CN120282431B - 一种防爆电气箱散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防爆电气设备技术领域，本发明公开了一种防爆电气箱散热结构，它包括箱体和发热元件，箱体内部设有板型蒸发器，板型蒸发器外侧悬挂设置U型蒸发器，发热元件与U型蒸发器连接，箱体背部设有背板，背板外部设置第一冷凝管，第一冷凝管上设置多个第一翅片。本发明与现有技术相比的优点在于：依赖被动散热，避免电火花风险，无机械运动部件，故障率低，板型蒸发器与U型蒸发器嵌套设计，节省箱体内部空间，通过两路工质相变循环传热，实现热量的梯级传递，有效分散热负荷，第一翅片+导流罩的烟囱效应、毛细芯工质循环，散热效率高，利用工质相变潜热与自然对流散热，能耗极低。

Description

一种防爆电气箱散热结构

技术领域

本发明涉及防爆电气设备技术领域，具体是指一种防爆电气箱散热结构。

背景技术

防爆电气箱的散热结构设计是确保其在易燃易爆环境中安全运行的关键环节。由于防爆设备需要严格密封以防止内部爆炸或火花外泄，同时又要有效控制内部温升，其散热结构需兼顾防爆性能与热管理效率。

防爆电气箱的散热结构可分为自然散热、热交换散热和强制散热。

自然散热通常选择在箱体表面（通常为顶部或侧面）增加金属散热鳍片，增大散热面积，将热量传递至外部空气，但这种方式无法有效的将电气箱内部发热元件的热量传递至散热鳍片，导致散热设备整体散热能力有限，无法应对高温高负载场景。

热交换散热通常选择水冷/油冷系统，采用循环冷却液（水或油）带走热量，这种方式需配套防爆型泵和密封管路，循环泵作为机械运动部件需要定期保养维护，有一定的使用成本。

强制散热需要防爆型风扇或气泵，也可采用防爆空调或半导体制冷，但同样的防爆型风扇和防爆空调也需要定期维护避免故障，防爆空调或半导体制冷初期设备成本较高，只能在部分精密仪器或高温环境得以运用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的防爆电气箱散热结构局限较多，提供一种防爆电气箱散热结构。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种防爆电气箱散热结构，它包括箱体和发热元件，箱体正面设置箱门，箱体内部设有板型蒸发器，板型蒸发器外侧悬挂设置U型蒸发器，发热元件与U型蒸发器连接，箱体背部设有背板，背板外部设置第一冷凝管，第一冷凝管上设置多个第一翅片；

板型蒸发器内设有第二冷凝管，第二冷凝管一端设置液体总管，另一端设置气体总管，液体总管和气体总管延伸至板型蒸发器外部，U型蒸发器一侧设置液体支管与液体总管连接，另一侧设置气体支管与气体总管连接。

进一步，所述第一翅片沿竖直方向延伸，背板外部设置竖直方向贯通的导流罩，导流罩包裹在第一翅片外部。

再进一步，所述板型蒸发器内部一侧设置竖直方向延伸的虹吸腔，另一侧设置竖直方向延伸的导气腔，板型蒸发器底部设有回流通道将导气腔与虹吸腔连接。

更进一步，所述第一冷凝管顶端设有蒸汽接口，底端设有液体接口，虹吸腔底部设置回流接口与液体接口连接，导气腔顶部设置排气接口与蒸汽接口连接。

更进一步，所述板型蒸发器内部设置多个蒸发通道并嵌套设置F型毛细芯，其中蒸发通道将虹吸腔与导气腔连通，F型毛细芯的竖直部分嵌套在虹吸腔内，平直部分嵌套在蒸发通道内，第二冷凝管嵌套在F型毛细芯的平直部分内。

更进一步，所述第二冷凝管呈倾斜设置，其中靠近虹吸腔的一端低于另一端，F型毛细芯的平直部分与蒸发通道也呈相同角度的倾斜，蒸发通道内壁沿其倾斜方向设置多个第一蒸汽槽，第一蒸汽槽末端延伸至导气腔内。

