CN113710982A - 自激振荡热管冷却装置和搭载有该冷却装置的铁道车辆 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种即使在热管内的液段塞及蒸汽塞的初始分布均匀的情况下，通过产生自激振荡，启动性也优异的自激振荡热管冷却装置，作为自激振荡热管冷却装置，包括：具有受热部和散热部交替地配置的结构的热管，其是将封入有工作流体且密闭的管在厚度方向上连通成矩形波状而形成为波型形状来构成的；与受热部接合的受热部件；和配置在受热部件的与受热部接合的面相反一侧的面上的发热体，变更发热体的配置、散热部的结构、受热部的结构以及受热部件的结构中的至少一者，使得受热部在热管的长度方向上的温度分布相对于该长度方向的中央部为非对称，由此来产生自激振荡。

Description

自激振荡热管冷却装置和搭载有该冷却装置的铁道车辆
技术领域
本发明涉及一种利用自激振荡热管的冷却装置，适合作为搭载于铁道车辆的冷却装置。
背景技术
关于用于冷却装置的自激振荡热管，在非专利文献1中说明了如下内容：在加热部和冷却部之间使一根细的流路往返多次，将该流路排气成真空，将蒸发液体封入流路体积的一半程度，从而通过表面张力效应形成液段塞和蒸汽塞，随着加热量的增加，自激地产生液段塞的振动，从加热部向冷却部输送热。
另外，非专利文献2中评价了通过使用内部流动模型的计算，评价初始的气液分布对启动特性的影响。为了启动自激振荡热管，描述了在初始状态下在各匝的空隙率上存在差异、或液段塞存在于加热部而得到沸腾产生的驱动力为必要条件。
另一方面，专利文献1中示出一种自激振荡热管冷却器，其具有将多个功率半导体元件配置于受热部件的一侧的面，在受热部件的另一侧的相反面设置由自激振荡热管构成的散热部的结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018－88744号公报
非专利文献
非专利文献1：长崎孝夫、“关于自激振荡热管的热输送的评价”、Journal of theHeat Transfer Society of Japan、Vol.44、No.186(2005年5月)、pp.13－17
非专利文献2：大丸拓郎、吉田周平、永井大树、岡本笃、安藤麻纪子、杉田博之、“2E01关于自激振荡热管的启动的一考察”、第58次宇宙科学技术联合演讲会演讲集(2014)、pp.5－9
非专利文献3：Daimaru、T.、Yoshida、S.、Nagai、H.“Study on thermal cycle inoscillating heat pipes by numerical analysis”、Applied Thermal Eng.、113(2017)、pp.1219－1227
发明内容
发明所要解决的问题
非专利文献2中所示的见解显示，在相反地例如在各匝中均匀地分布有液段塞及蒸汽塞的情况下，即使加热部被加热，作用于液段塞的两端的蒸汽塞的压力也相同，不会引起液段塞的移动，不产生自激振荡。
另外，专利文献1中没有公开关于液段塞及蒸汽塞的初始的分布均匀的情况下的产生自激振荡的结构。
本发明的目的在于，提供一种即使在热管内的液段塞及蒸汽塞的初始分布均匀的情况下，也产生自激振荡且启动性优异的自激振荡热管冷却装置。
用于解决问题的技术方案
本发明的自激振荡热管冷却装置，基特征为，包括：具有受热部和散热部交替地配置的结构的热管，其是将封入有工作流体且密闭的管在厚度方向上连通成矩形波状而形成为波型形状来构成的；与受热部接合的受热部件；和配置在受热部件的与受热部接合的面相反一侧的面上的发热体，变更发热体的配置、散热部的结构、受热部的结构以及受热部件的结构中的至少一者，使得受热部在热管的长度方向上的温度分布相对于该长度方向的中央部为非对称，来产生自激振荡。
发明效果
根据本发明，能够提供一种即使热管内的液段塞及蒸汽塞的初始分布均匀的情况，也能够产生自激振荡且启动性优异的自激振荡热管冷却装置。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的自激振荡热管冷却装置的结构的侧视图。
