উচ্চ-শক্তি IGBT রেডিয়েটারের জল-শীতল তাপ প্রতিরোধের গণনা

উচ্চ-শক্তি IGBT রেডিয়েটারের জল-কুলিং তাপীয় প্রতিরোধের গণনা

বিমূর্ত: জল-ঠান্ডা রেডিয়েটারের তাপ অপচয় ক্ষমতাকে অপ্টিমাইজ করার জন্য এবং এর নির্ভরযোগ্য অপারেশন নিশ্চিত করার জন্য, তাপ স্থানান্তরের প্রাথমিক নীতি এবং সূত্রগুলি উদ্ধৃত করা হয়েছে এবং রেডিয়েটরের আকারের যান্ত্রিক মাত্রা, জলের বাধ্যতামূলক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগ এবং জলের তাপ পরিবাহিতা পরামিতি হিসাবে ব্যবহৃত হয় এবং ভেরিয়েবলগুলি তাপ সিঙ্কের জল-শীতল তাপ প্রতিরোধের গণনা করার জন্য সূত্রটি বের করে।একই সময়ে, ব্যবহারিক প্রয়োগ পূরণের জন্য, একটি বিশেষ ওয়াটার-কুলড রেডিয়েটর তাপীয় প্রতিরোধের গণনা এবং বক্ররেখা অঙ্কন সফ্টওয়্যার তৈরি করা হয়েছে, যা পরামিতি পরিবর্তনের সাথে পরিবর্তনশীল তাপীয় প্রতিরোধের বিভিন্ন বক্ররেখা প্রদর্শন করতে পারে এবং সরাসরি গণনা এবং প্রদর্শন করতে পারে। তাপ প্রতিরোধের মান।এটি রেডিয়েটারের ডিজাইনে পরামিতিগুলির সর্বোত্তম নির্বাচনের জন্য একটি স্বজ্ঞাত এবং সুবিধাজনক রেফারেন্স সরবরাহ করে।

মূল শব্দ: জল-ঠান্ডা রেডিয়েটার;তাপ প্রতিরোধের গণনা;সফটওয়্যার;উচ্চ-শক্তি IGBT রেডিয়েটার

হারমনি বৈদ্যুতিক লোকোমোটিভ হল একটি AC-DC-AC বৈদ্যুতিন সংকেতের মেরু বদল ইলেকট্রিক লোকোমোটিভ যা উচ্চ-শক্তির সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তি ব্যবহার করে।উন্নত এসি ফ্রিকোয়েন্সি কনভার্সন স্পিড রেগুলেশন, রিজেনারেটিভ ব্রেকিং, হাই-পাওয়ার এসি মোটর কন্ট্রোল এবং উচ্চ ডিগ্রী অটোমেশনের মতো প্রযুক্তিগত বৈশিষ্ট্যগুলির কারণে, এটি রেলওয়ে ট্রাঙ্ক লাইন পরিবহনে উচ্চ-গতি এবং উচ্চ-শক্তির লোকোমোটিভগুলিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।প্রতিটি লোকোমোটিভের কনভার্টার তিন ধরনের IGBT মডিউল ব্যবহার করে, যথা: চার-চতুর্ভুজ চপার (4QC) মডিউল, মোটর সাইড ইনভার্টার মডিউল (Inv) এবং অক্সিলিয়ারি ইনভার্টার মডিউল।জুলাই 2009 থেকে 4 মে, 2011 পর্যন্ত একটি নির্দিষ্ট লোকোমোটিভ ডিপোতে 305 HXD1B বৈদ্যুতিক লোকোমোটিভ কনভার্টারগুলির ত্রুটিগুলি তদন্ত করে এবং দেখেছে যে 255টি ত্রুটি সহ মোট 4,880টি মডিউল ব্যবহার করা হচ্ছে এবং IGBT মডিউলটি যে ত্রুটিগুলি দেখায় অন্তত একটি আইজিবিটি চিপ ব্যর্থ হয়েছে।এখন পর্যন্ত, পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস ব্যতীত অন্য কারণে কোনো মডিউল ব্যর্থতা হয়নি।মৌসুমী পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে এই ধরনের ব্যর্থতা বৃদ্ধি পায়।এটি অনুমান করা যেতে পারে যে IGBT এর ব্যর্থতা এর তাপ অপচয়ের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত, তাই ইলেকট্রনিক ডিভাইসের শীতলকরণ এবং ডিজিটাল তাপ পরবর্তী গবেষণার অন্যতম কেন্দ্রবিন্দু হয়ে উঠেছে।ডিভাইসের শীতলকরণ এবং তাপ অপচয়ের সমস্যাগুলি অধ্যয়ন করে, তাপ অপচয়ের অবস্থাগুলি অপ্টিমাইজ করা হয় এবং রূপান্তরিত হয়, যাতে এটি একটি উপযুক্ত তাপমাত্রা সহ একটি পরিবেশে যতক্ষণ সম্ভব কাজ করতে পারে এবং দুর্ঘটনার ঘটনা কমাতে পারে, যা একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। রেলওয়ে লোকোমোটিভের নিরাপদ অপারেশন বজায় রাখা।