更进一步，所述U型蒸发器顶部设置弯折盖板，内部一侧设置储液腔，另一侧设置蒸发腔，U型蒸发器底部设置供液通道将储液腔与蒸发腔连接，蒸发腔设置导热板与发热元件贴合。

更进一步，所述导热板靠近蒸发腔的一侧设置多个竖直方向延伸的第二翅片，第二翅片之间嵌套设有板型毛细芯，第二翅片侧壁设置多个竖直方向延伸的第二蒸汽槽。

更进一步，所述液体支管与储液腔顶部连通，气体支管与蒸发腔顶部连通。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：

1、本发明完全依赖被动散热，能够避免电火花风险。

2、本发明无机械运动部件，故障率低。

3、本发明中的板型蒸发器与U型蒸发器嵌套设计，节省了箱体内部空间。

4、本发明通过两路工质相变循环传热，实现热量的梯级传递，有效分散热负荷，第一翅片+导流罩的烟囱效应、毛细芯工质循环，协同提升散热效率。

5、本发明利用工质相变潜热与自然对流散热，能耗极低，符合绿色制造趋势。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明背侧的结构示意图。

图3是本发明箱门打开的结构示意图。

图4是本发明第一翅片的结构示意图。

图5是本发明箱体正面的结构爆炸示意图。

图6是本发明箱体背面的结构爆炸示意图。

图7是本发明板型蒸发器的结构爆炸示意图。

图8是本发明U型蒸发器的结构示意图。

图9是本发明U型蒸发器的结构爆炸示意图。

图10是本发明U型蒸发器的内部结构示意图。

如图所示：1、箱体，2、箱门，3、导流罩，4、发热元件，5、U型蒸发器，6、板型蒸发器，7、液体总管，8、气体总管，9、背板，10、第一冷凝管，11、第一翅片，12、蒸汽接口，13、液体接口，14、排气接口，15、回流接口，16、虹吸腔，17、导气腔，18、蒸发通道，19、第一蒸汽槽，20、回流通道，21、F型毛细芯，22、第二冷凝管，23、弯折盖板，24、导热板，25、液体支管，26、气体支管，27、储液腔，28、供液通道，29、蒸发腔，30、第二翅片，31、第二蒸汽槽，32、板型毛细芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

结合附图1、附图2、附图3和附图4，一种防爆电气箱散热结构，它包括箱体1和发热元件4，箱体1正面设置箱门2，内部设有板型蒸发器6，板型蒸发器6外侧悬挂设置U型蒸发器5，发热元件4与U型蒸发器5连接，箱体1背部设有背板9，背板9外部设置第一冷凝管10，第一冷凝管10上设置多个第一翅片11，背板9焊接在箱体1背侧形成防爆密封隔离。

结合附图8、附图9和附图10，所述U型蒸发器5顶部设置弯折盖板23，内部一侧设置储液腔27，另一侧设置蒸发腔29，U型蒸发器5底部设置供液通道28将储液腔27与蒸发腔29连接，蒸发腔29设置导热板24与发热元件4贴合。

结合附图9和附图10，所述导热板24靠近蒸发腔29的一侧设置多个竖直方向延伸的第二翅片30，第二翅片30之间嵌套设有板型毛细芯32，第二翅片30侧壁设置多个竖直方向延伸的第二蒸汽槽31。

结合附图7，板型蒸发器6内设有第二冷凝管22，第二冷凝管22一端设置液体总管7，另一端设置气体总管8，液体总管7和气体总管8延伸至板型蒸发器6外部，U型蒸发器5的储液腔27设置液体支管25与液体总管7连接，蒸发腔29设置气体支管26与气体总管8连接。

