CN106783050B - 一种散热片及其设计方法及装置及变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变压器散热片的设计方法，包括获取冷却风扇的驱动功率；根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速；根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距；根据高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。该方案中，可以最大化地提高散热片的散热量同时减小散热片的重量和体积。在特定的散热要求下，此方法能够有效地提高散热片材料的利用率，较小散热片体积，能有效降低高频变压器稳态温升，提升其最大容量。
Description
技术领域
本发明涉及变压器领域，具体涉及一种散热片及其设计方法及装置及变压器。
背景技术
基于电力电子技术，国内外学者开始探索研究实现电能变换的新型智能变压器-电力电子变压器(Power Elecronic Transformer,简称PET)，也称固态变压器(Solid-State Transformer，简称SST)。电力电子变压器作为一种高度可控的新型变电装备，其突出特点是能够实现对变压器原副边电压幅值与相位的灵活控制，以满足智能电网未来发展的许多新要求。而在电力电子变压器的大功率拓扑的实现中，中间的高频变压器本体是最基础也是最重要的电磁元件。随着设计容量不断提高，变压器体积不断增大，可通过提升工作频率的方法减小高频变压器本体的物理体积。
因此，高频变压器相比与传统的变压器，其优势在于：
(1)相同磁芯结构和尺寸时，变压器的原副边电压等级显著增大。
(2)相同磁芯结构和尺寸时，变压器的设计容量和功率密度显著增大。
(3)应用领域更加广泛，比如：配电网领域，直流输电领域，以及未来智能电网领域。用在电力电子拓扑中，组成的电力电子变压器可实现对原副边电压幅值与相位的灵活控制，可以满足智能电网未来发展的许多新要求。
目前，高频变压器的设计中遇到了损耗密度高导致稳态温升过高的问题，对高频变压器的绝缘和使用寿命产生了巨大的威胁，所以合理的设计变压器的散热对于提高高频变压器的容量和使用寿命都是极为关键的，同时也要保证其体积是最小化，以维持高频变压器小体积的优点。目前，如果要保证散热器的散热效果，则需要散热片的尺寸较大，无疑使得变压器的体积较大。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中的变压器散热片无法满足新型变压器对散热片体积和散热效率的要求。
为此，本申请提供一种散热片的设计方法，包括：获取冷却风扇的驱动功率；根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速；根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距；根据高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。
优选地，所述获取冷却风扇的驱动功率的步骤，包括：
PN＝umzΔp
其中，Δp表示空气的压强降落，z表示两个散热板之间的间距，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率。
优选地，根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速的步骤，包括：
其中，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率，z表示两个散热板之间的间距，fappRe表示表面摩擦系数，x+表示动力学长度，ρ是空气的密度。
优选地，根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距的步骤，包括：计算散热片单位间距上的散热量；选取其最大值所对应的间距为目标间距。
此外，本发明实施例还还提供一种散热片的设计装置，包括：驱动功率计算单元，用于获取冷却风扇的驱动功率；空气流速计算单元，用于根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速；目标间距计算单元，用于根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距；目标个数和目标尺寸计算单元，用于根据高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。
优选地，所述驱动功率计算单元包括：
PN＝umzΔp
其中，Δp表示空气的压强降落，z表示两个散热板之间的间距，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率。
优选地，所述空气流速计算单元包括：
其中，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率，z表示两个散热板之间的间距，fappRe表示表面摩擦系数，x+表示动力学长度，ρ是空气的密度。
优选地，所述目标间距计算单元包括：散热量计算子单元，用于计算散热片单位间距上的散热量；最优间距选择子单元，用于选取其最大值所对应的间距为目标间距。
此外，本实施例中还提供一种采用所述的方法设计的散热片。
