Оптимизация конструкции охладителя для полупроводниковых приборов. Расчет и построение тепловых характеристик охладителя для естественного и принудительного воздушного охлаждения радиатора. Исходные данные, параметры и тепловой режим работы охладителя.
В справочных пособиях по полупроводниковым приборам и охладителям для них тепловые характеристики охладителей приводятся крайне редко. Как правило, рекомендуется лишь тип охладителя без указания вида охлаждения, расположения охладителя, скорости и направления движения охлаждающей среды и других факторов, влияющих на теплоотдачу от охладителя. При единичном изготовлении преобразователей, характерном при проведении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и ремонтно-наладочных работ, когда охладитель изготавливается самостоятельно, либо выбирается из имеющихся на складе, только расчет тепловой характеристики охладителя позволит определить правильность его выбора. Кроме того, здесь присутствует тепловое излучение, для повышения эффективности которого, должны быть созданы надлежащие условия путем специальной обработки теплоотдающих поверхностей полупроводникового прибора и охладителя (окраска, создание шероховатости, чернение). В преобразователях полупроводниковых подстанций специальной формой и размещением охладителей обеспечивают равномерность условий охлаждения силовых полупроводниковых приборов.Отвод тепла при естественном воздушном охлаждении происходит при низких значениях коэффициентов теплоотдачи, , поэтому охладители выполняются с развитой поверхностью охлаждения, а их поверхность окрашивается с целью повышения степени черноты и увеличения теплоотдачи лучеиспускании. , (3.1) где - мощность, передаваемая в окружающую среду i-ой поверхностью; и - коэффициенты теплоотдачи конъюнкцией и излучением i-ой поверхности; - температура поверхности охладителя; - температура окружающей среды i-ой поверхности; - площадь поверхности теплоотдачи i-ой поверхности. Рассмотрим две температуры: первая - это температура окружающей среды для поверхностей охладителя, обращенных к ней непосредственно; вторая - температура в пространстве между ребрами охлаждения , которая будет выше температуры , за счет ухудшения теплоотдачи с внутренних поверхностей ребер охлаждения. Таким образом, две и более поверхности охлаждения имеют одинаковые условия теплообмена с окружающей средой, а, следовательно, и одинаковые расчетные критериальные уравнения и коэффициенты теплоотдачи, если у них один и тот же характерный геометрический размер и одна и та же температура окружающей среды (или ). , (3.10) где - критерий Прандтля охлаждающей среды, взятый при температуре поверхности охладителя ; - коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине L трубы или канала, значения которого приведены в таблице 3.3.При этом все поверхности охлаждения сводим к тем, наиболее часто встречающимся при тепловом расчете охладителей частным случаем, для которых известны критериальные уравнения теплоотдачи с окружающей средой: теплоотдача при вынужденном движении охлаждающей среды вдоль плоской или цилиндрической поверхности; теплоотдача при вынужденном движении охлаждающей среды в трубках или каналах; теплоотдача при поперечном обтекании тел различной формы. Поверхность с характерным геометрическим размером D, вдоль которого движется охлаждающая среда со скоростью Поверхность с каналом, имеющим геометрические размеры h1, b1, в котором протекает охлаждающая среда со скоростью ? Поверхность с каналом, имеющим геометрические размеры h2, b2, в котором протекает охлаждающая среда со скоростью ? 5.5 Рассчитываем коэффициент теплоотдачи с поверхности тепловая характеристика охладитель радиатор где - гидравлический диаметр канала с расстоянием между ребрами охлаждения b1; - площадь поперечного сечения канала; - периметр поперечного сечения канала.Наименее эффективным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение.
План
Содержание
1. Техническое задание
2. Введение
3. Теоретические сведения
5. Расчет тепловой характеристики охладителя при принудительном воздушном охлаждении
Заключение
Список использованной литературы
1. Техническое задание
Введение
Оптимизация конструкции охладителя для полупроводниковых приборов невозможна без расчета его тепловой характеристики, которая определяет тепловую мощность, отдаваемую с поверхности охладителя и ее зависимость от превышения температуры нагрева охладителя над температурой окружающей среды. Знание тепловой характеристики позволяет правильно выбрать охладитель для полупроводникового прибора, обеспечив тем самым как нормальный тепловой режим работы полупроводникового прибора, так и надежность работы преобразователя в целом.
