一种移动型电站散热装置及其风道设计的制作方法

1.本发明属于电气装置散热结构设计领域，具体地说，是一种移动型电站散热装置及其风道设计，具有小型化、可移动、结构紧凑、低碳环保等优点。


背景技术：

2.船舶岸电系统是指船舶停靠在码头时，停止使用船舶上的自备发电机，转而使用陆地电源向主要船舶电力设备进行供电。但是，由于船舶码头利用率的问题(其利用率远低于电动汽车充电桩)，船舶岸电系统一般处于断续使用状况。按照中华人民共和国行业标准《码头岸电设施检测技术规范》jts155-1-2019中所规定：船舶岸电系统必须在设备正常使用每12个月或者停用3个月后再使用前进行运行检测。
[0003]“移动型岸电站”是一种小型化、模块化、可移动的装置，这种装备可以作为中间环节，构成“电网-移动型岸电站-船舶”给船舶提供能量，构成岸电系统的整体。此外，这种装置也可以单独作为测试装置，构成“电网-移动型岸电站-拓扑可变的微网系统-电网”的电力回馈系统整体，通过改变拓扑可变的微网系统的电网拓扑结构，调整负载性质，模拟供电船舶的情景。最重要的是这种情况时，电能通过一系列的环节最终可以回馈到电网，除了传输损耗以外，能量损失极小，符合我国低碳环保、节能减排的能源环保思想。
[0004]
这种小型化、模块化的“移动型岸电站”装置体积极小，重量极轻，可以装载到20吨级的大型拖拽车，或者集成为大型专业工程车辆实现移动检测。但是这种“移动型岸电站”直接接入10kv中压电压网络，并且连续运行48h以上，因此发热量不可忽视。常见的电力系统散热措施主要有：
[0005]
(1)装载散热片的风冷式自然散热
[0006]
这种方法将电力系统装置柜体均装设鳞状的散热片，扩大装置的散热面积，通过加大与空气的接触面，达到自然散热的目的。此外通过对整体布局的设计，可以形成风道效应，即将热量集中在某个过道中，通过冷热对流，在过道中形成自然风加速空气流动辅助散热。这种方法成本低廉，但是装置体积大，散热效率较低。
[0007]
(2)全封装浸入式散热
[0008]
这种方法将电力装置按模块制造，将其全部浸入至一个密封的柜体，柜体中充满绝缘的液态散热剂或者惰性气体。通过泵循环散热剂或惰性气体实现散热，安装时需要设置循环管线，通过管路将模块进行串接，构成整个电力系统。这种方法装置的体积极小，散热效率极高，但是设备成本极高，仅适用于固定安装，此外管线需要定期更换与维护。
[0009]
由上述分析可以看出，以上两种散热方式均不能直接应用于移动型岸电站。需要设计一种价格相对低廉，无需经常更换散热剂，电力系统装置整体体型较小，可以由拖拽车或者集成为大型专业工程车辆进行移动的岸电电站散热装置。


技术实现要素：

[0010]
为了解决上述技术问题，本发明披露了一种移动型电站散热装置，整体采用立体
柜体结构设计，包括最底层的冷凝器、中间层的包裹液态金属的散热片和最上层的磁悬浮风扇，三者之间通过设计的散热风道将其连接在一起，其中最重要的是需要选择合适的材料，设计合适的散热风道管径，计算散热风道每段长度，最终保证所述的移动型岸电站可以顺利的将内部热能释放出去。
[0011]
本发明采用的具体技术方案如下：
[0012]
一种移动型电站散热装置，整体采用立体柜体结构设计，包括最底层的冷凝器、中间层的包裹液态金属的散热片和最上层的磁悬浮风扇，三者之间通过设计的散热风道将其连接在一起。
[0013]
在上述技术方案中，基于成本与技术成熟度考虑，仍采用风冷散热方式。所有装置均整合于立体柜体，柜体最底层设置有冷凝器、中间层设置有包裹液态金属的散热片和最上层的磁悬浮风扇。与一般结构设计不同，在本技术方案中，采用液态金属对柜体核心部件进行降温，制造一定的温度差，基于伯努利原理形成一种不依赖风道形状稳定的气流辅助散热。
[0014]
本发明的进一步改进，散热片内置有液态金属整体呈矩形，设置在电路的整流桥路与逆变桥路上，液态金属的四周设置有散热鳞片。整流桥路与逆变桥路设置有液态金属，散热时覆盖有液态金属部分的温度较低，其他部分温度较高，如此形成具有温差的势能场，温差会在预设的风道中自主形成自然风，该自然风又会推动风扇叶片，使得风扇克服阻力进行旋转，通过对风扇叶片角度的设计，使得风扇旋转时产生吸力，排出移动型岸电站柜体中的热量。