此外，本发明实施例中还提供一种变压器，包括所述的散热片。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的变压器散热片的设计方法，包括获取冷却风扇的驱动功率；根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速；根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距；根据高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。该方案中，可以最大化地提高散热片的散热量同时减小散热片的重量和体积。在特定的散热要求下，此方法能够有效地提高散热片材料的利用率，较小散热片体积，能有效降低高频变压器稳态温升，提升其最大容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中一种变压器的结构示意图。
图2为本发明实施例1中的散热片的设计方法的一个具体示例的流程图；
图3为本发明实施例2中散热片的设计装置的一个具体示例的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例中提供一种变压器散热片的设计方法，用于设计变压器中的散热片的最优尺寸，其中最优尺寸指的是在整个散热片外部尺寸、散热量、最大温升和风扇驱动功率给定的情况下，对散热器结构进行优化，使得其体积或者质量最小。
散热片的结构如图1所示，其中，各个字母所代表的的尺寸含义如下：L和W是散热片基座的尺寸，δ表示翅片的厚度，z表示翅片的间距，b表示翅片的高度，Ap表示翅片在热量传导方向上的截面积。该散热片的设计方法所要达到的目的是在给定翅片的基座的尺寸L和W，空气入口温度Tm，i，基座温度Ts，则基座过余温度θb＝Ts-Tm，i，总散热量q，风扇的驱动功率PN(或者一组参考的风速um0以及间距z0)给定的情况下，计算得到强迫对流散热片的最小体积。
本实施例中的高频变压器散热片的设计方法如下：
S1、获取冷却风扇的驱动功率PN。如果PN直接给定，则无需计算。如果给定的是一组参考的风速um0以及间距z，那么则需要先计算此时所对应的驱动功率PN，计算方式如下：
对于两平行平板间的管内流动，其水力直径定义为
Dh＝2z (1)
其中，z表示两个散热板之间的间距。瑞利数定义为
其中um是空气的流速，v是空气的运动粘度。在该模型下，动力学长度定义为
其中x表示沿空气流动方向，距空气入口的距离。则表面摩擦系数为
该公式通过实验总结得到，是一个经验公式。最后由表面摩擦系数的定义可以得到空气的压强降落Δp以及风扇的驱动功率PN分别为：
其中，ρ是空气的密度 (5)
PN＝umzΔp (6)
通过计算风流过散热片间隙时候的压强降落，以及风的流量，不断进行迭代，最终确定在该功率下空气的流速与散热片间距之间的关系，如式(1)-(6)所示。
S2、根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速。
计算在S1中获得的驱动功率PN下，不同散热片间距对应的风速，当空气流过散热片的间隙时，由于空气和散热片存在摩擦的原因，会产生能量损失，其表现就是空气的气压会下降(由于气压的下降值很小，此时空气仍然可看作不可压缩流体)，这种气压下降会造成对空气流动的阻力，空气的流动就需要相应的功率驱动，这就是风扇的作用，空气的压降随着散热片间距的减小以及风速的增加而增加，所以相应的驱动功率也要增加，或者说在相同驱动功率下，散热片的间距减小会导致空气流速下降，所以需要计算每种情况下的风速。
首先，给定一组散热片间距z的可行范围，其对应风速初值uma0，通过(1)-(4)式以及
进行迭代，每次迭代用um替换uma0)，直到两次迭代的um差值小于10-5，最后的结果即是恒功率情况下的对应于不同间距za下的空气流速uma，其中ρ是空气的密度。
S3、根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距。
散热片间距和对应的风速都确定以后，就可以计算在该情况下散热片表面的对流散热系数h，以及相应的单位面积上的散热量，通过求解散热量与间距的比值的最大值，从而可以选出一个最优间距，即使用最小的区域散出去最多的热量的间距。
首先，计算散热片单位间距上的散热量，然后选取其最大值所对应的间距为最优间距。具体过程如下：
利用za和uma，计算最优的间距zopt，首先定义热力学长度为
其中Pr表示空气的普朗特数。 (8)
由此可以计算管内的平均努赛尔数，该公式由实验得到，是一个经验公式
平均努赛尔数的定义为
其中k表示空气的热传导系数，表示空气的平均对流系数。由此可以计算管内的平均对流系数。
使用两平板间的层流模型的努赛尔数计算公式，确定使用对数平均温度情况下平面表面的平均对流系数，如式(8)-(10)所示。
由平均对流系数的定义则可以计算管内某点处空气的平均温度以及总的散热量：
其中Tm,i表示入口空气平均温度，qs表示单位长度上散热片的散热量。 (11)
其中，Ts表示基座温度，Tm是L处的空气平均温度、ΔTo是基座温度与L处的空气平均温度之差、ΔTi分别表示基座温度与入口处空气平均温度之差。
ΔTlm表示对数平均温度。 (13)
计算出取得最小的qconv/Za所对应的的Za值即为Zopt，即计算散热片单位间距上的散热量，选取其最大值所对应的间距为最优间距。
上式中Cp为空气的比热容，并计算出此时所对应的最优对流散热系数以及其中
S4、根据高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。
给定一组散热片高度ba0作为初值，则可以计算散热片的个数(由于散热片个数为整数，所以进行了取整运算)
下面可以计算总的散热量平均到每个散热片上之后的热量(减去了翅片基本的散热量)
其中，q表示给定的散热片总的散热量、分别表示最优散热片平均表面对流系数。
由最优推导，得到的翅片最优尺寸的计算公式，其中βout是一个最优参量，在推导过程中产生，是一个无量纲量
由βopt则可以计算翅片的最优厚度和最优长度，
其中，θb表示基座过余温度θb＝Ts-Tm，i。
