施玉潔岳良金蘇敏金鷹

(1南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院 南京 211816；2青島宏達(dá)賽奈爾科技股份有限公司 青島 266111)

牽引變流器用板翅式熱管散熱器性能實(shí)驗(yàn)研究

施玉潔1岳良2金蘇敏1金鷹2

(1南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院 南京 211816；2青島宏達(dá)賽奈爾科技股份有限公司 青島 266111)

目前國(guó)內(nèi)鐵路進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，牽引變流器作為高速機(jī)車核心部件之一，對(duì)其有效的散熱可提高機(jī)車運(yùn)行的安全性，因此研究牽引變流器冷卻系統(tǒng)中的散熱器很有必要。通過搭建風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究空氣進(jìn)口溫度25～45℃、迎面風(fēng)速5～7 m/s時(shí)板翅式熱管散熱器的換熱特性，得到散熱器的工作散熱量，基板工作溫度以及影響換熱的主要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:正常工作過程中散熱器基板的工作溫度在70～90℃之間；基板溫度升高，換熱量也隨之增大；散熱器換熱量受進(jìn)口空氣溫度的影響大于受迎面風(fēng)速的影響。

牽引變流器；散熱器；熱管；散熱量

隨著交通運(yùn)輸業(yè)和電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，各種大容量電力電子設(shè)備在高速機(jī)車的電力牽引系統(tǒng)中得以大量的應(yīng)用[1]。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的性能迅速提高，整個(gè)牽引系統(tǒng)的耗散功率也急劇增大。

牽引變流器是電力機(jī)車動(dòng)力核心的重要組成部分，由IGBT晶體管組成的功率模塊是牽引變流器最主要的統(tǒng)一化元件[2]，伴隨其高頻、大功率和高集成化發(fā)展[3]，設(shè)備單位面積的熱流密度越來越高。研究和實(shí)際應(yīng)用表明，單個(gè)半導(dǎo)體元件的溫度升高10℃，系統(tǒng)的可靠性會(huì)降低50%，所以IGBT芯片溫度直接影響IGBT承載電流的能力、工作效率和使用壽命[4]。因此必須采用適當(dāng)?shù)纳嵫b置，將IGBT模塊產(chǎn)生的熱量傳遞到外部環(huán)境。

目前的技術(shù)條件下，IGBT散熱方式主要有3種:肋片散熱、熱管散熱和液冷散熱。肋片散熱和熱管散熱主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方法，而液冷散熱主要采用液體循環(huán)系統(tǒng)冷卻[5]。肋片散熱器結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)熱穩(wěn)定，但需要附帶輔助風(fēng)道，對(duì)風(fēng)機(jī)性能要求較高，且容易產(chǎn)生噪聲污染[6]；液冷散熱器的散熱能力較強(qiáng)，但需要附帶復(fù)雜的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)密封性要求很高，一旦出現(xiàn)冷卻液泄漏將會(huì)造成主變流器電氣短路等嚴(yán)重后果[7]；而熱管傳熱迅速，溫差小，特別是平板熱管具有出色的熱擴(kuò)散能力，因此廣泛應(yīng)用于分散熱源的溫度控制[8]。文章研究高速機(jī)車牽引變流器用板翅式熱管散熱器的換熱特性，并搭建風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)掌握散熱器在機(jī)車運(yùn)行過程中的散熱功率和導(dǎo)熱基板的工作溫度范圍，為電力機(jī)車IGBT功率模塊用散熱器的選型和設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 板翅式熱管散熱器工作原理

