ izolyatsion qatlam, pastki DBC mis qatlami, DBC lehim qatlami, pin-fin tagligi va issiqlik qabul qilgich tuzilmasidan iborat.
• Pin-fin tuzilmalari mis, issiqlik qabul qilgich korpusi esa alyuminiy qotishmasi sifatida baholangan.

Asosiy pin-fin konfiguratsiyalari:

Chegaraviy shartlar va ish parametrlari:

• Har bir IGBT chipi uchun issiqlik yuki: 140 W.
• Har bir diod chipi uchun issiqlik yuki: 34 W.
• Sovituvchi suyuqlik: %50 suv-etilen glikol aralashmasi.
• Kirish harorati: 65°C.
• Kirish tezligi: 2,5 m/s.
• Chiqish chegaraviy sharti: 0 Pa manometrik bosim.
• Tashqi sirtlar: adiabatik, ya’ni tashqariga issiqlik yo‘qotilishi yo‘q deb qabul qilingan.
• Oqim va issiqlik uzatish: turg‘un holat sifatida modellashtirilgan.

Qo‘llangan asosiy tenglamalar:

Oqim massasining saqlanishi uchun uzluksizlik tenglamasi:

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

Suyuqlik impuls muvozanati:

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

Issiqlik konveksiyasi va o‘tkazuvchanligi uchun energiya tenglamasi:

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

Oqim rejimini baholash uchun Reynolds soni:

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

Pin diametri bo‘yicha xarakterli Reynolds soni:

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

Konveksiya kuchini baholash uchun Nusselt soni:

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

Zukauskas korrelyatsiyasiga asoslangan xarakterli Nusselt bog‘lanishi tadqiqotda quyidagicha berilgan:

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

Bu yerda \(Pr\) Prandtl soni bo‘lib, impuls diffuziyasi bilan issiqlik diffuziyasi nisbatini ifodalaydi. \(C\) va \(m\) empirik koeffitsientlar. \(Pr_\omega\) devor harorati sharoitidagi Prandtl soni sifatida baholanadi.

Mesh mustaqilligi uchun nisbiy xato tenglamasi:

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

Nasos quvvatini hisoblash uchun:

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

Bu yerda \(W_p\) nasos quvvati, \(\Delta P\) bosim tushishi, \(Q\) hajmiy sarf, \(\eta\) nasos samaradorligi. Tadqiqotda \(\eta = 0,68\) deb olingan.

Muhim sonli topilmalar:

Boshqa asosiy natijalar:

• Turli pin-fin balandlik taqsimotlarida maksimal birikma harorati 121–126°C diapazonda qolgan.
• Harorat o‘zgarishi atigi taxminan %4,6.
• Bosim tushishi esa geometriyaga ancha sezgir.
• 25-22-25 mm tebranuvchi tuzilma 33,15 kPa bilan eng yuqori bosim tushishini bergan.
• 5–25 mm oshib boruvchi bosqichli tuzilma 11,53 kPa bilan eng past bosim tushishini bergan.
• 25-22-25 mm tuzilmadan 5–25 mm tuzilmaga o‘tishda bosim tushishi %64,14 ga kamaygan.
• 25 mm doimiy balandlikdagi modelga nisbatan 5–25 mm tuzilmaning bosim tushishi %48,80 ga kamaygan.
• Qattiq qadoqlash issiqlik qarshiligi 0,1594 K/W, suyuqlik tomoni issiqlik qarshiligi 0,0096 K/W deb hisoblangan.
• Bu farq asosiy issiqlik tiqilishi suyuqlik tomonida emas, qattiq qadoqlash qatlamlarida ekanini ko‘rsatadi.
• Analitik o‘rtacha birikma harorati 105,22°C, CFD natijasi 109,44°C, nisbiy farq %3,86.
• Termal impedans matritsasi bilan qo‘shimcha tekshiruvda xato %2,71.

Shakl va grafiklarning texnik mazmuni:

