Ymchwil PhD yn y Sbotolau

Mae Andrew Sharp yn Uwch Ddarlithydd mewn Peirianneg Drydanol yma ym Mhrifysgol Wrecsam a hefyd yn ei bumed flwyddyn o’i astudiaethau ymchwil ôl-raddedig.

Mae ymchwil Andrew ar “Gwella Graddiant Tymheredd Modiwlau Lled-ddargludyddion Pŵer wedi’u Gosod ar Sinc Wres Aer Gwthiol”. Mae’n bwriadu cyflwyno ei draethawd ymchwil PhD yn 2026. Yn ystod y flwyddyn academaidd ddiwethaf, llwyddodd Andrew i sicrhau cyllid a'i galluogodd i brynu synwyryddion, gweithgynhyrchu Byrddau Cylchred wedi’u Hargraffu (PCBs) a gwella dyluniad yr offer profi. Isod rhoddir trosolwg o ymchwil Andrew a’r canlyniadau hyd yma.

Ym mis Ionawr 2024, cyflwynodd Andrew ei ymchwil fel rhan o Gyfres o Seminarau Ymchwil Cyfadran y Celfyddydau, Cyfrifiadura a Pheirianneg (FACE). Gellir cael trosolwg o’i gyflwyniad yma. 

Gwybodaeth Gefndirol

• Adroddwyd bod tua thraean o gyfanswm methiannau cydrannau mewn dyfeisiau electronig pweredig yn digwydd oherwydd methiant lled-ddargludyddion pŵer.
• Ystyrir bod sinciau gwres goddefol ac wedi'u hoeri ag aer gwthiol yn atebion effeithiol a rhad, fe’u defnyddir yn helaeth mewn gosodiadau diwydiannol. Fel arfer maent yn floc o alwminiwm gydag adenydd wedi'u torri i mewn i'r gwaelod, i drosglwyddo gwres i ffwrdd o'r ddyfais lled-ddargludydd.
• Yn achos oeri ag aer gwthiol, mae ffan wedi'i gosod ar un ochr i'r sinc wres i ddarparu llif aer trwy'r adenydd.
• Mae cyfluniad sinc wres o'r fath yn achosi gwahaniaeth tymheredd (graddiant) ar hyd y sinc wres.
• Mae graddiant tymheredd uchel yn creu straen mecanyddol yn strwythur y lled-ddargludydd, ac mae'n cael effaith negyddol ar ddibynadwyedd gweithrediad ac oes y modiwl.
• Nod fy ymchwil PhD yw cynnig datrysiad trwy wneud addasiad syml i sinc wres safonol i arwain at ddosbarthu tymheredd yn gyfartal ar draws y sinc wres, lleihau’r straen thermol-fecanyddol ar y cydrannau lled-ddargludydd a thrwy hynny atal methiant cynamserol.

Methodoleg

Modelu ac efelychu sinciau gwres gan ddefnyddio meddalwedd ANSYS, gyda chanlyniadau’r efelychu yn cael eu dilysu gan ddarlleniadau tymheredd ffisegol.

Un dull yw gwneud toriad V yn adenydd y sinc wres:

Ffigur 1 - toriad V yn adenydd sinc wres

Dull arall yw gwneud toriad siâp lletem i adenydd y sinc wres.

Ffigur 2 - toriad siâp lletem i adennydd sinc wres

Mae Canlyniadau’r Efelychiad yn cael eu dilysu gan fesuriadau tymheredd wedi’u cymryd ar offer profi pwrpasol sydd wedi'u dylunio a'u hadeiladu'n arbennig a'u gweithgynhyrchu ar gyfer yr ymchwil hon.

Ffigur 3 - offer profi mesur tymheredd sinc wres.

Canlyniadau

Ffigur  4 - Dosbarthiad tymheredd anghyfartal a dosbarthiad tymheredd cyfartal

Gellir gweld o Ffigur 4 bod y dull yr wyf yn ei gynnig yn ymddangos braidd yn wrth-reddfol gan fod angen codi'r tymheredd isaf i fod yn gyfartal â'r tymheredd uchaf er mwyn sicrhau dosbarthiad tymheredd mwy cyson.

Fodd bynnag, mae hyn yn dderbyniol cyn belled â nad yw'r tymheredd uchaf a gyrhaeddir yn uwch na thymheredd graddedig y ddyfais lled-ddargludydd. 

Ar gyfer y modiwlau electronig pweredig sydd ag arwynebedd mawr o'r strwythur lled-ddargludydd, mae'r graddiant tymheredd yn dod yn fater pwysicach o ran dibynadwyedd na'r tymheredd uchaf.

Cyhoeddiadau Ymchwil ac Allbwn

A.Mueller, C. Buennagel, S. Monir, A. Sharp, Y. Vagapov and A. Anuchin, “Numerical Design and Optimisation of a Novel Heatsink using ANSYS Steady-State Thermal Analysis,” in Proc. 27th Int. Workshop on Electric Drives (IWED), Moscow, Russia, 2020, pp. 1-5,

C. Bünnagel, S. Monir, A. Sharp, A. Anuchin, O. Durieux, I. Uria, and Y. Vagapov, “Forced air cooled heat sink with uniformly distributed temperature of power electronic modules,” Applied Thermal Engineering, vol. 199, Nov. 2021, Art no. 117560

A.Sharp, S. Monir, Y. Vagapov and R. J. Day, "Temperature Gradient Improvement of Power Semiconductor Modules Cooled Using Forced Air Heat Sink," 2022 XIV International Symposium on Industrial Electronics and Applications (INDEL), 2022, pp. 1-5

A. Sharp, S. Monir, R. J. Day, Y. Vagapov and A. Dianov, “A test rig for thermal analysis of heat sinks for power electronic applications,” in Proc. 19th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), Batumi, Georgia, 22-25 Sept. 2023, pp. 1-4,

Cyhoeddiadau i Ddod:

Papur wedi’i dderbyn ar gyfer cynhadledd a chaiff ei gyflwyno ym mis Tachwedd 2024: 
“Numerical Optimisation of Air-cooled Heat Sink Geometry to Improve Temperature Gradient of Power Semiconductor Modules”

Cysylltiadau â’r cwricwlwm

Mae’r ymchwil hon wedi bwydo i mewn i brosiectau israddedig ac ôl-raddedig nifer o fyfyrwyr, ym meysydd:

• Prosiectau sy'n seiliedig ar efelychiad ANSYS megis modelu sinciau gwres.
• Dyluniad electronig ar gyfer yr offer profi tymheredd, megis dylunio cylchedau i wneud mesuriadau tymheredd, dylunio a chynhyrchu cawell diogelwch, rheoleiddio gwasgariad y pŵer trwy'r dyfeisiau lled-ddargludyddion. 

Mae enwau rhai o'r myfyrwyr hyn wedi'u cynnwys yn y rhestr o awduron ar y cyhoeddiadau a restrir uchod.

Cysylltiadau â diwydiant
Mae Invertek Drives o’r Trallwng, wedi rhoi detholiad o sinciau gwres i’w defnyddio yn yr astudiaeth hon.

Tîm Goruchwylio

Prif Oruchwyliwr – Dr. Yuriy Vagapov

Goruchwylwyr Eilaidd – Yr Athro. Richard Day, Dr. Shafiul Monir, Dr. Mobayode Akinsolu