牽引變流器用板翅式熱管散熱器采用相變傳熱技術(shù)，熱管蒸發(fā)端為一水平放置的空心鋁板，冷凝端為一排外加平直鋁翅片的豎直鋁板，鋁板與鋁板相間隔形成散熱器的內(nèi)部通道。因?yàn)闊峁茉谥亓ψ饔孟鹿ぷ鳎詢?nèi)部無吸液芯。工作過程中，電力電子元件的發(fā)熱模塊將運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過具有較高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱硅脂傳遞給散熱器的導(dǎo)熱基板，散熱器的蒸發(fā)端導(dǎo)熱基板受熱溫度升高后對(duì)基板內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)下的工質(zhì)進(jìn)行加熱并使其蒸發(fā)為飽和蒸汽，從而形成壓差，產(chǎn)生的蒸汽沿著內(nèi)部通道上升到冷凝端冷凝放出熱量，冷凝端通過鋁翅片來擴(kuò)展散熱表面，散熱翅片在強(qiáng)制風(fēng)冷作用下不斷將熱量帶走。蒸汽在冷凝端凝結(jié)放熱后冷凝為液體，并在重力的作用下流回蒸發(fā)端，工質(zhì)在散熱器內(nèi)部不斷重復(fù)以上過程來把電子器件產(chǎn)生的熱量散掉。圖1為該散熱器的工作原理示意圖。

這種連續(xù)的液汽相變循環(huán)作用傳導(dǎo)了大量的熱能，并以十分低的溫差實(shí)現(xiàn)，而且熱管的作用不需要外助力，僅僅是通過傳導(dǎo)熱中的余量來驅(qū)動(dòng)，這種無源作用保證了其高可靠性和長(zhǎng)壽命[9]。板翅式熱管散熱器中由隔板與隔板形成的通道可以在很小的空間內(nèi)得到比較大的冷凝面積，所以相對(duì)于傳統(tǒng)形式的熱管散熱器，板翅式熱管散熱器可以在相同冷凝設(shè)備空間內(nèi)得到較大的冷凝面積，可以更好、更快的將更多的熱量釋放到環(huán)境中。

圖1 板翅式熱管散熱器工作原理示意圖Fig.1 Plate-fin heat pipe radiator working principle diagram

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2為實(shí)驗(yàn)臺(tái)流程圖。實(shí)驗(yàn)臺(tái)以散熱器正常工作下的最不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由離心風(fēng)機(jī)、空氣加熱器、實(shí)驗(yàn)段、閥門及傳感器等組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用水箱加熱模擬電力半導(dǎo)體集成器件的熱負(fù)荷，研究板翅式熱管散熱器的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)散熱器基板溫度、進(jìn)風(fēng)溫度和冷卻風(fēng)量，根據(jù)流經(jīng)散熱器前后空氣溫差和風(fēng)量計(jì)算得到散熱器在不同工況下的散熱量。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow diagram of the experiment

實(shí)驗(yàn)過程中冷卻風(fēng)由一臺(tái)最大流量為3984 m3/h，全壓為2069 Pa的離心風(fēng)機(jī)提供。一臺(tái)額定功率為15 kW的電加熱器保證了空氣在進(jìn)入散熱器前溫度穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)。在空氣加熱器與測(cè)試段之間安裝有智能渦街流量計(jì)，用于測(cè)量流經(jīng)散熱器的風(fēng)量。圖3為實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試段的示意圖，實(shí)驗(yàn)段由加熱水箱和一個(gè)液壓升降機(jī)組成。散熱器進(jìn)出口空氣的溫度通過Pt100熱電阻測(cè)得，散熱器前后的壓力降通過壓差變送器測(cè)得。水箱內(nèi)裝有電加熱裝置，電加熱功率12 kW，用來模擬IGBT功率模塊的產(chǎn)熱。在導(dǎo)熱基板底面布設(shè)4個(gè)K型熱電偶，用于檢測(cè)和控制散熱器的受熱情況，熱電偶分別布置在導(dǎo)熱基板的前后左右，為了保證測(cè)量溫度的精確性，熱電偶緊貼基板底面，并用圓形尼龍墊片將蒸汽與熱電偶分隔開。加熱水箱下安裝一臺(tái)液壓升降機(jī)，便于實(shí)驗(yàn)段的高度調(diào)節(jié)。此外實(shí)驗(yàn)臺(tái)還設(shè)置了回風(fēng)管路系統(tǒng)，并在回風(fēng)管路設(shè)置靜壓箱和電動(dòng)閥門，當(dāng)環(huán)境溫度比較低的時(shí)候(如冬季工況)，在回風(fēng)熱量的作用下可以減少空氣加熱器的耗電，以達(dá)到節(jié)約能源的目的[10]。