图2是表示本发明实施例中采用的自激振荡热管冷却装置的流路结构的一例的图。
图3是表示本发明实施例中采用的自激振荡热管冷却装置的流路结构的另一例的图。
图4是表示图2或图3所示的自激振荡热管的截面结构的图。
图5是表示用于计算的自激振荡热管的概略图及初始的气液分布的图。
图6是表示气液分布的时间变化的计算结果的图。
图7是表示计算自激振荡开始时的受热部的温度分布的结果的图。
图8是表示从热管的中央部的左侧起第五个和第六个液段塞位移的时间变化的计算结果的图。
图9是表示本发明实施例2的自激振荡热管冷却装置的结构的侧视图。
图10是表示本发明实施例3的自激振荡热管冷却装置的结构的侧视图。
图11是表示本发明实施例4的自激振荡热管冷却装置的结构的侧视图。
图12是表示本发明实施例5的自激振荡热管冷却装置的结构的侧视图。
图13是表示本发明实施例6的自激振荡热管冷却装置的结构的侧视图。
具体实施方式
以下，作为用于实施本发明的方式，参照附图对实施例1～6进行说明。此外，对各图中共用的部分标注相同的附图标记并省略重复的说明。
图1是表示本发明的实施例1的自激振荡热管冷却装置100的结构的侧视图。
自激振荡热管冷却装置100由进行自激振荡的热管12、受热部件10及发热体11构成。发热体11相对于该热管12的长度方向的中央部非对称地配置。另外，作为该热管12及受热部件10的材质，使用热传导性良好的铝合金或铜等金属。
进行自激振荡的热管12成为遍及其长度方向上以等间隔多次折弯成U字状的形状。热管12的多个U字状的折弯部分的一端通过钎焊等与受热部件10的一面接合，在热管12上以等间隔形成多个受热部9。另外，热管12的受热部9以外的等间隔的多个部分形成与空气101或102(相对于纸面表示双方向的风)进行热交换的散热部20。另外，在折弯的热管12彼此之间，通过钎焊等固定散热片13，与热管12一起形成散热部。
发热体11配置于与热管12的受热部9所接合的受热部件10的面相反侧的面。发热体11的配置位置是相对于热管12的长度方向的中央部为非对称的位置，靠近一端部3一侧。在该位置，发热体11经由油脂部等部件(未图示)，通过螺栓等(未图示)进行固定。在此，发热体11是具备例如IGBT或MOS－FET等功率半导体元件的功率组件。
图2及图3是表示本发明后述的实施例中采用的自激振荡热管的流路结构的一例的图。另外，图4是作为图2或图3所示的自激振荡热管的截面结构例如表示图2的A－A截面的图。
图2及图3所示的自激振荡热管12由多孔扁平管构成。作为结构，例如有如图2所示由平行并排地排列且在各列中不相互连通的多个流路构成的情况和如图3所示由弯折流路构成的情况。另外，构成本发明所采用的自激振荡热管的管不限定于上述的多孔扁平管，例如如图5所示，也可以为由单一的圆管构成的结构。
在相邻的流路1之间设置有分隔部2，流路径及分隔部的宽度(流路间间距)分别为mm量级，流路长与流路径相比非常长。
另外，如图4所示，自激振荡热管12的厚度从热传导性及加工容易性考虑，设定为mm量级程度。
在密闭的流路1内封入有流路体积一半量的工作流体(未图示)。
进而，在将自激振荡热管形成为波型时，也可以不对多孔扁平管使用弯曲工序，而通过将具有相同长度的直线形状的多孔扁平管沿厚度方向并排设置多根而构成。即，使用在多孔扁平管侧具备狭缝的端部密封部件那样的部件将沿厚度方向并排设置多根的多孔扁平管的两端部分别固定，通过该狭缝使在多孔扁平管的两端分别相邻的多孔扁平管的端部彼此交替地连通，由此能够使工作液的移动。这样，能够形成具有流路形成为矩形波状(沿着多孔扁平管的长度方向交替折回地延伸)的密闭流路的自激振荡热管。
接着，对本发明的自激振荡热管开始自激振荡时的启动的机制进行说明。
图5～图8是表示与本发明的自激振荡热管的启动性相关的计算结果的图。在此，计算中所使用的计算模型基于非专利文献3。
