CN110362892B - 相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，首先根据电子设备结温及传热热阻计算蒸发板外表面及内表面温度；然后根据设定的蒸发板内表面过热度计算蒸发板热流密度；根据蒸发板内表面温度及过热度计算蒸发板内部工质的温度；根据设定的冷凝板内表面温度计算冷凝板内部冷凝对流换热系数；根据冷凝对流换热系数计算凝结对流换热热阻；根据设定的冷凝板表面换热量、凝结对流换热热阻、冷凝板导热热阻以及计算的蒸发板内工质温度，分别计算冷凝板内外表面温度；根据冷凝板基板及肋片外表面温度计算基板及肋片外表面自然对流换热系数；计算冷凝板外表面自然对流换热量；本发明可获得相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸。

Description

相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法

技术领域

本发明属于一种电子设备散热装置肋片最佳尺寸参数确定方法，具体涉及针对大功率电力设备的相变型自然冷却散热器热设计方法。

背景技术

近年来，随着电力电子行业的快速发展，电力电子设备向大功率、集成化方向发展，其散热问题日益突出，大功率设备的损耗产热会造成其温度升高，从而影响其工作性能和使用寿命。针对大功率电力设备温度过高的情况，需要采取更为有效的散热措施，目前经常采用的散热方式有自然对流散热、风冷、水冷以及热管技术等。自然对流散热因具有低噪音，运行稳定，无需外部动力，简便等特点而成为电力设备理想的散热方式。但是自然对流较低的散热能力成为了限制，因而需要对自然对流散热系统的尺寸参数进行优化，从而强化其散热性能。文献1(Huang G J,Wong S C,Lin C P.Enhancement of naturalconvection heat transfer from horizontal rectangular fin arrays withperforations in fin base,International Journal of Thermal Sciences,84(2014),164-174.)介绍了基板穿孔的水平矩形肋片阵列，通过优化穿孔长度改善翅片表面的通风，从而提高表面自然对流换热系数。文献2(Awasarmol U V,Pise AT.An experimentalinvestigation of natural convection heat transfer enhancement from perforatedrectangular fins array at different inclinations,Experimental Thermal&FluidScience,68(2015),145-154.)实验研究了不同倾角下多孔矩形肋片阵列自然对流散热性能的强化，通过优化孔的尺寸参数以及倾斜角度，提高肋片阵列的传热系数。

在采用自然对流散热器对大功率高集成度的电力设备进行散热时，还需要将热量有效均匀传递到散热器表面以增加散热器的散热效率，此时考虑到相变换热具有的高导热性和良好的均温性，通过自然对流与相变的耦合强化散热系统的换热性能。文献1、文献2都是基于固体基板进行的研究，没有考虑基板内部具有相变时的肋片尺寸参数优化方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，更好地解决户外无人值守情况下大功率电力设备散热问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电子设备结温及传热热阻计算蒸发板外表面及内表面温度；

步骤2、根据设定的蒸发板内表面过热度计算蒸发板热流密度，判定计算值与实际热流密度是否一致，若一致则过热度设定正确，若不一致则重新设定过热度；

步骤3、根据蒸发板内表面温度及过热度计算蒸发板内部工质的温度；

步骤4、根据设定的冷凝板内表面温度计算冷凝板内部冷凝对流换热系数；

步骤5、根据冷凝对流换热系数计算凝结对流换热热阻；

步骤6、根据设定的冷凝板表面换热量、凝结对流换热热阻、冷凝板导热热阻以及之前计算的蒸发板内工质温度，分别计算冷凝板内外表面温度；

步骤7、根据冷凝板基板及肋片外表面温度计算基板及肋片外表面自然对流换热系数；

步骤8、根据基板及肋片外表面自然对流换热系数计算冷凝板外表面自然对流换热量，判定计算值与设定的自然对流换热量是否一致，若一致则自然对流换热量设定正确，若不一致则重新设定自然对流换热量。

与现有技术相比，本发明额显著优点为：(1)本发明建立了自然对流-相变耦合传热模型，考虑自然对流与相变之间的相互影响作用，可以计算相变型自然冷却散热器的自然对流散热量。(2)本发明可以快速有效计算自然对流散热肋片的结构尺寸参数对相变型自然冷却散热器的自然对流散热量的影响。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法的流程图。