এই কাগজে, উচ্চ-শক্তি IGBT রেডিয়েটারের তাপ অপচয় প্রক্রিয়ার বিশ্লেষণের মাধ্যমে, তাপ স্থানান্তরের প্রাথমিক নীতি এবং সূত্রগুলি প্রথমে উদ্ধৃত করা হয়েছে, এবং তাপ প্রতিরোধের গণনাকে কঠিন দ্বারা উত্পন্ন তাপ পরিবাহী তাপ প্রতিরোধের মধ্যে ভাগ করা হয়েছে। রেডিয়েটর এবং রেডিয়েটর এবং কুলিং সিস্টেমে তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়া।তরলগুলির মধ্যে তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়া দ্বারা উত্পাদিত পরিবাহী তাপ স্থানান্তর তাপ প্রতিরোধের দুটি অংশ, এবং রেডিয়েটর জল শীতল তাপ প্রতিরোধের গণনা রেডিয়েটরের আকারের যান্ত্রিক আকার, জলের বাধ্যতামূলক সংবহনশীল তাপ স্থানান্তর সহগ গ্রহণ করে অনুমান করা হয়। পরামিতি এবং পরিবর্তনশীল সূত্র হিসাবে জলের তাপ পরিবাহিতা সহগ।বিশ্লেষণ সহজ করার জন্য, তাপ প্রতিরোধের গণনার জন্য সফ্টওয়্যার কম্পাইল করা হয়েছিল।সফ্টওয়্যারটির একটি সহজ এবং পরিষ্কার অপারেশন ইন্টারফেস রয়েছে, যা পরামিতিগুলির সাথে পরিবর্তনশীল তাপীয় প্রতিরোধের বিভিন্ন বক্ররেখা প্রদর্শন করতে পারে এবং তাপীয় প্রতিরোধের মানগুলি সরাসরি গণনা এবং প্রদর্শন করতে পারে।এটি রেডিয়েটারের নকশা বিশ্লেষণের জন্য একটি স্বজ্ঞাত এবং সুবিধাজনক রেফারেন্স প্রদান করে।

1 মৌলিক সূত্র এবং তাপ স্থানান্তর নীতি

1.1 তাপ স্থানান্তর নীতি এবং মৌলিক উপায়

তাপ সঞ্চালনের মূল সূত্র হল:

Q=KA△T／△L (1)

সূত্রে, Q তাপকে প্রতিনিধিত্ব করে, অর্থাৎ তাপ সঞ্চালনের মাধ্যমে উৎপন্ন বা সঞ্চালিত হয়;K হল উপাদানের তাপ পরিবাহিতা সহগ।△T দুই প্রান্তের মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য উপস্থাপন করে;△L হল দুই প্রান্তের মধ্যবর্তী দূরত্ব।পরিচলন বলতে তাপ স্থানান্তরকে বোঝায় যেখানে একটি তরল (গ্যাস বা তরল) একটি কঠিন পৃষ্ঠের সংস্পর্শে আসে, যার ফলে তরলটি কঠিন পৃষ্ঠ থেকে তাপ অপসারণ করে।