图5是表示用于计算的自激振荡热管的概略图及初始的气液分布的图。在此，用于计算的自激振荡热管为内径1.0mm、外径1.6mm的铜管，且1匝的长度(热管的相邻U字状的折弯部间的热管长度方向的距离)为240mm，匝数为10。
对于每1匝，受热部为8mm，散热部为204mm，其它为隔热部。另外，在热管两端设置延长了50mm的部分，作为蒸气室部。关于计算，在没有和有单侧隔热双方的情况下均进行。作为单侧隔热，将热管的右侧端部的冷却部隔热13mm(图5中带阴影的部分)。
作为封入热管内的工作流体，使用R1336mzz(Z)，将封入率设为0.5。在此，R1336mzz(Z)基于标准，相当于表示冷却剂的冷却剂编号，是新冷却剂之一。
在上述计算中，假设每1匝存在1个液段塞时，将液段塞的长度设为1匝长度的一半的120mm。作为初始的液段塞的分布，假设均等分布，在各匝的散热部侧对称地分布1个液段塞。
作为受热部的热通量，给予相当于每1匝的加热器加热量3W的值。散热部的冷却温度为20℃，热传导率给予相当于风速4m/sec的管外热传导率的值。另外，在初始的蒸汽塞上，假设在其周围整体存在厚度5μm的液膜。热管的初始温度设为与冷却温度相同，以时间0sec开始加热。
图6是表示没有(a)所示的单侧隔热和有(b)所示的单侧隔热的气液分布的时间变化的图。图的纵轴是热管距原点(除蒸气室部以外左侧端部)的距离，图的横轴是加热开始后的时间。图示的黑色部分表示液段塞，白色部分表示蒸汽塞。加热开始后，在没有(a)所示的单侧隔热时，不产生振动，在有(b)所示的单侧隔热时，在时间16sec附近产生振动。
图7是表示计算没有(a)所示的单侧隔热和有(b)所示的单侧隔热的自激振荡开始时(16sec附近)的受热部的温度分布的结果的图。在没有(a)所示的单侧隔热时，受热部的温度分布均等，但在有(b)所示的单侧隔热时，右侧端部的受热部的温度比其它部分的受热部的温度高。
图8是作为从热管的中央部的左侧起第五个和第六个液段塞位移，表示直至20sec的时间变化的计算结果的图。
在没有(a)所示的单侧隔热时，在时间9.6sec附近，第五个和第六个液段塞的位移几乎对称地表示－1mm和+1mm，然后，看到2mm左右的振幅的微小的振动，但未达到大的振动。
在此，对第五个液段塞的位移表示－1mm，第六个液段塞的位移表示+1mm进行说明。在热管两端具有蒸气室部，左端的第一个和右端的第十一个蒸汽塞与其它蒸汽塞同样，即使蒸汽塞的质量因液膜蒸发而增加，原来的体积也比其它蒸汽塞大。因此，压力上升小，由于作用于液段塞的两端的压力差，液段塞从热管的中央向两端的方向移动。
另一方面，在有(b)所示的单侧隔热时，在时间10.0sec附近，双方的液段塞的位移均为－3mm。这是因为由于右端的局部的隔热，第十一个蒸汽塞的压力比其它的高，因作用于液段塞的两端的压力差，所有的液段塞从热管的右端向左端的方向移动。
在时间10.0sec后，液段塞反复两次3mm左右的正负位移后，从时间12.7sec以负的位移一边一点点地增加振幅一边进行振动。然后，在时间15.7sec以后，以5mm以上的大的振幅进行振动。
这样，蒸汽塞也随着液段塞的位移而移动，在蒸汽塞中，通过与壁温的温度差，在液膜上进行蒸发和冷凝。由此，蒸汽塞的质量增减，随之，引起蒸汽塞的压力的上升和下降。液段塞的时间15.7sec以后的振动通过作用于液段塞的两端的压力差的变动变大而开始。
如上，对单侧隔热引起的自激振荡的启动的机制进行总结。
通过将热管的单侧端部进行隔热，在加热后，液段塞向相同方向移动，液段塞的位移成为在一方向上一致的状态。通过该液段塞的移动，在蒸汽塞中，通过与管壁的温度差，在液膜上进行蒸发和冷凝。由此，蒸汽塞的质量增减，随之，引起压力的上升和下降。因此，作用于液段塞的两端的压力差变动，产生微小的振动。
此时，在有单侧隔热时，液段塞的位移在一方向上一致，因此，不会将各液段塞的运动相抵消，而发展为大的振动。另一方面，在没有单侧隔热时，在容易振动的热管的中央部，液段塞的位移小，方向也为反方向，因此，产生的微小的振动相抵消，不会发展为大的振动。
