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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria dellInformazione DEAS Devices, Electronic Applications and Sensors S IMULAZIONI TERMO - FLUIDODINAMICHE.

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Presentazione sul tema: "UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria dellInformazione DEAS Devices, Electronic Applications and Sensors S IMULAZIONI TERMO - FLUIDODINAMICHE."— Transcript della presentazione:

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria dellInformazione DEAS Devices, Electronic Applications and Sensors S IMULAZIONI TERMO - FLUIDODINAMICHE PER LA PROGETTAZIONE DEL NUOVO DISSIPATORE AD ACQUA PER IL M AIN C ONVERTER F RANCESCO G IULIANI, N ICOLA D ELMONTE, P AOLO C OVA WORKSHOP ESPERIMENTO APOLLO – M ILANO 18/12/2012

2 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Progettazione, mediante simulazione numerica di un dissipatore ad acqua basato per il raffreddamento del Main Converter 2 Motivazione Rispetto dei vincoli di sistema Limiti di risorse tecnologie convenzionali

3 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 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

4 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Problema fluido-dinamico: Studio del moto del fluido allinterno del coldplate e suo comportamento termico, mediante analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) 4 Metodologia di progettazione COMSOL 4.2 (FEM) Impiegati tre programmi di simulazione: ANSYS Workbench 14.0 Fluent (FVM) CFX (FVM)

5 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Caratterizzazione termica Allo 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

6 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Banco di misura La struttura per lesperimento di caratterizzazione comprende: Coldplate Resistori di potenza Termocoppie (in, out, R) Termocamera IR Flussimetro

7 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Sorgente di calore 3 resistori di potenza in serie alimentati in corrente R = 0,1 (200 W) P max = 600 W 7 Isolamento del dissipatore Configurazione 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 P disp < 2 W

8 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Le misure sono state ripetute con diverse configurazioni della portata in ingresso e della potenza termica generata. 8 Caratterizzazione termica: misure I dati sono stati rilevati con cadenza temporale costante fino al raggiungimento delle condizioni stazionarie.

9 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Considerazioni preliminari 9 Impostazione delle simulazioni Semplificazioni geometriche – simmetria – resistori – nippli Ipotesi di flusso laminare Re < 4300 Condizioni al contorno CONVECTIVE COOLING P HYSICAL Q UANTITY V ALUE Mean Inlet Velocity 0,436 m/s Inlet Temperature 18,8 °C Total Heat Flux W/m 2 External Temperature 31 °C SYMMETRY

10 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Risultati delle simulazioni Confronto del gradiente termico superficiale del coldplate T MAX = 32,8 °C T MAX = 28,5 °C T MAX = 31,8 °C T MAX = 45,1 °C

11 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Risultati delle simulazioni T inlet T outlet ΔT TERMOCOPPIE18,8°C24,8 °C 6,0 °C CFX18,8°C26,9 °C 8,1 °C FLUENT18,6°C26,8 °C 8,2 °C COMSOL18,7°C31,4°C12,7°C

12 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Scelta del modello di riferimento T inlet T outlet ΔT TERMOCOPPIE18,8°C24,8 °C 6,0 °C FLUENT18,6°C24,9°C6,3°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

13 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Specifiche di progetto del dissipatore 13 Progettazione del dissipatore T INLET = 18 °C T OUTLET = 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 TRASFORMATORE ZONA DI SECONDARIO COLDPLATE MODULO DI POTENZA

14 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Condizioni di caso peggiore Solo due moduli operanti P DC = 1,5 kW ; P DISS = 380 W 14 Considerazioni preliminari THERMAL INSULATION THERMAL INSULATION Distribuzione potenza termica uniforme localizzata Regime di flusso: laminare VARIABLEV ALUE 0,106 m/s 18 °C 3187 W/m W/m W/m W/m 2 31,0 °C

15 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Ipotesi realizzative Layout attualmente in uso per i test sul prototipo del convertitore Configurazione a serpentina longitudinale Configurazione a doppia serpentina trasversale

16 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Dissipatore a U T MAX = 60 °C T MAX = 73,5 °C T OUTLET = 35,0 °C

17 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Dissipatore a doppia serpentina T MAX = 32,6 °C T MAX = 36,8 °C T OUTLET = 27,0 °C

18 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre Dissipatore a singola serpentina T MAX = 37,4 °C T MAX = 49,8 °C T OUTLET = 24,5 °C

19 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 Progetto del dissipatore prototipo n Scelta la doppia serpentina per la criticità della temperatura del trasformatore (anche se T OUTLET potrebbe eccedere di poco il limite)

20 Paolo CovaWorkshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 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 lapplicazione in grado di soddisfare le specifiche richieste Rimane da verificare che tutti i componenti si mantengano allinterno del loro intervallo di temperatura accettabile.


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