• IGBT modul va chip joylashuvi tasviri tadqiqot haqiqiy avtomobil modul arxitekturasiga yaqin tuzilmani asos qilganini ko‘rsatadi. Chiplarning bosqichli joylashuvi issiqlik manbalarining bir nuqtada to‘planishini kamaytirishga qaratilgan.
• Issiqlik tarqalish yo‘li sxemasi issiqlik chipdan suyuq sovituvchigacha ko‘plab qattiq qatlamlardan o‘tishini ko‘rsatadi. Bu qattiq qadoqlash qarshiligi nega muhimligini tushunish uchun kerak.
• 25 mm va 5–25 mm pin-fin sxemalari an’anaviy doimiy balandlikdagi tuzilma bilan taklif qilingan oshib boruvchi bosqichli tuzilma farqini ko‘rsatadi.
• Mesh mustaqillik grafiklari to‘r zichligi oshgan sari maksimal birikma harorati va bosim tushishi natijalari barqarorlashishini ko‘rsatadi.
• Issiqlik maydoni va issiqlik oqimi tasvirlari harorat to‘planishi chip ostidagi qatlamlarda jamlanishini va issiqlik yon tomonlarga tarqalishini ko‘rsatadi.
• Pareto-TOPSIS grafigi 2,44 m/s tezlik harorat va bosim tushishi o‘rtasida eng mos muvozanat berishini ko‘rsatadi.
• Pin-fin modellarini taqqoslash grafigi harorat farqlari kichik, bosim tushishi farqlari esa juda katta ekanini ko‘rsatadi.
• Bosim taqsimoti tasvirlari kirish tiqilishi va pin balandligi taqsimoti bosim yo‘qotishini qanday belgilashini ko‘rsatadi.
• Tezlik chiziqlari va oqim maydoni tasvirlari jet bo‘g‘ilishi, iz zonasi, turbulentlik, past tezlikli aylanma zonalar va oqim qobig‘i mexanizmlarini tushuntirish uchun ishlatilgan.
• Issiqlik qarshiligi–oqim qarshiligi grafigi past bosim yo‘qotishi evaziga yuzaga keladigan kichik issiqlik qarshiligi ortishining birikma haroratiga ta’siri cheklanganini ko‘rsatadi.

Tadqiqotning texnik xulosasi: 5–25 mm oshib boruvchi bosqichli pin-fin tuzilmasi sovitish xavfsizligini buzmaydigan darajada issiqlik uzatish yuzasini saqlagan holda, suyuqlikning kirishda duch keladigan keskin tiqilishini kamaytiradi. Natijada birikma harorati 150°C chegarasidan pastda qoladi va bosim tushishi hamda nasos quvvati sezilarli kamayadi.

Manba va Usul Eslatmasi

Ushbu maqola Sirui Lu, Chenhao Tan, ZeYu Zhang, Xianjin Yi, Tianyu Ma va Feng Wang tomonidan tayyorlangan “A Study on Pressure Drop Optimization in High-Power IGBT Liquid-Cooling Systems Using Variable-Height Pin-fin Structures” nomli tadqiqotga asoslangan. Tadqiqot yuqori quvvatli avtomobil IGBT modullarida suyuqlik bilan sovitish tizimlarini bosim tushishi va nasos quvvati bo‘yicha optimallashtirishni o‘rganadi.

Manba turi SSRNda ochiq e’lon qilingan preprint tadqiqot maqolasidir. Matnda aniq “This preprint research paper has not been peer reviewed” iborasi mavjud bo‘lgani uchun tadqiqot ekspertlar taqrizidan o‘tmagan. Shu sababli natijalar ilmiy va muhandislik nuqtayi nazaridan qimmatli simulyatsiya tadqiqoti sifatida o‘qilishi kerak, ammo taqrizlangan nashr, tajribaviy prototip tasdig‘i yoki dala qo‘llanishi dalili sifatida baholanmasligi kerak.

Mazmun tadqiqotda taqdim etilgan model, farazlar, formulalar, grafiklar, jadvallar va sonli natijalarga asoslangan. PDFda bo‘lmagan tijoriy muvaffaqiyat, dala muvaffaqiyati, uzoq muddatli ishonchlilik, ishlab chiqarish kafolati, xavfsizlik kafolati yoki har bir transport vositasida aynan bir xil samaradorlik olinishi kabi da’volar qo‘shilmagan.

Tadqiqot asosan CFD simulyatsiyasi va analitik issiqlik qarshiligi bilan tasdiqlashga asoslangan. Matnda jismoniy prototipda o‘tkazilgan tajribaviy sinovlar yo‘q. Shu sababli taklif qilingan 5–25 mm o‘zgaruvchan balandlikdagi pin-fin tuzilmasi haqiqiy transport sharoitida, uzoq muddatli termal sikllarda, vibratsiyada, turli sovituvchi aralashmalarda, turli nasos boshqaruvlarida va seriyali ishlab chiqarish sharoitlarida alohida sinovdan o‘tkazilishi kerak.

Ushbu tadqiqot elektr transport vositalari quvvat elektronikasini sovitishda muhim dizayn xabarini beradi: yuqori turbulent sharoitda suyuqlik tomonidagi issiqlik uzatish allaqachon to‘yinishga yaqinlashgan bo‘lsa, murakkabroq va qarshiligi yuqoriroq geometriyalar o‘rniga bosim tushishini kamaytiradigan oqimga qulay geometriyalar samaraliroq bo‘lishi mumkin. Ammo bu natija tadqiqotda belgilangan geometriya, chegaraviy shartlar va simulyatsiya farazlari doirasida amal qiladi.