তাপ পরিবাহনের সূত্র হল:

Q=hA△T (2)

সূত্রে: Q এখনও তাপকে প্রতিনিধিত্ব করে, অর্থাৎ, তাপ পরিচলনের মাধ্যমে নেওয়া তাপ;h হল তাপ পরিচলন সহগের মান;A হল তাপ পরিচলনের কার্যকর যোগাযোগ এলাকা;△T কঠিন পৃষ্ঠ এবং আঞ্চলিক তরল মধ্যে তাপমাত্রা পার্থক্য প্রতিনিধিত্ব করে।

1.2 তাপ প্রতিরোধের গণনা

তাপীয় প্রতিরোধ তাপ সঞ্চালন প্রক্রিয়ায় প্রতিরোধের প্রতিনিধিত্ব করে এবং এটি একটি ব্যাপক পরামিতি যা তাপ স্থানান্তর প্রতিরোধ করার ক্ষমতা প্রতিফলিত করে।বিশ্লেষণ সহজ করার জন্য, রেডিয়েটর মডেল সরলীকরণ করার পরে, এটি বিবেচনা করা হয় যে দুটি রূপ আছে পরিবাহী তাপ স্থানান্তর তাপীয় প্রতিরোধ এবং তাপ পরিবাহী তাপীয় প্রতিরোধের।তাপ সিঙ্কের প্ল্যানার প্লেটে একটি তাপ সঞ্চালন তাপ প্রতিরোধক রয়েছে।গণনার সূত্র হল:

Rnd=L／KA (3)

সূত্রে: এল রেডিয়েটর প্লেটের বেধ প্রতিনিধিত্ব করে;K প্লেট অ্যালুমিনিয়ামের তাপ পরিবাহিতা প্রতিনিধিত্ব করে;A তাপ প্রবাহের দিকের লম্ব ক্রস-বিভাগীয় এলাকাকে প্রতিনিধিত্ব করে, অর্থাৎ প্লেটের ক্ষেত্রফল।

রেডিয়েটর এবং তাপ সিঙ্কের জলের মধ্যে তাপীয় প্রতিরোধ হল পরিবাহী তাপ স্থানান্তর তাপীয় প্রতিরোধ।গণনার সূত্র হল:

Rnv=1/hAs (4)

সূত্রে: মোট কার্যকর পরিবাহী তাপ স্থানান্তর এলাকা প্রতিনিধিত্ব করে;h পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগকে প্রতিনিধিত্ব করে, যা নুসেল্ট সংখ্যার সাথে সম্পর্কিত।নুসেল্ট সংখ্যার গণনার সূত্র অনুসারে, h এর গণনার সূত্রটি নিম্নরূপ বিপরীতভাবে অনুমান করা যেতে পারে:

সূত্রে: Nu Nusselt সংখ্যার প্রতিনিধিত্ব করে;λf তরলের তাপ পরিবাহিতা প্রতিনিধিত্ব করে;h এখানে জল বাধ্য সংবহনের তাপ পরিবাহিতা হওয়া উচিত;Dh হল জ্যামিতিক বৈশিষ্ট্যগত দৈর্ঘ্য যা তাপ স্থানান্তর পৃষ্ঠের প্রতিনিধিত্ব করে, এখানে পাইপের হাইড্রোলিক ব্যাস প্রতিনিধিত্ব করে।

তাপ বেসিনে সংজ্ঞায়িত মোট তাপ প্রতিরোধের নিম্নরূপ গণনা করা হয়:

Rtd=RnvλfB+RndKB (6)

