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
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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
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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)
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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
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Banco di misuraLa struttura per l’esperimento di caratterizzazione comprende:
• Coldplate• Resistori di potenza• Termocoppie (in, out, R)• Termocamera IR
• Flussimetro
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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
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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.
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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
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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
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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
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Scelta del modello di riferimento
0.002 0.052 0.102 0.152 0.20220
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25
26
27
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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
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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
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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
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Ipotesi realizzativeLayout attualmente in uso per i test
sul prototipo del convertitore
Configurazione a serpentina longitudinale
Configurazione a doppia serpentina trasversale
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Dissipatore a U
TMAX = 60 °C
TMAX = 73,5 °C
TOUTLET = 35,0 °C
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Dissipatore a doppia serpentina
TMAX = 32,6 °C
TMAX = 36,8 °C
TOUTLET = 27,0 °C
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Dissipatore a singola serpentina
TMAX = 37,4 °C
TMAX = 49,8 °C
TOUTLET = 24,5 °C
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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)
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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.