迭代(之后每个循环将ba0替换为bopt)，直到两次迭代的结果差值小于10-5，最后迭代出来的一组bopt，δopt，即为最优的散热片尺寸。过程中floor(x)表示取不大于x的最大整数值。
使用散热片最优长宽值与散热量、温升以及材料参数之间的关系，使用简单的迭代算法计算，大大减小了计算量，如式(17)-(19)所示。
在最优间距，以及其对应的表面散热系数h都确定了之后需要借助就可以计算单个散热片的最优尺寸了，在考虑间距散热的情况下，需要使用(17)-(19)式进行不断迭代，直至收敛。但是在这之前需要对表面散热系数h进行一些转换，(13)式使用的h是与对数平均温度相对应的，而在(17)-(19)是中使用的这是对应于入口温度与散热片壁面温度差值相对应的h，两者的对应关系可用式(14)表示。
如果没有满足上述条件的值，则是因为散热片的散热量超过了极限，没有可行解，减小设定的总散热量q从新开始计算。
本实施例中的散热片设计方法，首先建立恒风扇驱动功率的下，散热片内空气的流动速度与散热片间距之间的关系。其次建立散热片表面对流散热系数与流速之间的关系，进而确定散热片的最优间距。然后结合单个散热片在给定散热量和温升时的最优长宽比计算公式，通过迭代计算出单个散热片的最优宽度和高度以及最优散热片个数，从而确定整个散热片的结构参数。在特定的散热要求下，此方法能够有效地提高散热片材料的利用率，较小散热片体积，能有效降低高频变压器稳态温升，提升其最大容量。
实施例2
本实施例中提供一种散热片的设计装置，如图3所示，包括：
驱动功率计算单元01，用于获取冷却风扇的驱动功率；
空气流速计算单元02，用于根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速；
目标间距计算单元03，用于根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距；
目标个数和目标尺寸计算单元04，用于根据高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。
其中，所述驱动功率计算单元包括：
PN＝umzΔp
其中，Δp表示空气的压强降落，z表示两个散热板之间的间距，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率。
其中，所述空气流速计算单元包括：
其中，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率，z表示两个散热板之间的间距，fappRe表示表面摩擦系数，x+表示动力学长度，ρ是空气的密度。
其中，所述目标间距计算单元包括：散热量计算子单元，用于计算散热片单位间距上的散热量；最优间距选择子单元，用于选取其最大值所对应的间距为目标间距。
此外，本实施例中还提供采用实施例1中的散热片设计方法设计出的散热片以及使用该散热片的固态变压器，具有更小的体积、可以达到更好的散热效果。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种散热片的设计方法，其特征在于，包括：
获取冷却风扇的驱动功率；
根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速；
根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距；
根据散热片高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述获取冷却风扇的驱动功率的步骤，包括：
PN＝umzΔp
其中，Δp表示空气的压强降落，z表示两个散热板之间的间距，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速的步骤，包括：
其中，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率，z表示两个散热板之间的间距，fappRe表示表面摩擦系数，x+表示动力学长度，ρ是空气的密度。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距的步骤，包括：
计算散热片单位间距上的散热量；
选取其最大值所对应的间距为目标间距。
5.一种散热片的设计装置，其特征在于，包括：
驱动功率计算单元，用于获取冷却风扇的驱动功率；
空气流速计算单元，用于根据所述驱动功率计算不同散热片间距下的空气流速；
目标间距计算单元，用于根据不同所述散热片间距和其对应的所述空气流速计算散热片目标间距；
目标个数和目标尺寸计算单元，用于根据散热片高度计算散热片的目标个数，将总热量分散到每个散热片计算散热片的目标尺寸。
6.根据权利要求5所述的设计装置，其特征在于，所述驱动功率计算单元包括：
PN＝umzΔp
其中，Δp表示空气的压强降落，z表示两个散热板之间的间距，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率。
7.根据权利要求5所述的设计装置，其特征在于，所述空气流速计算单元包括：
其中，um表示空气的流速，PN表示冷却风扇的驱动功率，z表示两个散热板之间的间距，fappRe表示表面摩擦系数，x+表示动力学长度，ρ是空气的密度。
8.根据权利要求7所述的设计装置，其特征在于，所述目标间距计算单元包括：
散热量计算子单元，用于计算散热片单位间距上的散热量；
最优间距选择子单元，用于选取其最大值所对应的间距为目标间距。
9.一种散热片，其特征在于，根据权利要求1-4中任一项所述的设计方法设计而成。
10.一种变压器，其特征在于，包括权利要求9所述的散热片。
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