一种平板微热管阵列散热器优化方法技术

本发明专利技术属于机车牵引变流器散热领域，具体公开了一种平板微热管阵列散热器优化方法，其步骤包括：(1)优化翅片的厚度；(2)优化翅片的间距；(3)优化翅片面积；(4)经济成本比较，选出最终翅片参数。本发明专利技术对于初步设计阶段的散热器，如果被散热体温度高于设计要求，可用该方法优化散热器，快速高效将温度降至额定设计温度以下。若散热器尺寸与成本有较严格限制，则按照本方法进行逐步优化可控制成本与尺寸在优化过程中增加。优化的最后步骤通过量化比对，设计人员可根据具体设计条件选择满足设计要求的散热器参数。

Optimization method of flat micro heat pipe array radiator

The invention belongs to the field of locomotive traction converter cooling, in particular discloses array radiator optimization method of flat micro heat pipe, which comprises the following steps: (1) the optimization of fin thickness; (2) the optimization of fin spacing; (3) the optimization of fin area; (4) the economic cost comparison, selects the final fin parameters. For the radiator of the preliminary design stage, if the temperature of the heat dissipating body is higher than the design requirement, the method can be used to optimize the radiator, and the temperature is reduced to the rated design temperature quickly and efficiently. If the radiator size and cost are strictly limited, the method is gradually optimized according to this method, and the cost and size can be increased during the optimization process. The last step of the optimization is through quantitative comparison. The designer can select the radiator parameters according to the design conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种平板微热管阵列散热器优化方法
本专利技术涉及机车牵引变流器散热领域，特别涉及一种平板微热管阵列散热器优化方法。
技术介绍
随着当今社会的快速发展，轨道交通成为更多人的出行选择。随着轨道交通的高速发展，各种大容量电力电子设备在机车的电力牵引系统中得以大量应用。在机车中，牵引变流器是实现电能与机械能转换的关键部件。其中，由IGBT晶体管组成的功率模块是牵引变流器最主要的统一化元件，伴随其高频率、大功率和高集成化的发展，设备单位面积的热流密度越来越高。同时，随着电力电子器件功率密度的不断增加和设备小型化的发展要求，功率器件的散热问题已成为影响其可靠性的主要因素。大功率牵引变流器的散热方式有多种，如强迫风冷、水冷、油冷、走行风冷等。强迫风冷需要配备合适的风机和风道，而风机的使用存在一定的安全隐患，且运行时要考虑噪声控制。水冷或油冷系统较复杂，不仅需配备循环系统，且存在泄漏的风险。而走形风冷是利用机车行驶时，周围空气相对机车的运动与翅片通过强制对流散热，结构简单且不需要附加动力。因此众多学者提出“热管散热器+走行风冷”方式进行牵引变流器的散热，并对散热效果进行了数值模拟和实验验证。国内学者DingJ、TangYT采用“热管散热器+走行风冷”方式简化柜体结构，并利用Fluent软件分析了其流速和温度的分布特点，结果表明热管散热器在较低的车辆运行速度下仍具有较好的散热效果，同时用实际应用情况验证了仿真结果的准确性。MengYJ等使用专业热分析软件ICEPAK对已设计出的IGBT热管散热器进行数值模拟，得出不同工况下的温度场分布，验证该散热器散热效果。同时对模拟结果进行分析后优化出最优结构，使其结构更加简单，成本更加经济。国外学者XPerpina等阐述了基于热管的IGBT散热器高效节能、结构简单的优势，并通过实验探究了基于热管散热器+走形风冷方式的冷却系统下，电子元件的使用寿命对机车可靠性的影响。ADriss等基于RC热循环建立了IGBT模块热管散热器的模型，来确定IGBT的结温以及热源温度的频繁变动对热管温度的影响。热管做为相变导热材料，相比单相实体导热材料不仅具有重量轻、效率高等优点，而且根据现有数据，热管的导热系数是普通金属的100倍以上，大约为30000～40000W/m·k。这是热管被广泛应用于电力电子设备散热的主要原因。可以看出，导热材料的导热系数直接影响了散热器的散热效果。因此，如果提高热管导热系数，散热器的散热效率势必会提高。为提高热管导热效率，人们开始考虑将多根微型热管集成起来。早在20世纪90年代PetersonGP等提出了“微热管簇”的概念，针对矩形截面和三角形截面，在硅片上进行了实验研究。近年来，中国学者ZhaoYH等提出了完全意义上的平板微热管阵列的定义，即多个同时形成且彼此完全独立的微细热管组合在一起,而不仅仅是微通道阵列热管，各个微细热管间不连通,且每个微热管内表面可带有微槽群等强化换热的微结构。这样的平板微热管阵列具有承压能力强、与换热表面贴合良好、热输运能力强等诸多有点。研究结果表明，平板微热管阵列的热通量可达200W/cm2。平板微热管阵列具有如下特点：第一，内部的结构使得相变换热面积大大增加。其内部的微结构使得整个微热管的周面都有相变发生。第二，微细热管之间的间壁在结构上起到了“加强筋”的作用，增强了平板微热管阵列的承压能力。因而平板微热管阵列的强度强于普通热管。第三，平板微热管阵列的外形扁平，与换热面贴合良好，克服了常规圆形截面的重力热管需要增加特殊结构才能与换热面紧密贴合的缺点，减小了界面接触热阻。如果将平板微热管阵列做为机车电力牵引变流器散热的导热材料，将原有的“热管散热器+走行风冷”方式优化为“平板微热管阵列散热器+走行风冷”方式。则能够极大的提升机车电力牵引变流器散热的散热效果。