[0015]
本发明的进一步改进，最上层的磁悬浮风扇为无源永磁体可调节自旋转风扇。这种新型风扇不需要任何外界电源就可以实现旋转，旋转速度可以根据内部温度差进行自适应调节。
[0016]
本发明的进一步改进，无源永磁体可调节自旋转风扇由风扇叶片、风扇外框和风扇内圈组成。其中，风扇内圈是由若干个永磁体构成，永磁体采用瓦片形结构斜向放置，通过这种永磁体布局形式提供无源永磁体可调节自旋转风扇主要向上的悬浮力与向内的向心力。悬浮力用以抬升散热风扇，向心力用以围绕中心轴旋转，这种方式使得旋转摩擦阻力极小，但是由于风扇内圈与中心轴没有实际连接，因此刚性强度不够，即易受外界扰动而晃动，因此，在永磁体下方设置有调整电磁铁，无源永磁体可调节自旋转风扇可以通过永磁体、调整电磁铁、自身重力和散热气流产生的推力、外部干扰力完成自身的受力平衡实现悬浮。此外，整个无源永磁体可调节自旋转风扇没有主动旋转的动力源，仅依靠冷热对流所产生的气流进行旋转，气流流速越大，无源永磁体可调节自旋转风扇转速越快。这种方式不存在动力源，低碳减排节能环保，最重要的是通过冷热对比的设计，温差越大风扇转速越快，具有一定自适应的能力。
[0017]
本发明的进一步改进，风扇叶片的数量为8个均匀布置在风扇外框和风扇内圈之间，风扇内圈由4个永磁体构成。
[0018]
上述技术方案中的风道设计具体包括以下步骤：
[0019]
步骤1、设计移动型电站散热装置的基本参数；
[0020]
步骤2、计算最底层的冷凝器管道长度；
[0021]
步骤3、计算中间层的风道及其风道支路管道长度；
[0022]
步骤4、计算最上层的磁悬浮风扇管道长度。
[0023]
上述步骤1的具体实施流程如下：
[0024]
流程1.1、设计冷凝管参数：冷凝管内径d
l
＝32mm，冷凝液流量q
vl
＝0.3m3/s，最大冷凝液流量q
vlmax
＝0.15m3/s，冷凝管壁温t
wl
＝8℃，进风温度t
il
＝20℃，冷凝管出风温度t
ol
＝10℃，冷凝管的绝对粗糙度δ
l
＝0.05mm。
[0025]
流程1.2、设计风道及其风道支路参数：风道管道为圆形，内径dd＝800mm，风道进风温度t
id
＝t
wl
＝10℃，风量q
vl
＝1.2m3/s，2条风道支路为矩形，长l
dzc
＝700mm，宽l
dzk
＝250mm，支路风量q
vlz
＝0.6m3/s，风道支路进风温度t
idz
＝t
wl
＝10℃，风道支路出风温度t
odz
＝60℃，风道的绝对粗糙度δd＝8mm；
[0026]
流程1.3、设计无源磁悬浮风道参数：无源磁悬浮管道内径dc＝250mm，无源磁悬浮管道进风温度t
ic
＝t
odz
＝60℃，无源磁悬浮管道出风温度t
oc
＝50℃，风道的绝对粗糙度δd＝0.05mm。
[0027]
上述步骤2的具体实施流程如下：
[0028]
流程2.1、计算定性温度：
[0029]
t
lref
＝(20+10)℃/2＝15℃
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0030]
查找所用冷凝液二氟一氯甲烷(r22)在15℃下的热物理性质；
[0031]
流程2.2、计算截面平均流速u
l
，并判断其雷诺数r
el
是否符合阻力平方区的要求：
[0032]
冷凝器管道为圆形，计算其截面平均流速：
[0033][0034][0035]
相对粗糙度为：
[0036][0037]
根据流动阻力moody图中的阻力平方区，r
el
数值要求大于
[0038][0039]
可见r
el
数值大于其要求，即所设计的冷凝器流速符合标准。
[0040]
流程2.3、基于nikurads公式计算其阻力f
l
：
[0041][0042]
流程2.4、基于gnielinsk公式计算其努塞尔数n
