Koelplaatcalculator

Vloeistof- & gasgekoelde platen · v2 · 2D-plaatmodel

1Plaat

2Stromingsindeling

3Kanaaldoorsnede
4Koelmiddel
Debiet Drukverhoging

Rest van circuit = leidingen, fittingen, radiator en alles wat in serie met de plaat staat. De drukval schaalt met debiet².

5Warmte-inbreng
6Warmtebronnen

x, y = middelpunt van elke component, gemeten vanaf de linkerbovenhoek van de plaat (of sleep hem op de plaatindeling). Het TIM is de laag tussen component en plaat: dikte, warmtegeleiding k en contactweerstand van beide vlakken.

Max. warmteafvoer
—

Plaatindeling

Doorsnede (detail)

Plaatoppervlaktetemperatuur (2D)

Beweeg over de kaart om de lokale temperatuur af te lezen. Kanaalbanen zijn wit weergegeven.

Resultaten

Opbouw thermische weerstand

1D-model, gelijkmatige warmte: piekoppervlak → koelmiddelinlaat. Het grootste aandeel is waar verbetering loont.

Opbouw drukval

Aansluitingen, verdelers en bochten zijn schattingen (vaste verliescoëfficiënten).

Warmteafvoer t.o.v. debiet

Drukval t.o.v. debiet

Dimensioneren op een doel

Vindt het laagste debiet, het minste aantal kanalen, de dunste plaat of het warmste koelmiddel dat uw thermische doel nog haalt, eventueel binnen een drukvalgrens. Gebruikt het volledige 2D-model.

Transiënte belasting

Hoe temperaturen zich in de tijd ontwikkelen bij overbelasting, een koude start of een gepulste belasting. De warmtecapaciteit van de plaat volgt uit materiaal en volume; voer de warmtecapaciteit van componenten (modulebodemplaat, batterijcellen) in bij de warmtebronnen. Belastingsfactoren vermenigvuldigen de huidige warmtelast.

Parameterstudie

Varieer één invoer over een bereik en zie hoe het resultaat en de drukval reageren. Gebruikt een grover 2D-raster voor snelheid.

Ontwerpvergelijking

Sla maximaal vier varianten op en vergelijk ze naast het huidige ontwerp. De beste waarde per rij is gemarkeerd, en invoer die afwijkt van het huidige ontwerp is aangeduid.

Stapsgewijze berekening

Het 1D-model uitgeschreven: elke formule met de getallen van dit ontwerp ingevuld, in SI-eenheden. Gebruik het om resultaten met de hand te controleren of voor onderwijs.

Methode, aannames & beperkingen

Schatting voor conceptontwerp: een 2D-warmtegeleidingsmodel van de plaat gekoppeld aan 1D-kanaalhydraulica. Reken op ongeveer ±15–30 % t.o.v. CFD- of testgegevens en valideer definitieve ontwerpen met simulatie of meting.