但是由于板微热管阵列的高导热性使得散热翅片的设计过程不能完全参照传统的热管散热器的翅片参数进行，因此要将平板微热管阵列散热器适应于机车电力牵引变流器散热，必须对其进行优化设计。不过根据现有的设计方法，尤其是散热器在设计上存在成本和尺寸等诸多限制的情况下，并不能快速高效地设计出适应于机车电力牵引变流器散热的平板微热管阵列散热器翅片参数，因此设计过程效率较低，缺少一套行之有效的翅片优化方法可以参照。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种平板微热管阵列散热器优化方法，可以解决现有散热器设计方法无法高效地对平板微热管阵列散热器进行优化的问题。本专利技术的技术方案是：一种平板微热管阵列散热器优化方法，包括如下步骤：步骤一：优化翅片的厚度；该步骤具体包括如下步骤：(1)分别保持散热器翅片数量以及面积不变，根据设计要求选取若干组翅片厚度不同的散热器；(2)建立散热器传热模型，使用专业的热分析软件，改变散热器传热模型中翅片厚度，对散热器传热模型的温度场和周围流场进行数值模拟，最终得到被散热体的温度场；(3)比较步骤(2)得到的不同翅片厚度所对应的被散热体温度场，找出其中散热效果最好的翅片厚度，即为最优厚度值；其中散热效果的评价方法为：以被散热体温度场模拟结果显示的最高温度和平均温度为依据，最高温度与平均温度低，则评价为散热效果好，反之散热效果差；(4)筛选可接受的翅片厚度，淘汰所有不可接受的翅片厚度；其中翅片厚度的可接受标准为：被散热体温度场模拟结果显示的最高温度低于其额定设计温度；(5)在可接受的翅片厚度中，将小于最优厚度值的翅片予以保留，将在步骤四进行量化对比；对于大于最优厚度值的翅片厚度按照步骤二进行优化；步骤二：优化翅片的间距1)通过逐步减少翅片的片数并同时评价散热效果来优化步骤一中的步骤(5)的可接受的翅片厚度中厚度大于最优厚度值的翅片；2)控制翅片厚度不变，通过减小翅片片数来增大间距，采用与步骤一的步骤(2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟，通过逐步减少每种厚度的翅片片数，找到与其对应的最优翅片片数即可；将记录结果在步骤四中进行量化对比；如果减少翅片片数之前，各翅片数量都为A，如果翅片片数开始减小，但数值模拟结果显示其散热效果并没有改善，则进入步骤三进行优化；步骤三：优化翅片面积1)选择步骤二的步骤2)中最优翅片片数大于翅片数量A的翅片厚度，增大翅片面积；其中增大翅片面积的方法是：翅片面积以增加翅片初始面积的每0.5倍为一档进行增大；2)每一次增大翅片面积后，再将翅片片数减小1，进行与步骤二的步骤2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟；若发现翅片散热效果增强，则重复步骤二的步骤2)，如果散热效果没有增强，则继续按照步骤三的步骤1)中的方法增大翅片面积；步骤四：经济成本比较将步骤一到步骤三所有保留的翅片，根据其尺寸和模拟的温度场，按照下面公式(1)、(2)和(3)进行计算：Q＝LHWρP(1)其中Q为翅片材料总成本，单位：元；L为翅片长度，单位：m；H为翅片厚度，单位：m；W为翅片宽度，单位：m；ρ为翅片材料密度，单位：kg/m3；P为翅片材料单价，单位：元/kg；η＝TL-T/TL×100％(2)其中η为数值模拟最高温度超过额定设计温度的百分比；TL为被散热体额定设计温度；T为数值模拟最高温度；r＝(H+a)×A×L×W/V×100％(3)其中r为散热器占整个设备有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平板微热管阵列散热器优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：优化翅片的厚度；该步骤具体包括如下步骤：(1)分别保持散热器翅片数量以及面积不变，根据设计要求选取若干组翅片厚度不同的散热器；(2)建立散热器传热模型，使用专业的热分析软件，改变散热器传热模型中翅片厚度，对散热器传热模型的温度场和周围流场进行数值模拟，最终得到被散热体的温度场；(3)比较步骤(2)得到的不同翅片厚度所对应的被散热体温度场，找出其中散热效果最好的翅片厚度，即为最优厚度值；其中散热效果的评价方法为：以被散热体温度场模拟结果显示的最高温度和平均温度为依据，最高温度与平均温度低，则评价为散热效果好，反之散热效果差；(4)筛选可接受的翅片厚度，淘汰所有不可接受的翅片厚度；其中翅片厚度的可接受标准为：被散热体温度场模拟结果显示的最高温度低于其额定设计温度；(5)在可接受的翅片厚度中，将小于最优厚度值的翅片予以保留，将在步骤四进行量化对比；对于大于最优厚度值的翅片厚度按照步骤二进行优化；步骤二：优化翅片的间距1)通过逐步减少翅片的片数并同时评价散热效果来优化步骤一中的步骤(5)的可接受的翅片厚度中厚度大于最优厚度值的翅片；2)控制翅片厚度不变，通过减小翅片片数来增大间距，采用与步骤一的步骤(2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟，通过逐步减少每种厚度的翅片片数，找到与其对应的最优翅片片数即可；将记录结果在步骤四中进行量化对比；如果减少翅片片数之前，各翅片数量都为A，如果翅片片数开始减小，但数值模拟结果显示其散热效果并没有改善，则进入步骤三进行优化；步骤三：优化翅片面积1)选择步骤二的步骤2)中最优翅片片数大于翅片数量A的翅片厚度，增大翅片面积；其中增大翅片面积的方法是：翅片面积以增加翅片初始面积的每0.5倍为一档进行增大；2)每一次增大翅片面积后，再将翅片片数减小1，进行与步骤二的步骤2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟；若发现翅片散热效果增强，则重复步骤二的步骤2)，如果散热效果没有增强，则继续按照步骤三的步骤1)中的方法增大翅片面积；步骤四：经济成本比较将步骤一到步骤三所有保留的翅片，根据其尺寸和模拟的温度场，按照下面公式(1)、(2)和(3)进行计算：Q＝LHWρP    (1)其中Q为翅片材料总成本，单位：元；L为翅片长度，单位：m；H为翅片厚度，单位：m；W为翅片宽度，单位：m；ρ为翅片材料密度，单位：kg/m3；P为翅片材料单价，单位：元/kg；η＝TL‑T/TL×100％    (2)其中η为数值模拟最高温度超过额定设计温度的百分比；TL为被散热体额定设计温度；T为数值模拟最高温度；r＝(H+a)×A×L×W/V×100％   (3)其中r为散热器占整个设备有效空间的百分比H为翅片厚度，单位：m；a为翅片间距，单位：m；A为翅片片数，单位：个；L为翅片长度，单位：m；W为翅片宽度，单位：m；V为设备有效空间，单位：m3；上述公式(1)表示优化过的翅片的总成本，公式(2)表示翅片的相对散热性能；公式(3)表示散热器占整个设备有效空间的百分比，反应了散热器的空间成本；根据公式(1)、(2)和(3)所代表的三个量化指标，结合设计要求，选出最后的翅片参数。...