সূত্রে: B রেডিয়েটারের প্রস্থকে প্রতিনিধিত্ব করে, এবং অন্যান্য মানগুলি আগে চালু করা হয়েছে।যখন রেডিয়েটারের বাইরের মাত্রা স্থির করা হয়, তখন সূত্র (3) থেকে দেখা যায় যে Rnd একটি নির্দিষ্ট মান, এবং K এবং B উভয়ই স্থির মান।যদি λf ধ্রুবক হয়, রেডিয়েটারের মোট তাপীয় প্রতিরোধের সরাসরি Rnv-এর সাথে সম্পর্কিত।আসুন রেডিয়েটারের পরিবাহী তাপ স্থানান্তর তাপ প্রতিরোধের দিকে তাকাই।সূত্র (5), সূত্র (6) থেকে পেতে পারেন:

এটি সূত্র (7) থেকে দেখা যায় যে পরিবাহী তাপ স্থানান্তরের তাপীয় প্রতিরোধ Dh-এর সাথে সরাসরি সমানুপাতিক এবং As-এর বিপরীতভাবে সমানুপাতিক।এটি দেখা যায় যে পাইপলাইনের জলবাহী ব্যাস অন্ধভাবে বাড়ানো যাবে না যাতে জল সঞ্চালনের পরিমাণ বাড়ানো যায়, যাতে একটি ভাল শীতল প্রভাব অর্জন করা যায় না।Rnv কমানো অনুরূপভাবে রেডিয়েটারের মোট তাপ প্রতিরোধের হ্রাস করবে এবং তাপ অপচয়ের প্রভাবকে বাড়িয়ে তুলবে।সূত্র (3) এবং সূত্র (7) কে সূত্রে (6) প্রতিস্থাপন করে, মোট তাপ প্রতিরোধের গণনা সূত্র হল:

যেখানে: le রেডিয়েটারের দৈর্ঘ্য প্রতিনিধিত্ব করে;λf হল জলের তাপ পরিবাহিতা, এবং h হল জলের বাধ্যতামূলক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগ।

1.3 গণনার উদাহরণ

সাধারণত, যখন ইলেকট্রনিক সরঞ্জামের রেডিয়েটর জল-ঠান্ডা তাপ অপচয় পদ্ধতি গ্রহণ করে, তখন রেডিয়েটারের ভিতরে তরল সঞ্চালন দুটি প্রকারে বিভক্ত হয়: সিরিজ চ্যানেল এবং সমান্তরাল চ্যানেল।চিত্র 1 এ দেখানো হয়েছে, দুটি মডেলের চ্যানেল ক্রস-সেকশন যথাক্রমে দেখানো হয়েছে।তাদের মধ্যে, মডেল A হল একটি সিরিজ ওয়াটার চ্যানেল ডিস্ট্রিবিউশন, এবং মডেলটি হল প্রতিটি সিরিজ ওয়াটার চ্যানেলে বেশ কিছু কুলিং ফিন যোগ করা।বি মডেল হল সমান্তরাল জলের চ্যানেলগুলিতে কেবল সোজা চ্যানেল থাকে এবং তরল সমান্তরাল জলের চ্যানেলগুলির মধ্য দিয়ে জলের প্রবেশপথ থেকে জলের আউটলেটে প্রবাহিত হয়।

