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，金 鹰

(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 266111)

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、水冷和热管散热3种［1］。本文所述的板翅式热管散热器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构，工作时依靠重力回流形成循环，将动车牵引变流器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、充液率等因素影响，其中充液率是一个重要的影响因素［2－4］。

1 板翅式热管散热器传热模型

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(如图1)，其传热性能对倾斜角敏感，以散热器工作位置建立的理论模型如图1所示。

在建立模型之前，作以下假设:1)板翅式热管散热器空腔冷板内无筋板;2)冷凝通道尺寸较小，在堵塞冷凝通道时忽略进入通道的液体体积，认为工质是沿着空腔冷板的顶端浸润。

图1 板翅式热管散热器倾斜时的模型图

如图1所示，空腔冷板内工质的偏移情况随倾斜角θ以及充液率Fr的不同而不同，其中Ls1表示空腔冷板底端发生干涸时仍被工质液浸润的部分，Lg2为冷凝段底端发生工质液体堵塞时未被工质液浸润的部分，Le和Lc分别为蒸发腔长度和冷凝腔长度。在此二维模型中，蒸发段和冷凝段的有效传热面积百分比X1，X2的计算式为:

1.2 传热分析

倾斜角和充液率的变化对板翅式散热器蒸发段的有效传热面积(，)和冷凝段的有效传热面积(Fc)都会产生影响，从而导致散热器的总传热面积Ff发生变化。以空气侧为传热基准面，其总传热系数Kf的计算式为:

需要特别注意的是，冷凝段有效传热面积是指没有被工质液堵塞的冷凝通道数所对应的面积。

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，可以模拟分析充液率和倾斜角的变化对空腔底板温度场分布的影响。以某散热器为模拟对象，其板翅式结构的尺寸为750mm×240mm×200mm，空腔冷板的尺寸为800mm×400mm×30mm。

由于相变过程的复杂性，目前大部分软件都难以模拟热管内部的工作情况，因此对板翅式热管散热器传热模型作以下处理:工质液发生偏移时，将空腔板分成2个空腔块，一个是有工质液浸润的空腔块1，另一个是没有工质液浸润的干涸空腔块2，其示意图如图2所示。

1.3检测方法 我们根据《中医妇科学》相关的诊断标准来进行诊断,显效:患者的中医证候评分降低超过80%,月经量不超过100ml;有效:患者中医证候评分降低超过60%,月经量减少一半;无效:患者的中医证候评分减少超过60%,经量无改善。有效率=(显效+有效)例数/总例数×100%。

图2 板翅式热管散热器空腔板计算模型图

两个空腔的导热系数设置不同，空腔块1的导热系数设置为:热管导热方向的导热系数设置得很高(20 000 W/m·℃左右)，另外两个方向的导热系数采用其材料本身的导热系数;空腔块2的导热系数设置为空腔板材料本身的导热系数，即铝的导热系数;对于板翅式结构，当冷凝通道被堵时，被堵冷凝通道的导热系数为板翅式结构材料本身的导热系数，除此之外，正常工作时其导热系数与空腔块 1 的导热系数设置一致［7－8］。

3 计算结果讨论与分析

3.1 有效传热面积

现有的板翅式热管散热器蒸发腔高长比R为3/80，裙边长度与空腔长之比N为1/32，有效传热面积百分比随充液率、倾斜角的变化曲线如图3所示。

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段有效传热面积均随着倾斜角的增加呈先不变而后减小的趋势;从图3(a)可以看出，蒸发段有效传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小。

3.2 临界倾角

现有的板翅式热管散热器在其自身的结构尺寸下，每个充液率都对应不同的干涸临界倾角和堵塞冷凝通道倾角。蒸发段底端刚好发生干涸时的倾角定义为干涸临界倾角θ1cr;冷凝段刚好发生堵塞时的倾角定义为堵塞冷凝段临界倾角θ2cr。不同充液率下的干涸临界倾角和堵塞冷凝段临界倾角见表1。

表1 不同充液率下的 θ1cr，θ2cr的值

把散热器传热面积发生变化的倾斜角定义为临界倾角，从表1可以看出，充液率小于0.5时，临界倾角为干涸临界倾角θ1cr;当充液率大于0.5时，临界倾角为堵塞冷凝通道临界倾角θ2cr。

3.3 总传热系数和总传热量比

根据文献［5］中的分析可知，空气进口温度对总传热系数的影响不大，总传热系数随着迎面风速的增加而增加，在同一充液率、不同风速情况下，总传热系数与总传热量比的变化规律是一致的，本文以空气进口温度为35℃、迎面风速为7m/s为例进行分析。