图2是本发明的相变型自然冷却散热器示意图。

图3是本发明的相变型自然冷却散热器换热量随肋片间距变化图。

图4是本发明的相变型自然冷却散热器换热量随肋片厚度变化图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

一种最佳尺寸参数确定方法基于图中2相变型自然冷却散热器，该散热器包括蒸发板、冷凝板、储液器3、肋片4、连接管路；所述蒸发板1内设多个蒸发微通道；所述冷凝板内设多个冷凝流道；所述储液器3的出口与第一蒸发板1-1和第二蒸发板1-2的液体入口相连，第一蒸发板1-1和第二蒸发板1-2的气体出口通过管路与第一冷凝板2-1和第二冷凝板2-2的入口相连，第一冷凝板2-1和第二冷凝板2-2的出口与储液器3的入口相连，构成整个装置的循环回路。第一冷凝板2-1和第二冷凝板2-2相对的内侧表面均间隔设置有相互平行肋片4，使得装置的散热表面积大大增加，肋片4均垂直于基板的表面，且肋片4的长度方向平行于冷凝流道的方向。

结合图1、图2，本发明的一种相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、计算蒸发板外表面及内表面温度：

1.1、根据电力设备结温及传热热阻计算蒸发板外表面温度T_plate,o：

T_plate,o＝T_j-ΔT＝T_j-q₁·A_plate·R

1.2、根据蒸发板外表面温度计算蒸发板内表面温度T_plate,i：

式中，T_j为电力设备结温，q₁为单个热源热流密度，R为热源与蒸发板之间的传热热阻，L_plate为热流传递方向的长度，A_plate为热流传递方向的截面积，k_plate为蒸发板热导率。

步骤2、计算蒸发板热流密度

2.1、根据设定的蒸发板内表面过热度计算蒸发板热流密度q_s”：

式中，μ_l为液体工质动力粘度，g为重力加速度，h_fg为液体工质潜热，ρ_l为液体工质密度，ρ_v为气体工质密度，σ为工质表面张力，c_p,l为液体工质的定压比热，ΔT_e为设定的过热度，Pr_l为液体普朗特数。

2.2、判定计算所得蒸发板热流密度q_s”与q₁是否一致，若一致则设定的过热度ΔT_e设定正确。若不一致则重新设定设定的过热度ΔT_e。

步骤3、计算蒸发板内部工质温度

根据蒸发板内表面温度及过热度可以得到蒸发板内部工质的温度T_w：

T_w＝T_plate,i-ΔT_e

步骤4、计算冷凝板内部冷凝对流换热系数

根据设定的冷凝板表面换热量计算冷凝板内部冷凝对流换热系数h_L：

式中，L为冷凝板内部相变换热长度，T_hs,i为设定的冷凝板内表面温度，h’_fg为修正潜热，Re_δ为雷诺数：

式中，k_l为液体热导率，T_sat为工质饱和温度，ν_l为液体运动黏度，对于具体的问题，上述三式均可用于求解Re_δ，产生三个可能的雷诺数值，正确的值处于与式子同列的应用范围内的那个值。