上述结构中，U型蒸发器5吸收发热元件4工作产生的热量并传递至板型蒸发器6内的第二冷凝管22作为第一路传热结构，第一路传热结构所涉及的管路连通路径上的各个连接处均采用焊接连接保证气密，使第一路传热结构形成恒容环境。

由于常见电气箱中的发热元件4，如IGBT模块，IGBT模块是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，通常用于实现高压、大电流场景下的高效电能转换与控制，是大部分电气箱中的主要发热元件，其现有的散热器目标温度通常设定在80℃，故第一路传热结构中的工质采用沸点在80℃以下的电子氟化液，如沸点在76℃的3M Novec 7200。

U型蒸发器5通过其自身轮廓，可在储液腔27、供液通道28与蒸发腔29底部储存一定量的液态工质，同时蒸发腔29内的板型毛细芯32通过毛细效应不断吸入液态工质，当发热元件4工作时，其产生的热量首先传递至导热板24使第二翅片30以及其嵌套板型毛细芯32的温度上升，当温度达到液态工质沸点后，第二翅片30附近的板型毛细芯32内的液态工质开始气化，在第二蒸汽槽31的引导下不断上升至蒸发腔29顶部，进入气体支管26随后汇入气体总管8，最终气态工质进入第二冷凝管22，当对第二冷凝管22冷却降温，使其内部温度达到气态工质的液化温度时，气态工质在第二冷凝管22重新转变为液态，冷凝后的液态工质进入液体总管7并分流至液体支管25，最终回到储液腔27内完成循环。

为了保证第二冷凝管22内的液态工质无法进入气体总管8，气态工质无法进入液体总管7，第二冷凝管22呈倾斜设置，其中与液体总管7相连的一端的高度低于另一端，此外，为了保证冷凝后的液态工质能够顺利回流至储液腔27，U型蒸发器5的安装高度需确保储液腔27与液体支管25连接处的高度低于倾斜后的第二冷凝管22的最低点。

结合附图3和附图6，所述第一翅片11沿竖直方向延伸，背板9外部设置竖直方向贯通的导流罩3，导流罩3包裹在第一翅片11外部。

为了满足电气箱的防爆需求，本发明不采用动力部件将第二冷凝管22传递至箱体1外部空气进行降温，而是采用竖直的第一翅片11配合导流罩3形成竖直的空气流通通道，将第二冷凝管22的热量传递至第一翅片11并加热其周围的空气，升温后的空气密度降低不断上升最终从导流罩3顶部排出，由于第一翅片11周围空气被加热外排形成局部低压，使新鲜空气通过导流罩3不断被吸入再次被第一翅片11加热外排，以烟囱效应的形式实现冷却空气的循环。

若直接将第二冷凝管22与第一翅片11焊接形成翅片换热器的结构，由于第二冷凝管22其管体长度较短，无法与第一翅片11形成足够的换热面积，导致传热效果有限，若第二冷凝管22选用管程较长的折流弯管保证与第一翅片11形成足够的换热面积，则会导致液体总管7与气体总管8之间高度差过大，U型蒸发器5难以正常安装，故采用板型蒸发器6从第二冷凝管22吸收热量并传递至第一冷凝管10，第一冷凝管10选用折流弯管与第一翅片11焊接。

结合附图5、附图6和附图7，所述板型蒸发器6内部一侧设置竖直方向延伸的虹吸腔16，另一侧设置竖直方向延伸的导气腔17，板型蒸发器6底部设有回流通道20将导气腔17与虹吸腔16连接，第一冷凝管10顶端设有蒸汽接口12，底端设有液体接口13，虹吸腔16底部设置回流接口15与液体接口13连接，导气腔17顶部设置排气接口14与蒸汽接口12连接。

板型蒸发器6吸收第二冷凝管22带来的热量并传递至第一冷凝管10并由第一翅片11将热量传递至外部空气作为第二路传热结构，为了保证第二冷凝管22的温度足以蒸发板型蒸发器6内的工质，第二路传热结构的工质的沸点需要低于第一路传热结构中的电子氟化液，故第二路传热结构的工质采用沸点在64.7℃的甲醇。

