直流融冰裝置風(fēng)冷散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)

張露松 許逵 余興紅 陳宇 蔡恒

摘要：為了改善晶閘管的散熱性能，對(duì)直流融冰裝置的風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化后的散熱器溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，并通過(guò)溫升試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其能滿足晶閘管的散熱需求，溫升仿真和試驗(yàn)共同表明了所設(shè)計(jì)的風(fēng)冷散熱器的散熱性能滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：直流融冰裝置;風(fēng)冷;散熱器;優(yōu)化設(shè)計(jì);有限元仿真

0 引言

直流融冰裝置能夠有效消除附著在電網(wǎng)輸變電設(shè)備上的冰雪，因而能夠較大程度地避免冰雪災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的重大損失[1-2]。

直流融冰的基本原理是將系統(tǒng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后利用直流電對(duì)輸電線路進(jìn)行加熱來(lái)融化冰雪[3]。

晶閘管是直流融冰裝置的關(guān)鍵部件之一[4]，晶閘管作為一種大功率的半導(dǎo)體元器件，在工作時(shí)會(huì)因電流通過(guò)而發(fā)熱，若溫度過(guò)高，超過(guò)一定閾值，會(huì)導(dǎo)致晶閘管的性能下降，甚至燒毀。為了保證融冰裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，晶閘管的溫度不能超過(guò)閾值，因此設(shè)計(jì)有效的散熱器是保證直流融冰裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

晶閘管主要的冷卻方式有水冷和風(fēng)冷[5-6]，水冷散熱效果好，但需購(gòu)置水冷設(shè)備，占地面積大，并且水冷直流融冰裝置內(nèi)部水管與線路交錯(cuò)復(fù)雜，不便于維護(hù)與檢修。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象是某工程融冰裝置晶閘管風(fēng)冷散熱器，與水冷相比，風(fēng)冷裝置更節(jié)省占地，維護(hù)更加簡(jiǎn)便，并且沒(méi)有漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

1 晶閘管傳熱原理

晶閘管在運(yùn)行時(shí)，通態(tài)時(shí)的功率損耗導(dǎo)致晶閘管內(nèi)部P-N結(jié)處產(chǎn)生大量的熱量，為了使晶閘管迅速降溫，通常在晶閘管兩側(cè)壓裝風(fēng)冷散熱器[7]，如圖1所示。

熱量首先由晶閘管內(nèi)部的P-N結(jié)（j）傳導(dǎo)至管殼（c），其熱阻[8]表示為Rjc，然后熱量從管殼（c）傳導(dǎo)至風(fēng)冷散熱器（h），其熱阻表示為Rch，最后熱量從風(fēng)冷散熱器（h）傳導(dǎo)至周?chē)目諝猓╝），其熱阻表示為Rha。由于晶閘管管殼傳導(dǎo)給周?chē)諝獾臒崃肯鄬?duì)較少，因此不考慮它們之間的熱阻，所以，整個(gè)熱傳導(dǎo)過(guò)程中的總熱阻R為：

R=Rjc+Rch+Rha

其中，熱阻的單位為攝氏度每瓦（℃/W）。

本文通過(guò)優(yōu)化風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)來(lái)降低熱阻Rha，從而提高晶閘管的散熱性能。

2 有限元仿真分析

2.1? ? 風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)

晶閘管和風(fēng)冷散熱器是通過(guò)工裝壓裝在一起的，由于工裝的限制，長(zhǎng)度方向有250 mm的距離，但還需要預(yù)留檢修空間，因此確定風(fēng)冷散熱器的長(zhǎng)度為200 mm。本工程是移動(dòng)融冰裝置，融冰裝置是放置在集裝箱內(nèi)，因此高度方向有限制，風(fēng)冷散熱的高度為105 mm，而寬度方向由于風(fēng)道結(jié)構(gòu)的約束，風(fēng)冷散熱器的寬度確定為180 mm。散熱器在裝置中不僅需要為晶閘管散熱，還需要為結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度，承受裝置的較高壓力，散熱器整體材質(zhì)為兼顧散熱效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的工業(yè)鋁材6063。風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

散熱器中間風(fēng)道間隔布置翅片，可以增大散熱面積，提高風(fēng)冷的散熱效果。

2.2? ? 邊界條件與網(wǎng)格劃分

本文利用有限元軟件ANSYS的Icepak模塊來(lái)對(duì)風(fēng)冷散熱器進(jìn)行仿真計(jì)算。首先將風(fēng)冷散熱器三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，建立合適的流體域，如圖3所示。為使有限元模型與實(shí)際情況盡可能相同，設(shè)計(jì)的流體計(jì)算域?yàn)樽钔鈧?cè)實(shí)線所包裹的長(zhǎng)方體區(qū)域，計(jì)算域X軸方向的長(zhǎng)度為200 mm，Y軸方向的長(zhǎng)度為105 mm，Z軸方向的長(zhǎng)度為380 mm。

