UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

DEASDevices, Electronic Applications and Sensors

SIMULAZIONI TERMO-FLUIDODINAMICHE

PER LA PROGETTAZIONE DEL NUOVO DISSIPATORE

AD ACQUA PER IL MAIN CONVERTER

FRANCESCO GIULIANI, NICOLA DELMONTE, PAOLO COVA

WORKSHOP ESPERIMENTO APOLLO – MILANO 18/12/2012

Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012

Progettazione, mediante simulazione numerica di un dissipatore ad acqua basato per il

raffreddamento del Main Converter

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Motivazione

• Rispetto dei vincoli di sistema

• Limiti di risorse tecnologie convenzionali

Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 3

Sommario

• Messa a punto del modello numerico

– Caratterizzazione termica di un dissipatore noto

– Tuning e validazione delle simulazioni

• Progettazione del dissipatore ottimizzato

– Specifiche di progetto

– Ipotesi realizzative

– Confronto delle prestazioni

• Conclusioni


Problema fluido-dinamico:

Studio del moto del fluido all’interno del coldplate e suo comportamento termico, mediante analisi CFD (Computational Fluid Dynamics)

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Metodologia di progettazione

• COMSOL 4.2 (FEM)

Impiegati tre programmi di simulazione:

• ANSYS Workbench 14.0 Fluent (FVM)

CFX (FVM)


Caratterizzazione termicaAllo scopo di validare i modelli sviluppati è stato condotto un esperimento di caratterizzazione termica di un dissipatore dalle caratteristiche note per confrontare i risultati delle simulazioni con dati sperimentali

POSEICO AWCH_L228W140T28

• Coldplate in alluminio

• Fluido di refrigerazione: acqua

• Sviluppato per componenti di

potenza (diodi PiN, IGBT, ecc.)

• Portata: fino a 9 l/min

• Potenza smaltita: fino a 5 kW


Banco di misuraLa struttura per l’esperimento di caratterizzazione comprende:

• Coldplate• Resistori di potenza• Termocoppie (in, out, R)• Termocamera IR

• Flussimetro


Sorgente di calore• 3 resistori di potenza

in serie alimentati in corrente

• R = 0,1 Ω (200 W)• Pmax = 600 W

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Isolamento del dissipatoreConfigurazione allestita per garantire un flusso di calore sufficiente ad ottenere un gradiente di temperatura di qualche grado centigrado osservabile sul dissipatore superiore

Isolamento• Box in polistirene

espanso e teflon• Pdisp < 2 W


Le misure sono state ripetute con diverse configurazioni della portata in ingresso e della potenza termica generata.

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Caratterizzazione termica: misure

I dati sono stati rilevati con cadenza temporale costante fino al raggiungimento delle condizioni stazionarie.


Considerazioni preliminari

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Impostazione delle simulazioni

• Semplificazioni geometriche

– simmetria

– resistori

– nippli

• Ipotesi di flusso laminare

Re < 4300

Condizioni al contorno

CONVECTIVE COOLINGPHYSICAL QUANTITY VALUE

Mean Inlet Velocity 0,436 m/s

Inlet Temperature 18,8 °C

Total Heat Flux 28 600 W/m2

External Temperature 31 °C

SYMMETRY


Risultati delle simulazioniConfronto del gradiente termico superficiale del coldplate

TMAX = 32,8 °C

TMAX = 28,5 °C

TMAX = 31,8 °C

TMAX = 45,1 °C


Risultati delle simulazioni

0.002 0.052 0.102 0.152 0.20218.0

19.0

20.0

21.0

22.0

23.0

24.0

25.0

26.0

27.0

28.0

COMSOL CFX FLUENT

IR

[m]

[°C]

°C

Tinlet Toutlet ΔT

TERMOCOPPIE 18,8 °C 24,8 °C 6,0 °C

CFX 18,8 °C 26,9 °C 8,1 °C

FLUENT 18,6 °C 26,8 °C 8,2 °C

COMSOL 18,7 °C 31,4 °C 12,7 °C


Scelta del modello di riferimento

0.002 0.052 0.102 0.152 0.20220

21

22

23

24

25

26

27

28

IR FLUENT

[m]

[°C]

Tinlet Toutlet ΔT

TERMOCOPPIE 18,8 °C 24,8 °C 6,0 °C

FLUENT 18,6 °C 24,9 °C 6,3 °C

Il modello sviluppato con ANSYS Fluent è quello che replica in maniera più fedele il comportamento reale del dissipatore.

Perfezionamento del modello:• Discretizzazione

del dominio più fitta

• Correzione dei dati in ingresso


Specifiche di progetto del dissipatore

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Progettazione del dissipatore

• TINLET = 18 °C

TOUTLET = 25 °C

• d = 15 mm Ф = 5 mm

• Flow Rate = 1,9 l/min ∆P = 350 mbar

Il convertitore primario

ZONA DI PRIMARIO

ALIMENTATORE AUSILIARIO

TRASFORMATOREZONA DI SECONDARIO

COLDPLATE

MODULO DI POTENZA


Condizioni di caso peggiore Solo due moduli operantiPDC = 1,5 kW ; PDISS = 380 W

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Considerazioni preliminari

THERMAL INSULATION

THERMAL

INSULATION

Distribuzione potenza termica• uniforme • localizzata

Regime di flusso: laminare

VARIABLE VALUE

0,106 m/s

18 °C

3187 W/m2

2559 W/m2

28482 W/m2

548 W/m2

31,0 °C


Ipotesi realizzativeLayout attualmente in uso per i test

sul prototipo del convertitore

Configurazione a serpentina longitudinale

Configurazione a doppia serpentina trasversale


Dissipatore a U

TMAX = 60 °C

TMAX = 73,5 °C

TOUTLET = 35,0 °C


Dissipatore a doppia serpentina

TMAX = 32,6 °C

TMAX = 36,8 °C

TOUTLET = 27,0 °C


Dissipatore a singola serpentina

TMAX = 37,4 °C

TMAX = 49,8 °C

TOUTLET = 24,5 °C


Progetto del dissipatore prototipo n. 2

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Scelta la doppia serpentina per la

criticità della temperatura del

trasformatore (anche se TOUTLET

potrebbe eccedere di poco il limite)


Conclusioni

Sviluppi futuri

Simulazione del comportamento termico del modulo di potenza montato sul dissipatore accoppiata in maniera autoconsistente a quella termo-fluidodinamica del coldplate.

Obiettivi raggiunti

• Messa a punto di un modello numerico (validato) per lo studio del comportamento termico di dissipatori a liquido

• Individuazione di un layout del dissipatore ottimizzato per l’applicazione in grado di soddisfare le specifiche richieste

Rimane da verificare che tutti i componenti si mantengano all’interno del loro intervallo di temperatura accettabile.

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Documents

kwpaolo covaworkshop

dissipatore nototuning

potenza termica generata

coldplate resistori

calore3 resistori di

coldplate tmax

gradiente termico superficiale

flusso laminarere