λf জলের তাপ পরিবাহিতা 0.5W/mK হিসাবে নির্বাচন করা হয়েছে এবং h জলের বাধ্যতামূলক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগ হল 1 000 W/m2K।গণনার সুবিধার জন্য, তাপ সিঙ্কের বেধের মতো ছোট মাত্রাগুলি উপেক্ষা করা হয়।লোকোমোটিভের জন্য IGBT ফোর-চতুর্ভুজ মডিউলের হিট সিঙ্কের সামগ্রিক মাত্রা হল L=0.005 m, L=0.55 m, এবং B=0.45 m।যেহেতু বাহ্যিক মাত্রা একই, সিরিজ A মডেল এবং সমান্তরাল B মডেলের মধ্যে তাপীয় প্রতিরোধের পার্থক্য As-এর পার্থক্যের মধ্যে রয়েছে।রেডিয়েটারের ভিতরের দেয়ালের উপরের এবং নীচের প্যানেলের ক্ষেত্রফল, সামনের এবং পিছনের প্যানেলের ক্ষেত্রফল, বাম এবং ডান প্যানেলের ক্ষেত্রফল এবং হিট সিঙ্কের মোট ক্ষেত্রফল As1, As2, As3 হিসাবে সেট করুন, এবং যথাক্রমে As4।সিরিজ A মডেলটিতে 19টি অভ্যন্তরীণ তাপ সিঙ্ক রয়েছে।As1=0.495m2, As2=0.0432m2, As3=0.0528m2, As4=0.8208m2।মোট কার্যকরী শীতল ক্ষেত্রটি হয়ে যায়: As=As1+As2+As3+As4=1.4118 m2।প্রতিটি পরামিতিকে সূত্রে (9) প্রতিস্থাপন করে, সিরিজ A মডেলের তাপীয় প্রতিরোধের হিসাবে প্রাপ্ত হয়:

মডেল বি, বেগ বন্টনের স্ক্রিনশট থেকে দেখা যায়, জলের প্রবেশপথ থেকে জল প্রবেশ করে এবং শুধুমাত্র রেডিয়েটারের মাঝখানে 1/3 দিয়ে প্রবাহিত হয় এবং বাম এবং ডান দিকের অন্যান্য অংশগুলির প্রবাহ বেগ প্রায় 0, যা নগণ্য।এইভাবে, উপরের এবং নীচের প্যানেলের কার্যকর তাপ অপচয় ক্ষেত্রটিকে সামগ্রিক এলাকার 1/3 হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা যেতে পারে এবং সামনের এবং পিছনের প্যানেলের কার্যকর তাপ অপচয় ক্ষেত্রটিও সামগ্রিক এলাকার 1/3।বাম এবং ডান প্যানেলের মধ্য দিয়ে কোন জল প্রবাহ কার্যকর তাপ অপচয় ক্ষেত্র হিসাবে গণনা করা হয় না।মধ্যম তাপ সিঙ্কের মাধ্যমে জল প্রবাহের কার্যকর সংখ্যা 6 টুকরা।তারপর আছে:

2 তাপ সিনক তাপ প্রতিরোধের সমাধান এবং তাপ প্রতিরোধের বক্ররেখা আঁকার জন্য সফ্টওয়্যার

2.1 ইন্টারফেস ফর্ম

প্রধান ইন্টারফেসের ফর্মটি চিত্র 3-এ দেখানো হয়েছে। চাহিদা অনুযায়ী, এই সফ্টওয়্যারটি মূলত দুটি কার্যকরী মডিউল ডিজাইন করে।একটি নির্দিষ্ট জল-শীতল তাপ প্রতিরোধের মান গণনার জন্য একটি মডিউল, এবং অন্যটি জল-শীতল তাপ প্রতিরোধের বক্ররেখা আঁকার জন্য একটি মডিউল।

রেডিয়েটর ওয়াটার-কুলিং থার্মাল রেজিস্ট্যান্স ক্যালকুলেশন মডিউলের ইন্টারফেস চিত্র 4 এ দেখানো হয়েছে।

