倾角与充液率对板翅式热管散热器传热的影响.pdf

2015年8月
机械设计与制造工程
Aug.2015
第44卷第8期
Machine Design and Manufacturing Engineering
Vol,. 44 No 8
DOI:10.3969/.isa.2095-509X.2015.08.016
倾角与充液率对板翅式热管散热器传热的影响
李佳,金苏敏,岳良2,金鹰2
(1.南京工业大学能源科学与工程学院,江苏南京211816)
(2.青岛宏达赛奈尔科技股份有限公司,山东青岛26611)
摘要:试验难以实现倾斜角、充液率对动车牵引变流器散热用板翅式热管散热器传热性能影响的
研究,因此以实际的板翅式热管散热器为例,通过建立数学模型,采用 ICEPAK数值模拟软件,分
析了倾斜角、充液率对散热器有效传热面积比、总传热系数、传热量、空腔底板温度场分布的影
响,得到该散热器的最佳充液率范围为0.5~0.6。
关键词:板翅式热管散热器;充液率;倾斜角;有效传热面积比;温度分布
中图分类号:TK172.4文献标志码:A文章编号:2095-509X(2015)08-0074-05
影响动车牵引变流器可靠性的一个重要因素
是散热,通常的散热方式主要有型材风冷、水冷和
板翅式结构
热管散热3种川。本文所述的板翅式热管散热器
腔冷板
属于典型的动车牵引变流器散热器,其蒸发段为铝
制空腔冷板结构,冷凝段为竖直放置的板翅式结2
构,工作时依靠重力回流形成循环,将动车牵引变
倾斜角θ
流器IGBT功率模块产生的热量散掉。这种依靠
重力回流的热管散热器,由于结构的特殊性,其传
热性能受结构尺寸、倾斜角、工质液体的物理性质、
图1板翅式热管散热器倾斜时的模型图
充液率等因素影响,其中充液率是一个重要的影响在堵塞冷凝通道时忽略进入通道的液体体积,认为
因素2-4。
工质是沿着空腔冷板的顶端浸润。
高速动车正常运行时,板翅式热管散热器处于
如图1所示,空腔冷板内工质的偏移情况随倾
水平工作状态,可以通过试验研究空气进口温度和斜角B以及充液率F的不同而不同,其中L4表示
迎面风速对其传热性能的影响“?,但试验却难以
空腔冷板底端发生干涸时仍被工质液浸润的部分,
实现倾斜角、充液率对板翅式热管散热器传热性能
为冷凝段底端发生工质液体堵塞时未被工质液
影响的研究,本文通过建立合理的模型并且采用数
浸润的部分,L。和L。分别为蒸发腔长度和冷凝腔
值模拟的方法,研究倾斜角与充液率对板翅式热管长度。在此二维模型中,蒸发段和冷凝段的有效传
散热器传热性能的影响
热面积百分比X1,X2的计算式为
1板翅式热管散热器传热模型
X
L
1.1有效传热面积
板翅式热管散热器处于正面工作位置时(如
(2)
图1),其传热性能对倾斜角敏感,以散热器工作位1.2传热分析
置建立的理论模型如图1所示。
倾斜角和充液率的变化对板翅式散热器蒸发
在建立模型之前,作以下假设:1)板翅式热管段的有效传热面积(F,F)和冷凝段的有效传热
散热器空腔冷板内无筋板;2)冷凝通道尺寸较小,面积(F)都会产生影响,从而导致散热器的总传
收稿日期:2015-05-27
作者简介:李佳(1989-),女,四川隆昌人,南京工业大学硕士研究生,主要研究方向为低温及制冷工程。
74
2015年第8期
李佳:倾角与充液率对板妞式热管散热器传热的影响
热面积F发生变化。以空气侧为传热基准面,其总3计算结果讨论与分析
传热系数K的计算式为:
3.1有效传热面积
立m
现有的板翅式热管散热器蒸发腔高长比R为
K
3/80,裙边长度与空腔长之比N为1/32,有效传热
(3)面积百分比随充液率、倾斜角的变化曲线如图3所
F·X
式中:F;表示空气侧污垢热阻,取值为
0.00006mn2?KW;a;为空气侧的换热系数;mo
为换热效率;和分别为冷端和热端的壁面热
90
阻;h。和h。分别为蒸发段和冷凝段的相变换热系
数
70
需要特别注意的是,冷凝段有效传热面积是指
8匹迎邮縱
F=0.4
没有被工质液堵塞的冷凝通道数所对应的面积。
60?-F=0.6
Fr=0.7
F=0.8
50
2板翅式热管散热器数值模拟
利用 ICEPAK模拟软件,建立合理的模型,可
倾斜角/°)
(R=3/80,M=1/32)
以模拟分析充液率和倾斜角的变化对空腔底板温
a)蒸发段有效传热面积百分比X
度场分布的影响。以某散热器为模拟对象,其板翅
700
式结构的尺寸为750mmx240mmx200mm,空腔冷
90
板的尺寸为800mmx400mm×30mm
80
由于相变过程的复杂性,目前大部分软件都难
?70
以模拟热管内部的工作情况,因此对板翅式热管散
60
热器传热模型作以下处理:工质液发生偏移时,将
50
F=0.4
空腔板分成2个空腔块,一个是有工质液浸润的空
-F=0.5
?F=0.6
腔块1,另一个是没有工质液浸润的于涸空腔块2,
30
F=0.7
其示意图如图2所示。
20
倾斜角()
(R=3/80,M=1/32)
(b)冷凝段有效传热面积百分比X
图3有效传热面积随倾斜角度的变化
从图3可以看出,蒸发段有效传热面积和冷凝
图
段有效传热面积均随着倾斜角的增加呈先不变而
空腔块1
空腔块2
后减小的趋势;从图3(a)可以看出,蒸发段有效传
图2板翅式热管散热器空腔板计算模型图
热面积随着充液率的增加而增大;从图3(b)可以
看出,冷凝段有效传热面积随着充液率的增加而减
两个空腔的导热系数设置不同,空腔块1的导小。
热系数设置为:热管导热方向的导热系数设置得很3.2临界倾角
高(20000W/m?℃左右),另外两个方向的导热
现有的板翅式热管散热器在其自身的结构尺
系数采用其材料本身的导热系数;空腔块2的导热寸下,每个充液率都对应不同的干涸临界倾角和堵
系数设置为空腔板材料本身的导热系数,即铝的导塞冷凝通道倾角。蒸发段底端刚好发生干涸时的
热系数;对于板翅式结构,当冷凝通道被堵时,被堵倾角定义为干酒临界倾角θ1。;冷凝段刚好发生堵
冷凝通道的导热系数为板翅式结构材料本身的导塞时的倾角定义为堵塞冷凝段临界倾角B2=。不同
热系数,除此之外,正常工作时其导热系数与空腔充液率下的干涸临界倾角和堵塞冷凝段临界倾角
块1的导热系数设置一致7-。
见表1。