步骤5、计算凝结对流换热热阻

根据冷凝对流换热系数计算凝结对流换热热阻R_pc：

式中，R_pc为凝结对流换热热阻，A_pc为冷凝面积。

步骤6、计算冷凝板内表面及外表面温度

6.1、根据设定的冷凝板表面换热量、凝结对流换热热阻以及之前计算所得的蒸发板内工质温度，计算冷凝板内表面温度T_hs,i：

T_hs,i＝T_w-Q₂·R_pc

式中，T_hs,i为冷凝板内表面温度，Q₂为设定的冷凝换热量。

6.2、判定计算所得冷凝板内表面温度与步骤4中设定值是否一致，若一致则T_hs,i设

定正确。若不一致，重新设定T_hs,i。

6.3、根据冷凝板内表面温度及冷凝板导热热阻可得冷凝板外表面温度T_hs,o：

T_hs,o＝T_hs,i-Q₂·R_hs

式中，T_hs,o为冷凝板外表面温度，R_hs为冷凝板导热热阻。

步骤7、计算基板及肋片外表面自然对流换热系数

根据冷凝板基板及肋片外表面温度计算基板及肋片外表面自然对流换热系数。

7.1、计算冷凝板基板外表面自然对流换热系数

式中，

为冷凝板外表面平均努塞尔数，k_air为空气热导率，L_c为冷凝板长度，

式中，Ra_L为冷凝板表面瑞利数，Pr为空气普朗特数，β为容积热膨胀系数，T_∞为外部环境温度，α为空气热扩散系数，ν为空气运动粘度。

7.2、计算肋片外表面自然对流换热系数

式中，

为翅片表面平均努塞尔数，L_fin为肋片长度，

式中，S为肋片间距。

步骤8、计算冷凝板外表面自然对流换热量

根据基板及肋片外表面自然对流换热系数可以得到冷凝板外表面自然对流换热量，并与假定的自然对流换热量相比较，若结果一致则可得到自然对流换热量的正确值：

8.1、根据基板外表面自然对流换热系数计算冷凝板基板外表面自然对流换热量Q_hs：

式中，A_c为冷凝板基板与外部热交换表面积。

8.2、根据肋片外表面自然对流换热系数计算冷凝板肋片外表面自然对流换热量Q_fin：

式中，A_fin为肋片表面积，η为肋片效率，

A_fin＝2N·L_fin·H

H_fin＝H+d/2

式中，N为肋片个数，k_fin为肋片热导率，d为肋片厚度，H为肋片高度。

8.3、计算冷凝板外表面自然对流换热量Q_total：

Q_total＝Q_hs+Q_fin

8.4、判定冷凝板外表面自然对流换热量Q_total与设定的自然对流散热量是否一致，若一致，则设定正确。

实施例

一种相变型自然冷却散热器，具有两块蒸发板、30根冷凝流道和200根蒸发微通道时的具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，包括蒸发板、冷凝板、储液器3、肋片4、管路；所述蒸发板1包括200个蒸发微通道；所述冷凝板2包括30个冷凝流道；所述储液器3的出口与蒸发板1-1和蒸发板1-2的液体入口相连，蒸发板1-1和蒸发板1-2的气体出口通过管路与冷凝板2-1和冷凝板2-2的入口相连，冷凝板2-1和冷凝板2-2的出口与储液器3的入口相连，构成整个装置的循环回路。冷凝流道或蒸发微通道由相互平行的槽道构成，槽道设置在蒸发板1或冷凝板2内，流体在槽道内部流动；单个基板内的槽道的流向一致。所述蒸发板1-1和蒸发板1-2的槽道数量均为200个，冷凝板2-1和冷凝板2-2的槽道数量均为30个，每根槽道都构成矩形结构，管路对称设置在蒸发板1或冷凝板2的对角两端，使得流体在冷凝流道或蒸发流道内的流动距离一致，流体在每个槽道内的流动阻力一致，使得换热更加均匀充分。所述冷凝板2-1与冷凝板2-2相对的内侧表面均间隔设置有相互平行肋片4，使得装置的散热表面积大大增加，肋片4均垂直于基板的表面，且肋片4的长度方向平行于冷凝流道的方向，单侧的肋片4的数量都为50个，冷凝板2-1的肋片4与冷凝板2-2的肋片4之间具有间隙，便于肋片4之间的通风。

上述相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、计算蒸发板外表面及内表面温度：

1.1、根据电力设备结温及传热热阻计算蒸发板外表面温度:

T_plate,o＝T_j-ΔT＝T_j-q₁·A_plate·R

1.2、根据蒸发板外表面温度计算蒸发板内表面温度:

式中，T_plate,o为蒸发板外表面温度，T_j为电力设备结温，q₁为单个热源热流密度，R为热源与蒸发板之间的传热热阻，T_plate,i为蒸发板内表面温度，L_plate为热流传递方向的长度，A_plate为热流传递方向的截面积，k_plate为蒸发板热导率。本实施例中，T_j＝363.15K，A_plate＝0.01m²，R＝0.029K/W，L_plate＝0.002m，k_plate＝377W/(m·K)。

步骤2、计算蒸发板热流密度

2.1、根据设定的蒸发板内表面过热度计算蒸发板热流密度：

式中，q_s”为热流密度，μ_l为液体工质动力粘度，g为重力加速度，h_fg为液体工质潜热，ρ_l为液体工质密度，ρ_v为气体工质密度，σ为工质表面张力，c_p,l为液体工质的定压比热，ΔT_e为设定的过热度，Pr_l为液体普朗特数。本实施例中，工质为R245fa。