根據(jù)本工程參數(shù)設(shè)置邊界條件，單個(gè)晶閘管的發(fā)熱功率為2 200 W，由于是雙側(cè)散熱，因此單側(cè)發(fā)熱功率為1 100 W。進(jìn)風(fēng)溫度按照環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，風(fēng)速為6.5 m/s。

在圖3中，1代表進(jìn)風(fēng)口，并設(shè)置Z軸方向的風(fēng)速為6.5 m/s，溫度為20 ℃;2代表出風(fēng)口，參數(shù)默認(rèn);3和4是模擬晶閘管發(fā)熱盤(pán)面設(shè)定的直徑為110 mm的面熱源，它們的發(fā)熱功率各為1 100 W。

邊界條件創(chuàng)建好之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文采用的網(wǎng)格類(lèi)型是六面體占優(yōu)網(wǎng)格，模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

劃分后，獲得了532 072個(gè)網(wǎng)格單元和557 172個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，圖中所示網(wǎng)格質(zhì)量的面對(duì)齊率為0.95，遠(yuǎn)大于通常面對(duì)齊率一般要求的0.15，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以進(jìn)行下一步計(jì)算。

2.3? ? 散熱器溫升仿真計(jì)算

邊界條件和網(wǎng)格劃分完成后，進(jìn)入計(jì)算步驟，通過(guò)迭代計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)果收斂時(shí)，獲得風(fēng)冷散熱器的溫度場(chǎng)，如圖5所示。

通過(guò)溫度云圖可以看出，晶閘管與風(fēng)冷散熱器接觸面處的溫度最高達(dá)到90.3 ℃，超出晶閘管的結(jié)溫閾值85 ℃較多，在此條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，裝置會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)，故需要對(duì)風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3 改進(jìn)方案

3.1? ? 風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

風(fēng)冷散熱器的整體尺寸不能變化太大，因此在不改變風(fēng)冷散熱器整體尺寸的條件下，在蓋板內(nèi)設(shè)置了熱管來(lái)提高風(fēng)冷散熱器的散熱性能。優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱器如圖6所示。

3.2? ? 優(yōu)化后散熱器溫升仿真

根據(jù)上文所述的散熱器仿真邊界條件，對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱器進(jìn)行仿真計(jì)算，得到散熱器溫度云圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度按照環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，風(fēng)速為6.5 m/s，風(fēng)冷散熱器工作時(shí)的表面最高溫度為80.9 ℃，未超過(guò)晶閘管結(jié)溫閾值。

3.3? ? 溫升試驗(yàn)

對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱器進(jìn)行了樣品試制，并開(kāi)展了溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

測(cè)試時(shí)在距離散熱器出風(fēng)口30 mm處設(shè)置了風(fēng)速儀，采用加熱管來(lái)模擬晶閘管發(fā)熱，為了更好地達(dá)到均溫的目的，使用5根加熱管，發(fā)熱面積與晶閘管相同，單面發(fā)熱功率1 100 W。散熱器底板開(kāi)槽，將感溫線埋于底板內(nèi)，并確認(rèn)探點(diǎn)與鋁板接觸良好。

測(cè)試環(huán)境溫度為32 ℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示，風(fēng)速為6.5 m/s的時(shí)候散熱器表面的最高溫度為89.7 ℃，此時(shí)散熱器表面最高溫度與環(huán)境溫度的溫差為57.7 ℃，第3.2節(jié)仿真結(jié)果與環(huán)境溫度的溫差約60.9 ℃，誤差為5.3%，考慮到仿真與試驗(yàn)的條件存在偏差，本文認(rèn)為誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱器在散熱性能方面滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)某工程直流融冰裝置晶閘管的散熱需求，對(duì)風(fēng)冷散熱器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和溫升仿真計(jì)算，針對(duì)仿真結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求的情況，對(duì)散熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能上的優(yōu)化，并通過(guò)樣品試制驗(yàn)證了優(yōu)化后風(fēng)冷散熱器的散熱性能，最終設(shè)計(jì)出滿足該融冰裝置的散熱器。

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收稿日期：2020-07-07

作者簡(jiǎn)介：張露松（1981—），男，貴州大方人，工程師，研究方向：高電壓及電網(wǎng)防冰技術(shù)。

通信作者：蔡恒（1992—），男，江蘇蘇州人，碩士，工程師，研究方向：電力設(shè)備設(shè)計(jì)。