进入第二冷凝管22的气态电子氟化液的温度大于等于其自身沸点，故第二冷凝管22温度大于板型蒸发器6内的甲醇的沸点，液态的甲醇在接触到第二冷凝管22后吸收热量并形成气态甲醇，使第二冷凝管22内的气态电子氟化液热量降低后转变为液态，板型蒸发器6内的气态甲醇不断向上汇集并通过排气接口14进入第一冷凝管10，通过第一翅片11将热量转移至外部空气并重新转变回液态，通过回流接口15回到板型蒸发器6内。

虹吸腔16可通过虹吸效应使其内部液态甲醇的液面高度与第一冷凝管10内的液面高度保持一致，但由于第二冷凝管22在板型蒸发器6内呈小幅度倾斜的平放设置，需要液态甲醇的液面具备更高的高度才能与第二冷凝管22充分接触。

综上所述，结合附图7，在板型蒸发器6内部设置多个蒸发通道18并嵌套设置F型毛细芯21，其中蒸发通道18将虹吸腔16与导气腔17连通，F型毛细芯21的竖直部分嵌套在虹吸腔16内，平直部分嵌套在蒸发通道18内，第二冷凝管22嵌套在F型毛细芯21的平直部分内。

结合附图，所述第二冷凝管22呈倾斜设置，F型毛细芯21的平直部分与蒸发通道18也呈相同角度的倾斜，蒸发通道18内壁沿其倾斜方向设置多个第一蒸汽槽19，第一蒸汽槽19末端延伸至导气腔17内。

F型毛细芯21可通过毛细效应不断抽吸液态甲醇，液态甲醇可在F型毛细芯21内部的多孔毛细管结构内不断流动直至F型毛细芯21完全填充浸润，第二冷凝管22不断加热其周围的F型毛细芯21，使其此处的液态甲醇气化，气态的甲醇通过第一蒸汽槽19在蒸发通道18内移动并最终汇集在导气腔17，并进入排气接口14。

由于第一冷凝管10需要依靠第一翅片11形成烟囱效应实现对流换热，需要第一翅片11具备一定的高度，参考附图4，第一翅片11竖直高度和箱体1高度大致相当，第一冷凝管10的蒸汽接口12需要靠近第一翅片11顶部，液体接口13需要靠近第一翅片11底部，蒸汽接口12和液体接口13具备一定的高度差，故于F型毛细芯21中的竖直部分需要通过毛细力抵抗液态工质的重力将甲醇液面提升至蒸发通道18的高度。

现假设蒸发通道18相对于回流接口15的高度差为h米，甲醇密度为ρ，则甲醇液面提升所需的毛细压强P满足下列关系式：

其中甲醇密度在60℃下约为800kg/m³，g取9.8N/kg；

则；

故蒸发通道18相对于回流接口15的高度差每有1m则需要提供约7840Pa的压强进行毛细抽吸。

毛细芯能够提供的毛细压强满足下列关系式：

其中σ为工质的表面张力，θ为工质与毛细材料的接触角，r为毛细结构的等效孔径。

甲醇的表面张力与其温度成反比，现有实验测试在20℃至60℃下甲醇的表面张力与其温度的对照关系：武蒙，煤气净化吸收剂醇类表面张力测定分析，《山东工业技术》2014年21期第78-79页，由于本装置内液态甲醇温度低于沸点，故甲醇的表面张力暂取60℃下对应的0.0216N/m。