ul
和对流传质系数h
ml
：
[0043][0044][0045]
流程2.5、根据热平衡关系计算总换热量：
[0046]
φ
l
＝ρq
vlcp
(t
o-ti)＝1246.7
×
0.3
×
1199
×
(10-20)＝-4484.38w
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0047]
总换热量为负值，即说明冷凝管是由外界做功，降低自身热量。
[0048]
流程2.6、计算对数平均温差：
[0049][0050]
流程2.7、计算所需的冷凝管长度：
[0051]
公式9的总换热量可以改写为φ
l
＝h
ml
·a·
δt
ml
＝π
·dl
·
l
l
·hml
·
δt
ml
[0052][0053]
冷凝管长度需要超过0.831m，所以选取长度为1.5m的铜制冷凝管。
[0054]
上述步骤3计算中间层的风道及其风道支路管道长度，如步骤2所述一样，计算中间层的风道及其风道支路管道长度，设计风道长度为900mm，2条支路风道长度为600mm。
[0055]
上述步骤4计算最上层的磁悬浮风扇管道长度，如步骤2所述一样，计算最上层的磁悬浮风扇管道长度，设计风道长度为150mm。
[0056]
本发明的有益效果：
[0057]
(1)本发明采用三段式的散热设计，最大程度的减小设备的体积，保证其可以装入移动型岸电站的柜体；
[0058]
(2)本发明散热设计中应用较多的无源设备，如液态金属散热板，无源磁悬浮风扇等，这些无源设备无需任何运作能量，仅通过自身物理特性，利用温度或者内外温差实现对流与排热，极大的节省了设备消耗能量，符合国家绿色环保、节能减排的要求。
[0059]
(3)本发明通过调整最底层冷凝器的温度，中间层散热片的温度从而可以实现调节总换热量与对流平均温差，从而在不改变散热结构的同时，调节散热能力，均衡柜体中电力电子器件的温度。
[0060]
(4)本发明与全封装浸入式散热方式相比，散热设计价格低廉，核心部件采用模块化封装，便于快速更换维修。
[0061]
(5)本发明与其他风冷散热装置相比，散热设计可以调节最底层冷凝器和中间层散热片的温度，无需改变风道结构，仅通过改变壁温调整散热风道内流速，这种设计可以实现装置柜体内的恒温控制。
附图说明
[0062]
图1是本发明的整体结构侧视示意图。
[0063]
图2是本发明中无源永磁体可调节自旋转风扇结构俯视示意图。
[0064]
图3是图2的侧视图。
[0065]
图4是本发明中风道设计流程图。
[0066]
图中，1-磁悬浮风扇，2-散热片，3-冷凝器，101-风扇叶片，102-永磁体，103-风扇外框，104-风扇内圈，105-调整电磁铁。
具体实施方式
[0067]
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
[0068]
实施例：如图1所示，一种移动型电站散热装置，整体采用立体柜体结构设计，包括最底层的冷凝器3、中间层的包裹液态金属的散热片2和最上层的磁悬浮风扇1，三者之间通过设计的散热风道将其连接在一起。散热片2内置有液态金属整体呈矩形，设置在电路的整流桥路与逆变桥路上，液态金属的四周设置有散热鳞片。整流桥路与逆变桥路设置有液态金属，散热时覆盖有液态金属部分的温度较低，其他部分温度较高，如此形成具有温差的势能场，温差会在预设的风道中自主形成自然风，该自然风又会推动风扇叶片101，使得风扇克服阻力进行旋转，通过对风扇叶片101角度的设计，使得风扇旋转时产生吸力，排出移动型岸电站柜体中的热量。
[0069]