В справочных пособиях по полупроводниковым приборам и охладителям для них тепловые характеристики охладителей приводятся крайне редко. Как правило, рекомендуется лишь тип охладителя без указания вида охлаждения, расположения охладителя, скорости и направления движения охлаждающей среды и других факторов, влияющих на теплоотдачу от охладителя. При единичном изготовлении преобразователей, характерном при проведении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и ремонтно-наладочных работ, когда охладитель изготавливается самостоятельно, либо выбирается из имеющихся на складе, только расчет тепловой характеристики охладителя позволит определить правильность его выбора.
Самым простым и надежным, однако, наименее эффективным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение. Охлаждаемые элементы находятся при этом в относительно свободном потоке воздуха, который движется вдоль них лишь под действием разности плотности теплого и холодного воздуха. Кроме того, здесь присутствует тепловое излучение, для повышения эффективности которого, должны быть созданы надлежащие условия путем специальной обработки теплоотдающих поверхностей полупроводникового прибора и охладителя (окраска, создание шероховатости, чернение). Охладители для естественного охлаждения силовых полупроводниковых приборов должны иметь большую поверхность охлаждения и создавать "эффект трубы". В преобразователях малой мощности с естественным воздушным охлаждением часто используются охладители с желобчатыми ребрами. Желобки на ребрах существенно увеличивают поверхность охлаждения и, следовательно, снижают перегрев полупроводникового прибора. В преобразователях полупроводниковых подстанций специальной формой и размещением охладителей обеспечивают равномерность условий охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Поэтому все полупроводниковые приборы работают в одинаковом тепловом режиме, что позволяет исключить необходимость уменьшения мощности преобразователя с учетом допустимой нагрузки самого горячего прибора.
Наиболее распространенным способом охлаждения силовых полупроводниковых приборов является принудительное воздушное охлаждение. При этом прибор отдает свое тепло в охладитель, обдуваемый потоком воздуха, создаваемым вентилятором. Главную роль здесь играет конвекция, поэтому ролью теплового излучения и теплопроводности в отдаче тепла из охладителя в поток воздуха можно пренебречь. Охладитель для принудительного воздушного охлаждения представляет собой металлическое тело со сложной поверхностью большой площади. Увеличение площади достигается за счет использования ребер, отверстий, желобков. Материал охладителя должен иметь как можно большую теплопроводность. Современные охладители пригодны, как правило, и для естественного и для принудительного охлаждения. В настоящее время во всем мире чаще всего используются охладители, изготовленные из чистого алюминия или алюминия с противокоррозионными присадками методом экструзии.
Эффективность охладителей силовых полупроводниковых приборов можно увеличить переводом ламинарного движения воздуха между ребрами на турбулентное. В случае литых охладителей ребра можно выполнить так, чтобы на них были различные выступы и углубления, расположенные поперек движения воздуха, что обеспечивает турбулентность и улучшает отдачу тепла из охладителя в охлаждающий воздух. Охладители, нарезанные из профильного проката, имеют в направлении движения воздуха одинаковое сечение. Поперечные выступы на ребрах не могут быть получены при изготовлении профиля, однако они могут быть сделаны дополнительно на готовых охладителях.
Зарубежными фирмами выпускаются охладители, собранные из тонких стальных пластин, разделенных дистанционными прокладками и стянутых в компактный блок заклепками. С одной или двух торцевых сторон такого охладителя образуется ровная сплошная поверхность, на которую устанавливаются полупроводниковые приборы. Для повышения эффективности охлаждения в пластинах могут штамповаться отверстия для поперечного движения воздуха. Охладители и дистанционные прокладки в местах контакта обрабатываются с целью увеличения шероховатости, снабжаются параллельными, западающими друг в друга бороздками для облегчения сборки и смазываются вазелином с высокой теплопроводностью.
Вывод
Наименее эффективным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение. Принудительное воздушное охлаждение эффективнее в разы.
