Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика определения необходимого количества охлаждающего воздуха для регулирования температуры полупроводниковых приборов

В процессе преобразования энергии в полупроводниковых приборах возникают потери, значительная часть которых преобразуется в тепловую энергию. Режимы работы преобразователей на подвижном составе железнодорожного транспорта носят случайный характер, что приводит к колебаниям температуры полупроводниковых приборов. Известно, что температурные колебания значительно снижают ресурс работы полупроводников, вызывая преждевременные отказы, наиболее часто встречающимися из которых является тепловой пробой, что в свою очередь, приводит к необходимости замены полупроводникового прибора.

На современном подвижном составе применяются преобразователи с воздушным или жидкостным охлаждением полупроводниковых элементов. В конечном итоге теплота, отведенная от структуры полупроводника, передается охлаждающему воздуху, который имеет принудительную циркуляцию, осуществляемую вентилятором.

Режимы работы вентилятора охлаждения, как правило, выбираются для номинального режима работы преобразователя.

Подача воздуха на частичных режимах может отличаться от требуемой по условиям охлаждения, что приводит к значительным температурным колебаниям структуры полупроводника. Такие же процессы могут наблюдаться и при изменении температуры охлаждающего воздуха, так как максимальные температуры, на которые рассчитано оборудование, в условиях эксплуатации наблюдаются очень редко.

Для поддержания температуры структуры полупроводникового прибора на постоянном уровне необходимо изменить подачу охлаждающего воздуха G_вз в зависимости от тепловыделений в структуре.

Расчет требуемой G_вз базируется на трех фундаментальных уравнениях, описывающих процесс выделения тепла в структуре полупроводника, его поглощение охлаждающим воздухом (2), а так же уравнением теплопередачи от структуры к охлаждающему воздуху (3).

где - средняя за период мощность потерь, Вт;

T - период изменения тока, ;

U(t) - потери напряжения в структуре полупроводникового прибора, В;

I(t) - величина среднего тока через полупроводниковый прибор, А;

Q_вз - теплота, переданная охлаждающему воздуху, Вт;

C_рвз - теплоемкость воздуха, ;

- температура охлаждающего воздуха после отбора теплоты от структур, ;

- температура охлаждающего воздуха до отбора теплоты, ;

Q - передаваемая теплота, Вт;

F - площадь поверхности охлаждения;

- средний температурный напор в теплообменнике, ;

При этом:

Для увеличения теплорассеивающей способности при воздушной системе охлаждения приборы монтируются в радиаторе охлаждения, которые, чаще всего представляют собой оребренную конструкцию. При приближенных вычислениях тепловой поток, передаваемый через оребренную с одной стороны плоскую стенку, определяется выражением:

,

где - коэффициент теплоотдачи на неоребренной поверхности стенки, ;

- коэффициент теплоотдачи на всех поверхностях оребренной части стенки, ;

F - площадь гладкой поверхности стенки,

- коэффициент теплопроводности материала стенки;

- толщина ребра, м;

- коэффициент оребрения ;

- площадь оребренной поверхности стенки, м^2;

^- температура структуры до охлаждения, ;

- температура структуры после охлаждения, ;

Температура выражается через тепловое сопротивление зависимостью:

Таким образом:

В установившемся режиме работы теплоотдача с поверхности радиатора осуществляются как конвекцией, так и излучением. При этом:

энергия полупроводниковый железнодорожный охлаждение

Основной закон теплового излучения дан Стефаном и Больцманом в следующем виде:

,

где - излучательная способность (константа излучения);

- температура излучающей поверхности, К;

- постоянная Стефана-Боцмана, .

Твердые тела и жидкости практически не пропускают тепловые лучи. Воздух прозрачен для тепловых лучей, однако при наличии в воздухе водяных паров, углекислотные или взвешенных твердых частиц (пыли) прозрачность воздуха для тепловых лучей уменьшается, и часть лучистой энергии поглощается средой. Так как теплоизлучение происходит в замкнутом пространстве, можно допустить, что вся теплота, отданная с поверхности радиаторов излучением, в конечном итоге, передается охлаждающему воздуху. При этом мощность излучения, отнесенную к единице площади, можно определить по зависимости:

,

где - температура корпуса радиатора;

,

- тепловое сопротивление радиатора;

и - константы излучения для материала радиатора и воздуха соответственно.

Количество переданной теплоты при этом:

, Вт,

где F - площадь поверхности радиатора.

Таким образом, уравнение теплопередачи будет иметь вид:

Решение этого уравнения при заданных параметрах позволяет определить требуемое значение . Основная сложность решения заключается в определении коэффициентов теплоотдачи и .

При конвекции передача тепла определяется как тепловыми, так и гидродинамическими явлениями. Для определения температуры тела составляется система дифференциальных уравнений - уравнение теплопроводности, уравнение сплошности и уравнения движения. Однако, решение такой системы наталкивается на большие трудности. Поэтому для расчета коэффициента теплоотдачи конвекцией используют теорию подобия, которая позволяет определить коэффициент теплоотдачи, не проводя решения системы сложных дифференциальных уравнений.

Для вынужденной конвекции при движении газа вдоль плоской стенки устанавливаются критерии подобия Нуссельта Nu и Прандтля Pr.

,

где - коэффициент теплоотдачи конвекции, ;

L - характерный геометрический размер тела с которого отдается теплота;

- коэффициент теплопроводности газа.

,

где -коэффициент вязкости газа;

- удельная теплоемкость газа при постоянном давлении;

g - ускорение свободного падения.

При этом для турбулентного режима потока:

Для ламинарного режима потока газа:

,

где - число Рейнольдса, определяющее режим движения потока жидкости или газа.

,

где - скорость перемещения потока;

- кинематическая вязкость газа.

,

где - плотность газа.

При <2200 характер движения жидкости или газа ламинарный, а при >2200 характер движения турбулентный.

Определение критерия при заданных параметрах позволяет определить величину коэффициента теплоотдачи:

Задавшись конструктивными и физическими параметрами членов уравнений, входящих в систему, можно определить требуемое значение , при котором температура будет поддерживаться постоянной независимо от режима нагрузки преобразователя.

Размещено на Allbest.ru