如图2、图3所示，最上层的磁悬浮风扇1为无源永磁体可调节自旋转风扇，无源永磁体可调节自旋转风扇由风扇叶片101、风扇外框103和风扇内圈104组成。其中，风扇内圈104是由若干个永磁体102构成，永磁体102采用瓦片形结构斜向放置，通过这种永磁体布局形式提供无源永磁体可调节自旋转风扇主要向上的悬浮力与向内的向心力。悬浮力用以抬升散热风扇，向心力用以围绕中心轴旋转，这种方式使得旋转摩擦阻力极小，但是由于风扇内圈与中心轴没有实际连接，因此刚性强度不够，即易受外界扰动而晃动，因此，在永磁体102下方设置有调整电磁铁105，无源永磁体可调节自旋转风扇可以通过永磁体102、调整电磁铁105、自身重力和散热气流产生的推力、外部干扰力完成自身的受力平衡实现悬浮。此外，整个无源永磁体可调节自旋转风扇没有主动旋转的动力源，仅依靠冷热对流所产生的气流进行旋转，气流流速越大，无源永磁体102可调节自旋转风扇转速越快。这种方式不存在动力源，低碳减排节能环保，最重要的是通过冷热对比的设计，温差越大风扇转速越快，具有一定自适应的能力。风扇叶片101的数量为8个均匀布置在风扇外框103和风扇内圈104之间，风扇内圈104由4个永磁体102构成。
[0070]
如图4所示，本实施例中的风道设计具体包括以下步骤：
[0071]
步骤1、设计移动型电站散热装置的基本参数；
[0072]
步骤2、计算最底层的冷凝器管道长度；
[0073]
步骤3、计算中间层的风道及其风道支路管道长度；
[0074]
步骤4、计算最上层的磁悬浮风扇管道长度。
[0075]
上述步骤1的具体实施流程如下：
[0076]
流程1.1、设计冷凝管参数：冷凝管内径d
l
＝32mm，冷凝液流量q
vl
＝0.3m3/s，最大
冷凝液流量q
vlmax
＝0.15m3/s，冷凝管壁温t
wl
＝8℃，进风温度t
il
＝20℃，冷凝管出风温度t
ol
＝10℃，冷凝管的绝对粗糙度δ
l
＝0.05mm。
[0077]
流程1.2、设计风道及其风道支路参数：风道管道为圆形，内径dd＝800mm，风道进风温度t
id
＝t
wl
＝10℃，风量q
vl
＝1.2m3/s，2条风道支路为矩形，长l
dzc
＝700mm，宽l
dzk
＝250mm，支路风量q
vlz
＝0.6m3/s，风道支路进风温度t
idz
＝t
wl
＝10℃，风道支路出风温度t
odz
＝60℃，风道的绝对粗糙度δd＝8mm；
[0078]
流程1.3、设计无源磁悬浮风道参数：无源磁悬浮管道内径dc＝250mm，无源磁悬浮管道进风温度t
ic
＝t
odz
＝60℃，无源磁悬浮管道出风温度t
oc
＝50℃，风道的绝对粗糙度δd＝0.05mm。
[0079]
上述步骤2的具体实施流程如下：
[0080]
流程2.1、计算定性温度：
[0081]
t
lref
＝(20+10)℃/2＝15℃
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0082]
查找所用冷凝液二氟一氯甲烷(r22)在15℃下的热物理性质，如表1所示：
[0083]
表1二氟一氯甲烷(r22)在15℃下的热物理性质
[0084][0085]
流程2.2、计算截面平均流速u
l
，并判断其雷诺数r
el
是否符合阻力平方区的要求：
[0086]
冷凝器管道为圆形，计算其截面平均流速：
[0087][0088][0089]
相对粗糙度为：
[0090][0091]
根据流动阻力moody图中的阻力平方区，r
el
数值要求大于
[0092][0093]
可见r
el
数值大于其要求，即所设计的冷凝器流速符合标准。
[0094]
流程2.3、基于nikurads公式计算其阻力f
l
：
[0095][0096]
流程2.4、基于gnielinsk公式计算其努塞尔数n
ul
和对流传质系数h
ml
：
[0097][0098][0099]
流程2.5、根据热平衡关系计算总换热量：
[0100]
φ
l
＝ρq
vlcp
(t
o-ti)＝1246.7
×
0.3
×
1199
×
(10-20)＝-4484.38w
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0101]
总换热量为负值，即说明冷凝管是由外界做功，降低自身热量。
[0102]
流程2.6、计算对数平均温差：
[0103][0104]
