UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Simulazioni termo-fluidodinamiche Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione WORKSHOP esperimento APOLLO – Milano 18/12/2012 Simulazioni termo-fluidodinamiche per la progettazione del nuovo dissipatore ad acqua per il Main Converter Francesco Giuliani, Nicola Delmonte, Paolo Cova Devices, Electronic Applications and Sensors DEAS

Motivazione Progettazione, mediante simulazione numerica di un dissipatore ad acqua basato per il raffreddamento del Main Converter Rispetto dei vincoli di sistema Limiti di risorse  tecnologie convenzionali

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

Metodologia di progettazione Problema fluido-dinamico: Studio del moto del fluido all’interno del coldplate e suo comportamento termico, mediante analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) Impiegati tre programmi di simulazione: COMSOL 4.2 (FEM) ANSYS Workbench 14.0 Fluent (FVM) CFX (FVM)

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

Banco di misura La struttura per l’esperimento di caratterizzazione comprende: Flussimetro Coldplate Resistori di potenza Termocoppie (in, out, R) Termocamera IR

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 Sorgente di calore 3 resistori di potenza in serie alimentati in corrente R = 0,1 Ω (200 W) Pmax = 600 W Isolamento Box in polistirene espanso e teflon Pdisp < 2 W

Caratterizzazione termica: misure Le misure sono state ripetute con diverse configurazioni della portata in ingresso e della potenza termica generata. I dati sono stati rilevati con cadenza temporale costante fino al raggiungimento delle condizioni stazionarie.

Impostazione delle simulazioni Considerazioni preliminari Semplificazioni geometriche simmetria resistori nippli Ipotesi di flusso laminare Re < 4300   SYMMETRY Condizioni al contorno Physical 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 CONVECTIVE COOLING

Risultati delle simulazioni Confronto del gradiente termico superficiale del coldplate Tmax = 28,5 °C   Tmax = 31,8 °C   Tmax = 32,8 °C   Tmax = 45,1 °C  

Risultati delle simulazioni   Tinlet Toutlet ΔT TERMOCOPPIE 18,8 °C 24,8 6,0 CFX 26,9 8,1 FLUENT 18,6 26,8 8,2 COMSOL 18,7 31,4 12,7

Scelta del modello di riferimento 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   Tinlet Toutlet ΔT TERMOCOPPIE 18,8 °C 24,8 6,0 FLUENT 18,6 24,9 6,3

Progettazione del dissipatore Il convertitore primario Specifiche di progetto del dissipatore COLDPLATE MODULO DI POTENZA d = 15 mm Ф = 5 mm TINLET = 18 °C TOUTLET = 25 °C Flow Rate = 1,9 l/min ∆P = 350 mbar TRASFORMATORE ZONA DI SECONDARIO ZONA DI PRIMARIO ALIMENTATORE AUSILIARIO

Considerazioni preliminari Condizioni di caso peggiore Solo due moduli operanti PDC = 1,5 kW ; PDISS = 380 W Distribuzione potenza termica uniforme localizzata Regime di flusso: laminare   THERMAL INSULATION THERMAL INSULATION VARIABLE Value 0,106 m/s 18 °C 3187 W/m2 2559 W/m2 28482 W/m2 548 W/m2 31,0 °C

Ipotesi realizzative Layout attualmente in uso per i test sul prototipo del convertitore Configurazione a doppia serpentina trasversale Configurazione a serpentina longitudinale

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 Scelta la doppia serpentina per la criticità della temperatura del trasformatore (anche se Toutlet potrebbe eccedere di poco il limite)

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