目前常见的陶瓷微孔毛细芯的等效孔径在0.5μm到5μm之间，通过等离子体处理或结构化设计，可实现浸润角低于10°的状态，故暂取cosθ=0.98。

综上，当F型毛细芯21每需要将甲醇提升h米，则其所需的等效毛细孔径为，参考常规的防爆电箱高度，h<2米，显然常规的陶瓷微孔毛细芯可满足板型蒸发器6内液态甲醇回流所需的压强，同时虹吸腔16存在虹吸效应令其内部甲醇液面高度与第一冷凝管10内液面高度保持一致，实际液态甲醇回流所需的抽吸压力会更小。

综上，板型蒸发器6其内部结构可实现无外部动力下的液态工质逆重力回流。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的结构并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种防爆电气箱散热结构，它包括箱体（1）和发热元件（4），箱体（1）正面设置箱门（2），其特征在于：箱体（1）内部设有板型蒸发器（6），板型蒸发器（6）外侧悬挂设置U型蒸发器（5），发热元件（4）与U型蒸发器（5）连接，箱体（1）背部设有背板（9），背板（9）外部设置第一冷凝管（10），第一冷凝管（10）上设置多个第一翅片（11）；

板型蒸发器（6）内设有第二冷凝管（22），第二冷凝管（22）一端设置液体总管（7），另一端设置气体总管（8），液体总管（7）和气体总管（8）延伸至板型蒸发器（6）外部，U型蒸发器（5）一侧设置液体支管（25）与液体总管（7）连接，另一侧设置气体支管（26）与气体总管（8）连接；

所述板型蒸发器（6）内部一侧设置竖直方向延伸的虹吸腔（16），另一侧设置竖直方向延伸的导气腔（17），板型蒸发器（6）底部设有回流通道（20）将导气腔（17）与虹吸腔（16）连接，板型蒸发器（6）内部设置多个蒸发通道（18）并嵌套设置F型毛细芯（21），其中蒸发通道（18）将虹吸腔（16）与导气腔（17）连通，F型毛细芯（21）的竖直部分嵌套在虹吸腔（16）内，平直部分嵌套在蒸发通道（18）内，第二冷凝管（22）嵌套在F型毛细芯（21）的平直部分内。

2.根据权利要求1所述的防爆电气箱散热结构，其特征在于：所述第一翅片（11）沿竖直方向延伸，背板（9）外部设置竖直方向贯通的导流罩（3），导流罩（3）包裹在第一翅片（11）外部。

3.根据权利要求1所述的防爆电气箱散热结构，其特征在于：所述第一冷凝管（10）顶端设有蒸汽接口（12），底端设有液体接口（13），虹吸腔（16）底部设置回流接口（15）与液体接口（13）连接，导气腔（17）顶部设置排气接口（14）与蒸汽接口（12）连接。

4.根据权利要求1所述的防爆电气箱散热结构，其特征在于：所述第二冷凝管（22）倾斜设置，其中靠近虹吸腔（16）的一端低于另一端，F型毛细芯（21）的平直部分与蒸发通道（18）也呈相同角度的倾斜，蒸发通道（18）内壁沿其倾斜方向设置多个第一蒸汽槽（19），第一蒸汽槽（19）末端延伸至导气腔（17）内。

5.根据权利要求1所述的防爆电气箱散热结构，其特征在于：所述U型蒸发器（5）顶部设置弯折盖板（23），内部一侧设置储液腔（27），另一侧设置蒸发腔（29），U型蒸发器（5）底部设置供液通道（28）将储液腔（27）与蒸发腔（29）连接，蒸发腔（29）设置导热板（24）与发热元件（4）贴合。

6.根据权利要求5所述的防爆电气箱散热结构，其特征在于：所述导热板（24）靠近蒸发腔（29）的一侧设置多个竖直方向延伸的第二翅片（30），第二翅片（30）之间嵌套设有板型毛细芯（32），第二翅片（30）侧壁设置多个竖直方向延伸的第二蒸汽槽（31）。

7.根据权利要求5所述的防爆电气箱散热结构，其特征在于：所述液体支管（25）与储液腔（27）顶部连通，气体支管（26）与蒸发腔（29）顶部连通。