【技术特征摘要】
1.一种平板微热管阵列散热器优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：优化翅片的厚度；该步骤具体包括如下步骤：(1)分别保持散热器翅片数量以及面积不变，根据设计要求选取若干组翅片厚度不同的散热器；(2)建立散热器传热模型，使用专业的热分析软件，改变散热器传热模型中翅片厚度，对散热器传热模型的温度场和周围流场进行数值模拟，最终得到被散热体的温度场；(3)比较步骤(2)得到的不同翅片厚度所对应的被散热体温度场，找出其中散热效果最好的翅片厚度，即为最优厚度值；其中散热效果的评价方法为：以被散热体温度场模拟结果显示的最高温度和平均温度为依据，最高温度与平均温度低，则评价为散热效果好，反之散热效果差；(4)筛选可接受的翅片厚度，淘汰所有不可接受的翅片厚度；其中翅片厚度的可接受标准为：被散热体温度场模拟结果显示的最高温度低于其额定设计温度；(5)在可接受的翅片厚度中，将小于最优厚度值的翅片予以保留，将在步骤四进行量化对比；对于大于最优厚度值的翅片厚度按照步骤二进行优化；步骤二：优化翅片的间距1)通过逐步减少翅片的片数并同时评价散热效果来优化步骤一中的步骤(5)的可接受的翅片厚度中厚度大于最优厚度值的翅片；2)控制翅片厚度不变，通过减小翅片片数来增大间距，采用与步骤一的步骤(2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟，通过逐步减少每种厚度的翅片片数，找到与其对应的最优翅片片数即可；将记录结果在步骤四中进行量化对比；如果减少翅片片数之前，各翅片数量都为A，如果翅片片数开始减小，但数值模拟结果显示其散热效果并没有改善，则进入步骤三进行优化；步骤三：优化翅片面积1)选择步骤二的步骤2)中最优翅片片数大于翅片数量A的翅片厚度，增大翅片面积；其中增大翅片面积的方法是：翅片面积以增加翅片初始面积的每0.5倍为一档进行增大；2)每一次增大翅片面积后，再将翅片...

【专利技术属性】
技术研发人员：战乃岩，邓育锋，徐沛巍，吴俊廷，
申请(专利权)人：吉林建筑大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22