CN110595239A - 重力驱动自然对流-相变耦合散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力驱动自然对流‑相变耦合散热装置，包括蒸发板、冷凝板、储液器、气体管路、液体管路；所述蒸发板的液体入口与储液器的液体出口通过液体管路相连，所述冷凝板上端的进口与蒸发板的出口通过气体管路相连；所述冷凝板的下端出口与储液器的进口通过液体管路相连，由此形成装置的循环回路；本发明的散热装置可应用于自然对流条件下的电力设备散热。

Description

重力驱动自然对流-相变耦合散热装置

技术领域

本发明属于电力设备散热装置，特别是一种重力驱动自然对流-相变耦合散热装置。

背景技术

近年来，随着电网系统的发展，低压单相用电负荷增长迅猛，由此引发的配电变压器三相负荷不平衡现象日渐突出。通过使用可关断的IGBT等开关部件进行适当的触发 控制，可输出幅值可调、相位角可调的电流或电压，从而实现平衡三相负荷电流和无功 补偿的功能。在工作过程中大功率IGBT模块会产生很大的损耗，这些损耗通常会变为 废热，为防止大功率IGBT模块因为过热而损坏，需要对其进行及时有效的散热。

目前IGBT模块所在的机柜内部经常使用单相受迫对流换热技术，需要外部动力，增加了机柜内部的能耗。而相比采用强迫对流换热技术，自然冷却噪音小，不需要外部 动力，运行稳定，因而更适用于无人值守等场合且可以有效减小能耗。对于大功率电力 设备而言，自然对流较低的散热能力限制了其应用，因而可以采用增大对流换热面积的 方式强化自然对流的散热能力。而随着换热面积的增大，传统的冷凝板不能将热源废热 有效的传递至冷凝板远离热源的位置，因而散热效率不高，而工质相变时温度均匀一致 且传热系数较高，具有高导热性和良好的均温性，且相变换热技术如环路热管、均温板、 重力热管等得到了广泛的应用，因而可以考虑将相变换热技术应用到冷凝板内部。对于 应用于大功率电力设备的散热装置而言，可以采用相变换热技术将热源处的热量有效均 匀地传递至散热装置表面，从而实现对大功率电力设备的及时有效散热。

各国研究人员都对相变换热技术进行了广泛的研究，特别是针对通过相变换热远距 离传输热量如环路热管等给与了很多的关注。但是针对大功率电力设备，其换热量非常大，目前多采用水冷、风冷等方式对散热装置进行冷却。文献(Song H,Zhi-Chun L,Jing Z,et al.Experimental study of an ammonia loop heat pipe with a flat plateevaporator,International Journal of Heat and Mass Transfer,(102)2016,1050-1055.)对具有平板蒸发器的氨环路热管热特性进行了 研究，环路热管冷凝器通过水冷进行冷却，实验结果表明加热功率在20W-110W之间时， 该回路能在无温度振荡的情况下成功启动和运行，系统对热负荷循环的响应也很快。但 是针对无人值守的大功率电力设备，自然对流散热才是其优选散热方式，因而文献中采 用水冷的散热装置不适用于自然对流条件下的大功率电力设备。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种重力驱动自然对流-相变耦合散热装置，以 提供一种适用于自然对流条件下的电力设备散热装置，且无需外部动力，减小散热装置体积。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种重力驱动自然对流-相变耦合散热装置，包括蒸发板、冷凝板、储液器、气体管路、液体管路；

所述蒸发板的液体入口与储液器的液体出口通过液体管路相连，所述冷凝板上端的 进口与蒸发板的出口通过气体管路相连；所述冷凝板的下端出口与储液器的进口通过液 体管路相连，由此形成装置的循环回路。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)多块冷凝板和蒸发板相结合，蒸发流道，冷凝流道22以及管路所形成的相变循环回路可对大功率电力设备进行有效散热，浮力驱动气体工质上升，重力驱动工质下降，无需外部动力就可以将废热从蒸发板传递至冷凝板，散热装置体积小。

