UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione WORKSHOPesperimentoAPOLLO – 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

2. 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

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

4. 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) Fluent (FVM) • ANSYS Workbench 14.0 CFX (FVM)

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

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 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

8. 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.

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

10. 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

11. Risultati delle simulazioni

12. 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

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

14. THERMAL INSULATION THERMAL INSULATION 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

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

16. Dissipatore a U Tmax = 60 °C Tmax = 73,5 °C Toutlet = 35,0 °C

17. Dissipatore a doppia serpentina Tmax = 32,6 °C Tmax = 36,8 °C Toutlet = 27,0 °C

18. Dissipatore a singola serpentina Tmax = 37,4 °C Tmax = 49,8 °C Toutlet = 24,5 °C

19. Progetto del dissipatore prototipo n. 2 Scelta la doppiaserpentina per la criticità della temperatura del trasformatore (anche se Toutletpotrebbeeccederedi pocoillimite)

20. 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.