本发明是应用了上述的计算结果的发明。即，本发明的自激振荡热管冷却装置如图7的(b)所示，受热部相对于热管的长度方向的温度分布在单侧端部比其它高。即，通过具有相对于热管的长度方向的中央部成为非对称的特性，显示优异的启动性。
本实施例1中，为了使受热部相对于热管的长度方向的温度分布具有相对于热管12的长度方向的中央部成为非对称的特性，将发热体11相对于热管12的长度方向的中央部非对称地配置。
如图5～图8所示，在计算中，使用单一的圆管的一个流路作为热管，但即使为图2所示的多孔扁平管的多个流路，也可以得到相同的效果。
另一方面，在图3所示的弯折流路中，扁平管端部的匝部的流动阻力大，在扁平管的端部，工作流体难以进行动作，因此，液段塞的振动主要在扁平管端部的除匝部以外的部分产生。
因此，本实施例1中，与圆管或多个流路同样，受热部相对于热管的长度方向的温度分布具有相对于热管的长度方向的中央部成为非对称的特性。由此，在加热开始后，液段塞向一方向移动，在容易振动的管中央部，液段塞的位移在一方向上一致，不会抵消各液段塞的运动，产生的小的振动发展为大的振动而产生自激振荡。
接着，示出本发明的实施例2～5的结构及效果等。此时，在实施例2～5中，对与实施例1不同的部分进行说明，并省略与实施例1重复的部分的说明。
实施例2
图9是表示本发明实施例2的自激振荡热管冷却装置100a的结构的侧视图。
实施例2的自激振荡热管冷却装置100a是将多个发热体11a相对于热管12的长度方向的中央部非对称地配置的装置。图9表示配置了两个发热体11a的情况。
这样，实施例2也与之前的实施例1同样，受热部9相对于热管的长度方向的温度分布在单侧端部高，具有相对于热管12的长度方向的中央部成为非对称的特性，因此，产生自激振荡，且启动性优异。
实施例3
图10是表示本发明实施例3的自激振荡热管冷却装置100b的结构的侧视图。
实施例3的自激振荡热管冷却装置100b是与热管12的长度方向的一端部3最近的散热片13a的片数比其它少的装置。由此，抑制单侧端部处的散热，单侧端部的温度变高。
这样，实施例3中，受热部9相对于热管的长度方向的温度分布具有相对于热管12的长度方向的中央部成为非对称的特性，因此，产生自激振荡，且启动性优异。
实施例4
图11是表示本发明实施例4的自激振荡热管冷却装置100c的结构的侧视图。
实施例4的自激振荡热管冷却装置100c是在与热管12的长度方向的一端部3最近的热管12的散热部20的一部分设置隔热部件14的装置。由此，抑制单侧端部处的散热，单侧端部的温度变高。
在此，用于在散热部20的一部分设置隔热部件14的方法没有限定。例如，在图11中，使用将隔热部件14贴附于散热部20的一部分的方法。
这样，在实施例4中，受热部9相对于热管的长度方向的温度分布具有相对于热管12的长度方向的中央部成为非对称的特性，因此，产生自激振荡，且启动性优异。
实施例5
图12是表示本发明实施例5的自激振荡热管冷却装置100d的结构的侧视图。
实施例5的自激振荡热管冷却装置100d是缩短热管12的一端部3侧的受热部件10a的端部的长度，使与热管12的长度方向的两端部分别对应的受热部件10a的两端部各自的长度不同的装置。由此，单侧端部的热阻增加，单侧端部的温度变高。
这样，在实施例5中，受热部9相对于热管的长度方向的温度分布具有相对于热管12的长度方向的中央部成为非对称的特性，因此，产生自激振荡，且启动性优异。
实施例6
图13是表示本发明实施例6的自激振荡热管冷却装置100e的结构的侧视图。
实施例6的自激振荡热管冷却装置100e是使位于热管12的长度方向的一端部3的受热部的面积比其它受热部大的装置。由此，单侧端部的受热量增加，且温度变高。
在此，用于增加上述的受热部的面积的方法没有限定。例如，图13中，通过钎焊等将设置于受热部件10的突起部10b与热管12的长度方向的一端部3的受热部9b接合，由此，使一端部3的受热面积增加。
