UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PARMA Dipartimento di Ingegneria

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA 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 Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 2

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 Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 3

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 Paolo Cova Fluent (FVM) CFX (FVM) Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 4

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_L 228 W 140 T 28 • Coldplate in alluminio • Fluido di refrigerazione: acqua • Sviluppato per componenti di potenza (diodi Pi. N, IGBT, ecc. ) • Portata: fino a 9 l/min • Potenza smaltita: fino a 5 k. W Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 5

Banco di misura La struttura per l’esperimento di caratterizzazione comprende: • Flussimetro • Coldplate • Resistori di potenza • Termocoppie (in, out, R) • Termocamera IR Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 6

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 Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 7

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. Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 8

Impostazione delle simulazioni Considerazioni preliminari • • Semplificazioni geometriche – simmetria – resistori – nippli Ipotesi di flusso laminare Re < 4300 Condizioni al contorno PHYSICAL QUANTITY VALUE Mean Inlet Velocity 0, 436 m/s Inlet Temperature 18, 8 °C Total Heat Flux External Temperature Paolo Cova 28 600 W/m 2 ING C VE E TIV OL CO N CO SYMMETRY 31 °C Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 9

Risultati delle simulazioni Confronto del gradiente termico superficiale del coldplate TMAX = 28, 5 °C TMAX = 32, 8 °C Paolo Cova TMAX = 31, 8 °C TMAX = 45, 1 °C Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 10

Risultati delle simulazioni 48, 0 [°C] 43, 0 38, 0 33, 0 COMSOL CFX FLUENT IR 28, 0 23, 0 ° 18, 0 0, 002 0, 052 0, 102 0, 152 0, 202 [m] Tinlet Paolo Cova 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 Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 11

Scelta del modello di riferimento Il modello sviluppato con ANSYS Fluent è quello che replica in maniera più fedele il comportamento reale del dissipatore. 28 Perfezionamento del modello: • Discretizzazione del dominio più fitta • Correzione dei dati in ingresso [°C] 27 IR FLUENT 26 25 24 23 22 21 20 0, 002 0, 052 0, 102 Tinlet 0, 152 0, 202 [m] Toutlet ΔT TERMOCOPPIE 18, 8 °C 24, 8 °C 6, 0 °C FLUENT 18, 6 °C 24, 9 °C 6, 3 °C Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 12

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 TRASFORMATOR mbar • ZONA DI SECONDARIO E ZONA DI PRIMARIO MODULO DI POTENZA COLDPLATE ALIMENTATORE AUSILIARIO Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 13

Considerazioni preliminari Condizioni di caso peggiore Solo due moduli operanti PDC = 1, 5 k. W ; PDISS = 380 W Distribuzione potenza termica • uniforme • localizzata Regime di flusso: laminare VARIABLE THERMAL INSULATION VALUE 0, 106 m/s 18 °C 3187 W/m 2 2559 W/m 2 28482 W/m 2 548 W/m 2 THERMAL INSULATION 31, 0 °C Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 14

Ipotesi realizzative Layout attualmente in uso per i test sul prototipo del convertitore Configurazione a doppia serpentina trasversale Configurazione a serpentina longitudinale Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 15

Dissipatore a U TMAX = 60 °C TMAX = 73, 5 °C TOUTLET = 35, 0 °C Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 16

Dissipatore a doppia serpentina TMAX = 32, 6 °C TMAX = 36, 8 °C TOUTLET = 27, 0 °C Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 17

Dissipatore a singola serpentina TMAX = 37, 4 °C TMAX = 49, 8 °C TOUTLET = 24, 5 °C Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 18

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) Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 19

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. Paolo Cova Workshop APOLLO - Milano, 18 dicembre 2012 20