(2)蒸发板微通道结构可以加强工质与蒸发板内表面的热交换，从而强化了蒸发板的换热性能。

(3)冷凝板具有多块相互平行结构尺寸相同的冷板，结构紧凑，在大大增加散热表面积的同时减少了所需空间。

(4)冷凝板入口横向流道21呈圆弧形，从而保证进入单个冷凝板的工质均匀分配到每根竖向冷凝流道22中。

附图说明

图1是本发明的重力驱动自然对流-相变耦合散热装置结构示意图。

图2是散热器内部流道结构示意图。

图3为实施例散热装置结构示意图。

图4是蒸发板结构剖面图。

图5是冷凝板内部流道不均匀度随角度变化图。

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。

结合图1，本发明的一种重力驱动自然对流-相变耦合散热装置，包括蒸发板1、冷凝板2、储液器3、气体管路4、液体管路5；

所述蒸发板1的液体入口与储液器3的液体出口通过液体管路5相连，所述冷凝板2上端的进口与蒸发板1的出口通过气体管路4相连；所述冷凝板2的下端出口与储液 器3的进口通过液体管路5相连，由此形成装置的循环回路。所述蒸发板1的进出口位 于蒸发板1的对角两端；所述冷凝板2的进出口分别位于板的顶部中间和底部中间；使 得工质在蒸发板1和冷凝板2内部每个槽道内的流阻相同，保证工质与蒸发板1和冷凝 板2进行充分热交换。所述蒸发板1内设有多个平行的蒸发微通道；所述冷凝板2进口、 出口均设有横向流道21，内设有m(m≥2)个平行的竖向冷凝流道22，将进口横向流 道21和出口横向流道21相连；所述进口横向流道21呈向下弯曲的圆弧形，出口横向 流道21呈向上弯曲的圆弧形，保证工质从进口横向流道21到每根竖向冷凝流道22的 流动阻力损失尽量接近，以及每根竖向冷凝流道22到出口横向流道21的流动阻力损失 接近。

阻力损失计算公式为：

式中，Δp_i为工质从入口到第i根冷凝流道的流动阻力损失，λ_i为摩擦系数，l_i为流动路径长度，d为管路当量直径，ρ为工质密度，u为工质流动速度。

流动路径长度l_i与横向流道21的圆弧角α满足：

式中，m为冷凝流道22总数目，d_g为冷凝流道22宽度，d_j为相邻冷凝流道22的 间距，α为圆弧形横向流道21的角度。

摩擦系数λ可通过下式计算：

式中，ε为管路粗糙度。

通过改变圆弧形横向流道21的角度α，可以改变流动路径长度l_i，从而最终改变流动阻力损失，通过优化圆弧形管路角度α，使得工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流 动阻力损失尽量接近，工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流动阻力损失越接近，竖 向冷凝流道22不均匀度越小。

所述冷凝板2竖向冷凝流道22不均匀度可用下式计算：

式中，Q_i为第i根冷凝流道22工质流量，为m根冷凝流道22平均工质流量。

所述冷凝流道22或蒸发微通道由相互平行的槽道构成。

进一步的，所述蒸发板1内部分布有多个呈阵列的加强柱，极大地增强蒸发板1的结构强度。

在一些实施方式中，所述蒸发板1为多个，多个蒸发板1与水平面以一定的倾斜角度进行阵列排布。

进一步的，所述冷凝板2底部安装有支架，便于冷凝板2的通风。

进一步的，所述冷凝板2外侧表面也间隔设置有相互平行的翅片，可以使得整个装置的散热表面积进一步增大。

蒸发板1位于整个装置底部，使用时，蒸发板1和电力设备发热器件直接贴合，器件产生的废热可通过蒸发板1内部工质传至冷凝板2，无需外部输入动力，具有倾斜角 度的蒸发板1使得发生相变的工质在浮升力作用下进入冷凝板2，冷凝后的工质在重力 驱动下回流到蒸发板1。

实施例

结合图3、图4，为本发明的具有2块蒸发板、22块分冷凝板、单个冷凝板具有39 根冷凝流道22和单个蒸发板具有200根蒸发微通道时的重力驱动自然对流-相变耦合散 热装置，包括第一蒸发板1-1和第二蒸发板1-2、22块分冷凝板组成的冷凝板2、储液 器3、气体管路4、液体管路5；所述蒸发板1包括200个蒸发微通道；所述冷凝板2 包括39个冷凝流道22；

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，蒸发板1-1和蒸发板1-2的气体出口通过气体管路4与第一分冷凝板2-1、第二分冷凝板2-2 直至第22分冷凝板2-22的入口相连，22个分冷凝板的出口与储液器3的入口相连，构 成整个装置的循环回路。

冷凝流道22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，22个分冷凝板的槽道数量均为39个，每根槽道都构成矩形结构，蒸发板的进出口位于蒸发板的对角两端，冷凝板2 的进出口分别位于板的顶部和底部中间，使得工质蒸发板和冷凝板内部每个槽道内的流 阻相同，保证工质与蒸发板和冷凝板进行充分热交换。

所述冷凝板2入口横向流道21呈向下弯曲的圆弧形，出口流道呈向上弯曲的圆弧形，保证工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流动阻力损失尽量接近，阻力损失计算 公式为：