以空气侧为传热基准面，不同充液率下总传热系数随倾斜角的变化规律如图4所示，从图中可以看出，在充液率小于0.5时，总传热系数随着倾斜角的增大而减小;在充液率大于0.5时，总传热系数随着倾斜角的增大而增大。在同一倾斜角度下，总传热系数随着充液率的增大而增大;当倾斜角小于4°时，总传热系数的变化比较快，当倾斜角大于等于4°时，总传热系数的变化趋于平缓，但总的来看，总传热系数的变化不超过水平工况下的25%。

图4 总传热系数随倾斜角的变化

不同倾斜角、充液率情况下，散热器的实际传热量占水平时散热器总传热量的百分比如图5所示。

图5 总传热量比随倾斜角度的变化

从图5可以看出，总传热量发生变化的位置仍然是各充液率所对应的临界倾角。相同的倾斜角度下，充液率越大，相对于水平时的总传热量的比例越小，这是因为，虽然在相同倾斜角度下，充液率越大总传热系数越高，但是总传热面积也急剧减小，因此其总传热量更少。

图4，5中出现的波动现象是由于传热面积的波动变化引起的，在计算冷凝段有效传热面积百分比的时候，忽略进入堵塞冷凝通道的液体，认为工质是沿着蒸发腔顶端呈线性分布。而实际情况是堵塞冷凝通道后导致被堵通道失效，这也使得总传热面积的变化呈不连续的变化。

3.4 数值模拟结果

数值模拟的条件为:总散热量12kW，风速7m/s，空气进口温度35℃，工质充液率分别取0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，倾斜角分别取 1°，2°，3°，4°，5°。

倾斜角较小时，空腔底板温度场分布与水平工作时的温度场分布基本一致，空腔底板的温度场基本呈对称分布，中心温度低，边缘温度高。此处仅列出倾斜角为5°时的空腔底板温度分布图，其模拟的结果如图6所示。

由于板翅式热管散热器的冷凝段布置在散热器空腔板中间，所以空腔底板中心温度低，边缘侧温度较高。从图6可以看出，在倾斜角为5°时，空腔底板中心温度较低的区域随着充液率的增加而从左向右侧移动(冷凝通道未被堵塞一侧)，空腔底板的最高温度和最低温度也随之升高，说明空腔底板的平均温度也在升高。

3.5 空腔底板温差分析

空腔底板最高温与最低温的温差随倾斜角、充液率的变化如图7所示，图中曲线的波动是因为传热面积的波动变化引起的。

图6 空腔底板温度分布图(倾斜角5°)

图7 空腔底板最高最低温度差随倾斜角的变化

图中半实心点和实心点分别表示各充液率所对应的干涸临界倾角点和堵塞冷凝段临界倾角点。从图中可以看出，在充液率小于0.5时，空腔底板的最高温度与最低温度的温差开始变化的点为其对应的干涸临界倾角点;而当充液率大于0.5时，该温差开始变化的点为其对应的堵塞冷凝通道临界倾角点。在倾斜角小于其对应的临界倾角时，空腔底板的最高温度与最低温度的温差不变，随着倾斜角的增大，此温差随之增加;在倾斜角小于3°时，充液率为0.5，0.6时温差比较小，随着倾斜角的继续增大，温差也随充液率的增加而增大。

发生这种现象的原因是:在充液率比较大的时候，散热器发生倾斜时冷凝通道被堵塞的情况先发生，冷凝通道被堵，通道外的散热翅片失效，使得冷却空气的换热面积减小，导致被堵通道处的底板温度升高。当倾斜角继续增大，空腔底板干涸的面积也越来越大，干涸的底板部分也出现了高温，此时底板的整体温度略有升高，使得温差的增加速度有所减缓;但在充液率较大的情况下，若倾斜角继续增大，由于堵塞的冷凝通道越来越多，散热器的散热能力急剧下降，这也使得温差也越来越大。因此，底板最高温度与最低温度的温差的变化规律与其对应的临界倾角有关。临界倾角越大，则空腔底板最高温度与最低温度的温差增大得越缓慢，散热器的散热效果就越好。

4 结论

本文通过建立数学模型和数值模拟分布并结合实际散热器的传热模型，分析了倾斜角、充液率对动车牵引变流器用板翅式热管散热器的传热影响，得到以下结论:

1)对板翅式热管散热器传热的影响，冷凝通道的堵塞远大于蒸发段干涸，因而在散热器实际运用中，应尽量避免冷凝通道被堵;

2)倾斜角对换热器的总传热系数的影响并不大，不如风速影响大;

3)散热器的充液率对散热器底板温度的影响比较大，充液率在0.5～0.6时，空腔冷板温度最稳定，因此是本研究中散热器的最佳充液率范围。

对于板翅式热管散热器，可以通过改善散热器的尺寸，如适当增加蒸发腔高度与长度之比、增加裙边的长度、增大散热器的干涸临界倾角和堵塞冷凝段临界倾角，使散热器工作范围更广，更能满足高速动车在实际运行时的散热需求。

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