2.2、判定计算所得蒸发板热流密度q_s”与q₁是否一致，若一致则ΔT_e设定正确。若不一致则重新设定ΔT_e。

步骤3、计算蒸发板内部工质温度

根据蒸发板内表面温度及过热度可以得到蒸发板内部工质的温度；：

T_w＝T_plate,i-ΔT_e

式中，T_w为蒸发板内部工质温度。

步骤4、计算冷凝板内部冷凝对流换热系数

根据设定的冷凝板表面换热量计算冷凝板内部冷凝对流换热系数h_L：

式中，L为冷凝板内部相变换热长度，T_hs,i为设定的冷凝板内表面温度，h’_fg为修正潜热，Re_δ为雷诺数：

式中，k_l为液体热导率，T_sat为工质饱和温度，ν_l为液体运动黏度，对于具体的问题，上述三式均可用于求解Re_δ，产生三个可能的雷诺数值，正确的值处于与式子同列的应用范围内的那个值。本实施例中，L＝2m。

步骤5、计算凝结对流换热热阻

根据冷凝对流换热系数计算凝结对流换热热阻R_pc：

式中，R_pc为凝结对流换热热阻，A_pc为冷凝面积。本实施例中，A_pc＝0.75m²。

步骤6、计算冷凝板内表面及外表面温度

6.1、根据设定的冷凝板表面换热量、凝结对流换热热阻以及之前计算所得的蒸发板内工质温度，计算冷凝板内表面温度T_hs,i：

T_hs,i＝T_w-Q₂·R_pc

式中，T_hs,i为冷凝板内表面温度，Q₂为设定的冷凝换热量。

6.2、判定计算所得冷凝板内表面温度与步骤4中设定值是否一致，若一致则T_hs,i设定正确。若不一致，重新设定T_hs,i。

6.3、根据冷凝板内表面温度及冷凝板导热热阻可得冷凝板外表面温度T_hs,o：

T_hs,o＝T_hs,i-Q₂·R_hs

式中，T_hs,o为冷凝板外表面温度，R_hs为冷凝板导热热阻。

步骤7、计算基板及肋片外表面自然对流换热系数

根据冷凝板基板及肋片外表面温度计算基板及肋片外表面自然对流换热系数。

7.1、计算冷凝板基板外表面自然对流换热系数：

式中，

为冷凝板外表面平均努塞尔数，k_air为空气热导率，L_c为冷凝板长度，

式中，Ra_L为冷凝板表面瑞利数，Pr为空气普朗特数，β为容积热膨胀系数，T_∞为外部环境温度，α为空气热扩散系数，ν为空气运动粘度。本实施例中，L_c＝2.2m。

7.2、计算肋片外表面自然对流换热系数：

式中，

为翅片表面平均努塞尔数，L_fin为肋片长度，

式中，S为肋片间距。本实施例中，L_fin＝2m，0.005m≤S≤0.025m。

步骤8、计算冷凝板外表面自然对流换热量

根据基板及肋片外表面自然对流换热系数可以得到冷凝板外表面自然对流换热量，并与假定的自然对流换热量相比较，若结果一致则可得到自然对流换热量的正确值：

8.1、根据基板外表面自然对流换热系数计算冷凝板基板外表面自然对流换热量：

式中，A_c为冷凝板基板与外部热交换表面积。

8.2、根据肋片外表面自然对流换热系数计算冷凝板肋片外表面自然对流换热量：

式中，A_fin为肋片表面积，η为肋片效率，

A_fin＝2N·L_fin·H

H_fin＝H+d/2

式中，N为肋片个数，k_fin为肋片热导率，d为肋片厚度，H为肋片高度。

8.3、计算冷凝板外表面自然对流换热量：

Q_total＝Q_hs+Q_fin

8.4、判定Q_total与设定的自然对流散热量是否一致，若一致，则设定正确。本实施例中，A_c＝3.52m²，31≤N≤145，0.0001m≤d≤0.001m，H＝0.2m。

本实施例中，冷凝板尺寸为2.2m×0.8m×0.01m，蒸发板尺寸为0.3m×0.2m×0.0065m，肋片长度为2m，高度为0.2m,环境温度为40℃，IGBT结温为90℃，图3为三种厚度的肋片在不同肋片间距下的散热量，由图3可看出散热装置在肋片间距为15mm时具有最大换热量；图4为肋片间距为15mm时散热装置在不同肋片厚度下与外部环境的换热量，随着肋片厚度的增大，换热量也随之增大，但是增长趋势趋于平缓，综合考虑散热装置成本与散热量，选择合适的肋片厚度。本实施例通过考虑自然对流与相变耦合，对散热装置肋片尺寸参数进行优化设计计算，肋片尺寸参数达到最佳值时装置换热量达到最大，因而可以通过换热量的变化趋势判定肋片尺寸参数是否达到最佳，计算具有一定的快速性和准确性。