  • Warmteoverdracht. Laminair: Shah & London NuH1 en f·Re voor de kanaalverhouding, met een inloopcorrectie volgens Hausen per rechte doorgang. Turbulent: Gnielinski met correctie voor korte kanalen. Re 2300–4000 wordt geïnterpoleerd. Bochten starten de grenslaag opnieuw; versterking door Dean-wervels wordt genegeerd (conservatief).
  • 2D-plaatmodel. Het plaatvlak is een raster van maximaal ongeveer 6.000 cellen met geleiding in het vlak door de lokale materiaaldikte. Cellen boven kanalen, aansluitleidingen en verdelers zijn via de wand tot het verwarmde vlak en de vin-gecorrigeerde convectiefilm aan het koelmiddel gekoppeld. Het koelmiddel wordt langs elk kanaalpad gevolgd tot plaat en koelmiddel overeenstemmen. Dit levert de kaart, de piektemperatuur en de componenttemperaturen.
  • Componenten. Behuizing = plaat onder de component + P·(t/k + contactweerstand)/A van het TIM. Junctie = behuizing + P·Rjc. Spreiding door de plaatdikte onder kleine bronnen wordt niet gemodelleerd, dus zeer kleine, intense bronnen worden iets te optimistisch berekend.
  • Drukval. Schijnbare wrijving volgens Shah (laminair, inloop) en Haaland (turbulent); Darby 3-K voor 180°-bochten; vaste verliescoëfficiënten voor kanaalin-/uitlaat (0,5 + 1,0) en aansluitingen (elk 1,5).
  • Debietverdeling. Parallelle indelingen: de verdelers worden opgedeeld in segmenten met wrijving en impuls (de inlaatverdeler wint 1,0×, de uitlaatcollector verliest 2,0× de verandering in snelheidsdruk), in evenwicht met de eigen Δp(q) van elk kanaal. De kanaaldebieten bepalen de verdelerverliezen en de warmteoverdracht van elk kanaal in het 2D-model.
  • Pompcurve. Het werkdebiet wordt met bisectie bepaald waar de drukverhoging van de pomp gelijk is aan de drukval van plaat plus rest van het circuit (die schaalt met debiet²).
  • Vloeistoffen. Eigenschappen bij de gemiddelde temperatuur. Glycolgegevens naar volume, bij benadering (±5–10 %). Gassen zijn ideaal en in de plaat onsamendrukbaar, bij inlaatdruk.
  • Niet gemodelleerd. Straling en vrije convectie, tweefasestroming, turbulatoren en pinvinnen, samendrukbaarheid van gas in de plaat.
  • Transiënte belasting: impliciete tijdintegratie (achterwaartse Euler) van hetzelfde 2D-plaatmodel met de warmtecapaciteit van de plaat en eventueel van elke component; het koelmiddel wordt quasi-stationair behandeld omdat het in een fractie van een seconde door de plaat stroomt. Junctie-behuizing- en TIM-lagen hebben geen warmtecapaciteit; hun deel van een belastingswijziging verschijnt direct (conservatief).

Koelplaatcalculator

Versie 2 · door Eren Tozlu

Een gratis browsertool voor het voorontwerp van vloeistof- en gasgekoelde koelplaten voor vermogenselektronica, batterijen en brandstofcelsystemen. Het koppelt een 2D-warmtegeleidingsmodel van de plaat aan 1D-kanaalhydraulica, pompafstemming en stromingsverdeling in verdelers. Alle berekeningen draaien in uw browser.

Gemaakt door Eren Tozlu. Meer technische tools en projecten op ehcrea.com.

Open source onder de MIT-licentie; de broncode staat op GitHub.

Bevalt de calculator? Hij is gratis voor iedereen en ik voeg in mijn vrije tijd nieuwe functies toe. Heeft hij u tijd bespaard bij een project of geholpen bij het leren, dan kunt u de verdere ontwikkeling steunen via Patreon. Elke bijdrage, groot of klein, helpt me nieuwe technische tools te maken. Dank u wel!

Steun mij op Patreon

De resultaten zijn technische schattingen. Valideer definitieve ontwerpen met CFD of test.

Zo werkt het

Werk de invoer links van boven naar beneden af; de resultaten rechts worden direct bijgewerkt.

  1. Begin met een voorbeeld. Kies een toepassingsvoorbeeld in de werkbalk en pas het aan. SI/Imperial en de taal kunt u altijd omschakelen.
  2. Plaat. Lengte, breedte, dikte en materiaal. Een hogere geleidbaarheid spreidt de warmte beter tussen de kanalen.
  3. Stromingsindeling. Meander: één lang kanaal (of enkele circuits), gelijkmatige koeling maar hogere drukval. Parallel Z/U: veel korte kanalen gevoed door verdelers, lage drukval; controleer de kaart met de stromingsverdeling.
  4. Kanaaldoorsnede. Rond, vierkant of rechthoekig. Kanaaldiepte plus de wand aan de verwarmde zijde moet binnen de plaatdikte passen.
  5. Koelmiddel. Medium, inlaattemperatuur en -druk, en een vast debiet of een pompcurve; met een pompcurve wordt het werkpunt automatisch bepaald.
  6. Warmte-invoer. Uniform: voer een vermogen in voor de piektemperatuur, of een maximale oppervlaktetemperatuur voor de capaciteit. Warmtebronnen: voeg componenten toe met vermogen, footprint, TIM en Rjc en sleep ze op de plaatindeling.

De resultaten lezen

Typische waarden

Opslaan en delen

Uw ontwerp wordt automatisch in deze browser opgeslagen. Link kopiëren maakt een URL met alle invoer, PDF exporteren een ontwerprapport met de rekenstappen, en Afdrukken drukt de pagina af.

De resultaten zijn technische schattingen voor conceptontwerp (ongeveer ±15–30 %). Valideer definitieve ontwerpen met CFD of test.