这样，在实施例5中，受热部9相对于热管的长度方向的温度分布具有相对于热管12的长度方向的中央部成为非对称的特性，因此，产生自激振荡，且启动性优异。
进而，作为实施例1～6进行说明的自激振荡热管冷却装置100、100a、100b、100c、100d及100e优选用于铁道车辆所搭载的驱动用的功率组件(具备IGBT或MOS－FET等功率半导体元件的功率组件)的冷却。
例如，在铁道车辆的地板下搭载将该功率组件作为发热体11安装于受热部件10的自激振荡热管冷却装置100、100a～100e。由此，即使在搭载多种类的设备的铁道车辆的地板下，也可以作为功率组件用的冷却装置紧凑地装备。
附图标记说明
1密闭流路、2分隔部、3热管的一端部、
9、9b受热部、10受热部件、10b突起、
11、11a发热体、12自激振荡热管、
13、13a散热片、14隔热部件、20散热部、
100、100a～100e自激振荡热管冷却装置。

Claims (12)

1.一种自激振荡热管冷却装置，其特征在于，包括：
具有受热部和散热部交替地配置的结构的热管，其是将封入有工作流体且密闭的管在厚度方向上连通成矩形波状而形成为波型形状来构成的；
与所述受热部接合的受热部件；和
配置在所述受热部件的与所述受热部接合的面相反一侧的面上的发热体，
对于所述热管，变更所述发热体的配置、所述散热部的结构、所述受热部的结构以及所述受热部件的结构中的至少一者，使得所述受热部在所述热管的长度方向上的温度分布相对于该长度方向的中央部为非对称，来产生自激振荡。
2.根据权利要求1所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
所述热管的所述波型形状是将所述管沿自身的长度方向多次弯曲成所述矩形波状来形成的。
3.根据权利要求1所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
所述热管的所述波型形状是将所述管在厚度方向上并排设置多根并将该管的相邻的两端部分别交替地连通成所述矩形波状来形成的。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
所述受热部件中的所述发热体的配置相对于所述热管的长度方向的中央部为非对称。
5.根据权利要求4述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
多个所述发热体的所述配置为所述非对称。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
所有的所述散热部均具有设置在相邻的所述散热部之间的散热片，
设置在最靠近所述热管的长度方向的一个端部的位置的所述散热片的个数少于设置于其它位置的所述散热片的个数。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
在最靠近所述热管的长度方向的一个端部的所述散热部上设置隔热部件。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
与所述热管的长度方向的两个端部分别对应的所述受热部件的两个端部各自的长度不同。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
最靠近所述热管的长度方向的一个端部的所述受热部的面积大于其它的所述受热部的面积。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
所述管为多孔扁平管。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的自激振荡热管冷却装置，其特征在于：
所述发热体为具有功率半导体元件的功率组件。
12.一种铁道车辆，其特征在于：
搭载有权利要求11所述的自激振荡热管冷却装置。
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