Claims (7)

1.一种相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据电子设备结温及传热热阻计算蒸发板外表面及内表面温度；

步骤2、根据设定的蒸发板内表面过热度计算蒸发板热流密度，判定计算值与实际热流密度是否一致，若一致则过热度设定正确，若不一致则重新设定过热度；蒸发板热流密度q_s”为：

其中μ_l为液体工质动力粘度，g为重力加速度，h_fg为液体工质潜热，ρ_l为液体工质密度，ρ_v为气体工质密度，σ为工质表面张力，c_p,l为液体工质的定压比热，ΔT_e为设定的过热度，Pr_l为液体普朗特数；

步骤3、根据蒸发板内表面温度及过热度计算蒸发板内部工质的温度；

步骤4、根据设定的冷凝板内表面温度计算冷凝板内部冷凝对流换热系数；冷凝板内部冷凝对流换热系数h_L为：

其中L为冷凝板内部相变换热长度，T_hs,i为设定的冷凝板内表面温度，h’_fg为修正潜热，Re_δ为雷诺数；

步骤5、根据冷凝对流换热系数计算凝结对流换热热阻；

步骤6、根据设定的冷凝板表面换热量、凝结对流换热热阻、冷凝板导热热阻以及之前计算的蒸发板内工质温度，分别计算冷凝板内外表面温度；

步骤7、根据冷凝板基板及肋片外表面温度计算基板及肋片外表面自然对流换热系数；

步骤8、根据基板及肋片外表面自然对流换热系数计算冷凝板外表面自然对流换热量，判定计算值与设定的自然对流换热量是否一致，若一致则自然对流换热量设定正确，若不一致则重新设定自然对流换热量。

2.根据权利要求1所述的相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，其特征在于，步骤1中计算蒸发板外表面温度T_plate,o为：

T_plate,o＝T_j-ΔT＝T_j-q₁·A_plate·R

蒸发板内表面温度T_plate,i为：

其中T_j为电力设备散热结温，ΔT为热源与蒸发板外表面之间的温差，q₁为单个热源热流密度，R为热源与蒸发板之间的传热热阻；L_plate为热流传递方向的长度，A_plate为热流传递方向的截面积，k_plate为蒸发板热导率。

3.根据权利要求1所述的相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，其特征在于，步骤3中的蒸发板内工质的温度为：

T_w＝T_plate,i-ΔT_e

式中，T_w为蒸发板内工质温度，T_plate,i为蒸发板内表面温度。

4.根据权利要求1所述的相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，其特征在于，步骤5中冷凝板内部凝结对流换热热阻R_pc为：

式中A_pc为冷凝面积。

5.根据权利要求1所述的相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，其特征在于，步骤6中冷凝板内表面温度为：

T_hs,i＝T_w-Q₂·R_pc

冷凝板外表面温度T_hs,o为：

T_hs,o＝T_hs,i-Q₂·R_hs

式中Q₂为设定的冷凝换热量，T_w为蒸发板内工质温度，R_pc为冷凝板内部凝结对流换热热阻，R_hs为冷凝板导热热阻。

6.根据权利要求1所述的相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，其特征在于，步骤7中肋片外表面自然对流换热系数

为：

式中，

为翅片表面平均努塞尔数，L_fin为肋片长度，k_air为空气热导率。

7.根据权利要求1所述的相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法，其特征在于，步骤8计算冷凝板外表面自然对流换热量包括以下步骤：

步骤8.1、根据基板外表面自然对流换热系数计算冷凝板基板外表面自然对流换热量Q_hs：

式中，A_c为冷凝板基板与外部热交换表面积，

为冷凝板基板外表面自然对流换热系数，T_hs,o为冷凝板外表面温度，T_∞为外部环境温度，；

步骤8.2、计算冷凝板肋片外表面自然对流换热量Q_fin：

式中，A_fin为肋片表面积，η为肋片效率，

为肋片外表面自然对流换热系数；

步骤8.3、计算冷凝板外表面自然对流换热量：

Q_total＝Q_hs+Q_fin。

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