式中，Δp_i为工质从入口到第i根冷凝流道的流动阻力损失，λ_i为摩擦系数，l_i为流动路 径长度，d为管路当量直径，ρ为工质密度，u为工质流动速度。

流动路径长度l_i与横向流道21的圆弧角α满足：

式中，m为冷凝流道总数目，d_g为冷凝流道宽度，d_j为相邻冷凝流道的间距，α为 圆弧形横向流道21的角度。

摩擦系数λ可通过下式计算：

式中，ε为管路粗糙度。

通过改变圆弧形横向流道21的角度α，可以改变流动路径长度l_i，从而最终改变流动阻力损失，通过优化圆弧形管路角度α，使得工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流 动阻力损失尽量接近，工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流动阻力损失越接近，竖 向冷凝流道22不均匀度越小。

所述冷凝板2竖向冷凝流道22不均匀度可用下式计算：

式中，Q_i为第i根竖向流道工质流量，为m根竖向流道平均工质流量。

蒸发板L₁长度为100-500mm，宽度W₁为100-500mm，厚度H₁为1.5-15mm，冷板 内部蒸发微通道长度L₂为80-480mm，宽度W₂为0.1-0.5mm，深度H₂为0.1-2mm，冷 凝板长度L₃为1000-3000mm，宽度W₃为300-1500mm，厚度H₃为3-15mm，冷凝板内 部竖向冷凝流道22长度L₄为900-2900mm，宽度W₄为3-15mm，深度H₄为1-14mm， 冷凝板顶部气体管路渐缩角度为1°-10°，冷凝板内部圆弧形管路角度为27.5°-52.5°。

本发明的重力驱动自然对流-相变耦合散热装置的工作过程为：

具有一定倾斜角度的蒸发板内部工质受热升温，发生相变产生气体工质，气体工质 在浮力驱动下通过气体管路4均匀分配到22个分冷凝板中，进入单个冷凝板2的气体 工质通过横向圆弧形管路均匀分配到每根竖向冷凝流道22中，气体工质在冷凝流道22 中与周围壁面进行热交换，然后重力驱动冷凝后的液体工质向下流动，通过液体管路5 进入储液器3，然后再通过液体管路5进入蒸发板1-1和蒸发板1-2中，从而完成了装 置内部的循环流动过程。在此过程中，热源产生的废热通过工质的相变从蒸发板传递至 冷凝板2，然后通过冷凝板2-1、冷凝板2-2直至冷凝板2-22的表面自然对流释放到周 围环境，自然对流-相变耦合的装置具有优良的传热及散热性能，热源处的温度也得到 了很好的控制。

例如：在工质为R245fa，充液率40％，总的加热功率3600W，操作环境温度40℃， 如图5所示，圆弧形管路角度为40°时不均匀度达到最小值，表明在此角度下竖向流道 中工质流量分配更均匀。对于每块蒸发板上热流密度从31.7W/cm²-156.6W/cm²的非均 匀分布的热源，装置最高温度为74℃，蒸发板传热热阻为5.67×10^-3℃/W，装置传热热 阻为1.08×10^-3℃/W，对于大功率的电力设备，该装置在自然对流条件下具有很好的传 热及散热性能。

Claims (7)

1.一种重力驱动自然对流-相变耦合散热装置，其特征在于，包括蒸发板(1)、冷凝板(2)、储液器(3)、气体管路(4)、液体管路(5)；

所述蒸发板(1)的液体入口与储液器(3)的液体出口通过液体管路(5)相连，所述冷凝板(2)上端的进口与蒸发板(1)的出口通过气体管路(4)相连；所述冷凝板(2)的下端出口与储液器(3)的进口通过液体管路(5)相连，由此形成装置的循环回路。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述蒸发板(1)的进出口位于蒸发板(1)的对角两端；所述冷凝板(2)的进出口分别位于板的顶部中间和底部中间；所述蒸发板(1)内设有多个平行的蒸发微通道；所述冷凝板(2)进口、出口均设有横向流道(21)，内设有m个平行的竖向冷凝流道(22)，将进口横向流道(21)和出口横向流道(21)相连，m≥2；所述进口横向流道(21)呈向下弯曲的圆弧形，出口横向流道(21)呈向上弯曲的圆弧形。

3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述冷凝板(2)内横向流道(21)的圆弧角α与流动路径长度l_i满足：

式中，m为冷凝流道(22)总数目，d_g为冷凝流道(22)宽度，d_j为相邻冷凝流道(22)的间距，α为圆弧形横向流道(21)的角度。

4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述蒸发板(1)内部分布有多个呈阵列的加强柱。

5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述蒸发板(1)为多个，多个蒸发板1与水平面呈倾斜角度进行阵列排布。

6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述冷凝板(2)底部安装有支架。

7.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述冷凝板(2)外侧表面间隔设置有相互平行的翅片。