তাদের মধ্যে, l হল রেডিয়েটারের দৈর্ঘ্য, একক হল m;B হল রেডিয়েটারের প্রস্থ, ইউনিট হল মিটার;এল হল রেডিয়েটারের বেধ, ইউনিট হল মিটার;A হল রেডিয়েটারের মোট কার্যকরী শীতল এলাকা, ইউনিটটি বর্গ মিটার;h হল জল ফোর্সড কনভেকশন হিট ট্রান্সফার সহগ, ইউনিট W/m2K;λ হল জলের তাপ পরিবাহিতা, একক হল W/mK।গণনার ফলাফল হল ওয়াটার-কুলড রেডিয়েটারের তাপীয় প্রতিরোধের মান এবং ইউনিটটি হল cm2K/W।এই মডিউলটির ফাংশনটি গণনার প্রকৃতি রয়েছে, যা রেডিয়েটারের জ্যামিতিক আকারের শর্তে রেডিয়েটারের সংশ্লিষ্ট তাপীয় প্রতিরোধের মান, জলের বাধ্যতামূলক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগ এবং এর তাপ পরিবাহিতা অনুধাবন করতে পারে। জলওয়াটার-কুলড রেডিয়েটরের তাপীয় প্রতিরোধের বক্ররেখার মডিউল চিত্র 5 এবং চিত্র 6-এ দেখানো হয়েছে। এর পরামিতিগুলির অর্থ চিত্র 4-এর মতই। জল-শীতল রেডিয়েটর বক্ররেখা মোটের মধ্যে পরিমাণগত সম্পর্ক দেয়। রেডিয়েটারের এলাকা, জলের জোরপূর্বক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগ এবং তাপীয় প্রতিরোধ।দুটি সমস্যা সমাধান করা হয়;একটি প্রদত্ত কার্যকর তাপ অপচয় ক্ষেত্র সহ একটি রেডিয়েটারের জন্য, একটি নির্দিষ্ট তাপ প্রতিরোধ ক্ষমতা অর্জনের জন্য, কতটা জলের বাধ্যতামূলক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগ অর্জন করতে হবে, অর্থাৎ, কত পাইপ ব্যাস প্রয়োজন।একটি নির্দিষ্ট জোরপূর্বক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগ জলের জন্য, কিভাবে রেডিয়েটারের তাপ অপচয় এলাকার মাধ্যমে তাপ প্রতিরোধের নিয়ন্ত্রণ করা যায়।

2.2 তাপীয় প্রতিরোধের গণনা নির্দেশাবলী

চিত্র 5 এবং চিত্র 6-এ তাপীয় প্রতিরোধের বক্ররেখার অঙ্কন প্রক্রিয়াটি উদাহরণ সহ নীচে চিত্রিত করা হয়েছে।"1.3 উদাহরণে" সিরিজ A মডেল এবং B মডেলের মোট তাপীয় প্রতিরোধের হিসাব করা হয়েছে।প্রথমে, আমরা জলের তাপ পরিবাহিতা λ=0.5 W/mk, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m দিয়ে সংশ্লিষ্ট খালি জায়গা পূরণ করি।তারপর কার্ভ টাইপ নির্বাচন করুন।জলের বিভিন্ন বাধ্যতামূলক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগের অধীনে, রেডিয়েটারের কার্যকর তাপ অপচয় ক্ষেত্র এবং তাপ প্রতিরোধের মধ্যে সম্পর্ক চিত্র 5-এ দেখানো হয়েছে। বিভিন্ন কার্যকর তাপ অপচয় ক্ষেত্রগুলির অধীনে, জলের বাধ্যতামূলক পরিচলন তাপ স্থানান্তর সহগের মধ্যে সম্পর্ক এবং থার্মাল রেজিস্ট্যান্স চিত্র 6-এ দেখানো হয়েছে। ইন্টারফেসের নীচে বাম দিকে "ক্যালকুলেট ওয়াটার কুলিং থার্মাল রেজিস্ট্যান্স" রয়েছে, চিত্রে দেখানো হিসাবে তাপীয় প্রতিরোধের গণনা ইন্টারফেসে প্রবেশ করতে ক্লিক করুন।প্রয়োজন অনুযায়ী প্রতিটি প্যারামিটার মান পূরণ করুন: λ=0.5 W/mK, L=0.005 m, ls=0.55 m, B=0.45 m, h=1 000W/m2K যখন ইনপুট এলাকা 1.4118 হয় গণনা করা তাপীয় প্রতিরোধের মান হল 92.502 801 066 337 cm2K/W, যা গণনা মডেলের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ A উপরের সূত্র 92.503 cm2K/W.