流程2.7、计算所需的冷凝管长度：
[0105]
公式9的总换热量可以改写为φ
l
＝h
ml
·a·
δt
ml
＝π
·dl
·
l
l
·hml
·
δt
ml
[0106][0107]
冷凝管长度需要超过0.831m，所以选取长度为1.5m的铜制冷凝管。
[0108]
上述步骤3计算中间层的风道及其风道支路管道长度，如步骤2所述一样，计算中间层的风道及其风道支路管道长度，设计风道长度为900mm，2条支路风道长度为600mm。
[0109]
上述步骤4计算最上层的磁悬浮风扇管道长度，如步骤2所述一样，计算最上层的磁悬浮风扇管道长度，设计风道长度为150mm。
[0110]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

技术特征：
1.一种移动型电站散热装置，其特征在于，整体采用立体柜体结构设计，包括最底层的冷凝器、中间层的包裹液态金属的散热片和最上层的磁悬浮风扇，三者之间通过设计的散热风道将其连接在一起。2.根据权利要求1所述的移动型电站散热装置，其特征在于，所述散热片内置有液态金属整体呈矩形，液态金属的四周设置有散热鳞片。3.根据权利要求2所述的移动型电站散热装置，其特征在于，所述磁悬浮风扇为无源永磁体可调节自旋转风扇，所述无源永磁体可调节自旋转风扇由风扇叶片、风扇外框和风扇内圈组成，所述风扇内圈是由若干个永磁体构成，所述永磁体采用瓦片形结构斜向放置。4.根据权利要求3所述的移动型电站散热装置，其特征在于，所述风扇叶片的数量为8个均匀布置在所述风扇外框和所述风扇内圈之间，所述风扇内圈由4个永磁体构成。5.一种如权利要求4所述的移动型电站散热装置的风道设计，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、设计移动型电站散热装置的基本参数；步骤2、计算最底层的冷凝器管道长度；步骤3、计算中间层的风道及其风道支路管道长度；步骤4、计算最上层的磁悬浮风扇管道长度。6.根据权利要求5所述的移动型电站散热装置的风道设计，其特征在于，所述步骤1的具体实施流程如下：流程1.1、设计冷凝管参数；流程1.2、设计风道及其风道支路参数；流程1.3、设计无源磁悬浮风道参数。7.根据权利要求6所述的移动型电站散热装置的风道设计，其特征在于，所述步骤2的具体实施流程如下：流程2.1、计算定性温度，查找所用冷凝液二氟一氯甲烷在15℃下的热物理性质；流程2.2、计算截面平均流速，并判断其雷诺数是否符合阻力平方区的要求；流程2.3、基于nikurads公式计算其阻力；流程2.4、基于gnielinsk公式计算其努塞尔数和对流传质系数；流程2.5、根据热平衡关系计算总换热量：若总换热量为负值，即说明冷凝管是由外界做功，降低自身热量；流程2.6、计算对数平均温差；流程2.7、计算所需的冷凝管长度。8.根据权利要求7所述的移动型电站散热装置的风道设计，其特征在于，所述步骤3计算中间层的风道及其风道支路管道长度，如步骤2所述一样。9.根据权利要求8所述的移动型电站散热装置的风道设计，其特征在于，所述步骤4计算最上层的磁悬浮风扇管道长度，如步骤2所述一样。

技术总结
本发明属于电气装置散热结构设计领域，具体地说，是一种移动型电站散热装置及其风道设计，装置整体采用立体柜体结构设计，包括最底层的冷凝器、中间层的包裹液态金属的散热片和最上层的磁悬浮风扇，三者之间通过设计的散热风道将其连接在一起。本发明中散热设计无需风扇驱动能量，低碳环保节能；核心部件采用模块化封装，便于快速更换维修；无需改变风道结构，仅通过风道内部的温差改变流速，达到改变风道口径同样的功能，这种设计既节省能源，又结构简单控制方便。简单控制方便。简单控制方便。


技术研发人员：王伟然 王旭 戴晓强 叶小松 朱志宇 智鹏飞 朱琬璐 李建祯 李春华
受保护的技术使用者：江苏镇安电力设备有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/13