圖3 測(cè)試段示意圖Fig.3 Schematic diagram of test section

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 迎面風(fēng)速和進(jìn)口空氣溫度對(duì)總換熱量的影響

從圖4可以看出:當(dāng)導(dǎo)熱基板底部外壁溫度為70℃時(shí)，板翅式熱管散熱器的換熱量在3.5～8.5 kW之間；當(dāng)導(dǎo)熱基板底部外壁溫度為80℃時(shí)，散熱器的換熱量在4.5～10.5 kW之間?；鍦囟壬?，換熱量也隨之增大。當(dāng)基板溫度一定時(shí)，同一迎面風(fēng)速下空氣進(jìn)口溫度由25℃升高至45℃，換熱量減少3.5 kW左右，同一空氣進(jìn)口溫度下迎面風(fēng)速由5 m/s變化至7 m/s，換熱量增大1.5 kW左右。換熱量隨進(jìn)口空氣溫度升高逐漸減少，隨迎面風(fēng)速的增大逐漸增大，但迎面風(fēng)速對(duì)換熱量的影響小于空氣進(jìn)口溫度的影響。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)風(fēng)速下流經(jīng)散熱器的空氣呈紊流狀態(tài)，對(duì)換熱系數(shù)的影響比較小，但進(jìn)風(fēng)溫度的高低影響了散熱器換熱溫差的大小，對(duì)換熱量影響較大。

圖4 總換熱量隨迎面風(fēng)速和進(jìn)口空氣溫度的變化Fig.4 Heat dissipation changes with air speed and inlet temperature

3.2 進(jìn)口空氣溫度和導(dǎo)熱基板底部外壁溫度對(duì)散熱器熱流密度的影響

熱流密度的大小能反映散熱器散熱量的多少，是散熱器散熱性能的直觀反映數(shù)值。熱流密度是根據(jù)換熱量和換熱面積計(jì)算求得，其中換熱面積是常量，因此熱流密度隨換熱量的變化而變化。從圖4中可以看出，散熱器換熱量受進(jìn)口空氣溫度的影響大于迎面風(fēng)速的影響，圖5表示的是迎面風(fēng)速為7 m/s時(shí)散熱器熱流密度隨進(jìn)口空氣溫度和導(dǎo)熱基板底部外壁溫度的變化關(guān)系圖，從圖中可以看出，散熱器熱流密度隨著導(dǎo)熱基板底部外壁溫度的升高而增大，隨進(jìn)口空氣溫度的升高而減小。

圖5 熱流密度隨進(jìn)口空氣溫度和導(dǎo)熱基板溫度的變化Fig.5 Heat flux changes with inlet temperature and substrate temperature

3.3 迎面風(fēng)速和進(jìn)口空氣溫度對(duì)散熱器傳熱系數(shù)的影響

散熱器的傳熱系數(shù)是以導(dǎo)熱基板底面積為基準(zhǔn)換熱面積，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的換熱量和散熱器平均傳熱溫差計(jì)算得到的。因?yàn)樯崞鞯膿Q熱量與平均傳熱溫差相關(guān)，所以二者相互抵消，散熱器傳熱系數(shù)不受傳熱溫差的影響，即散熱器傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱基板底面溫度和空氣進(jìn)出口溫度無關(guān)。從圖6可以看出:同一迎面風(fēng)速下空氣進(jìn)口溫度由25℃升高至45℃，傳熱系數(shù)下降約10 W/(m2·K)，同一空氣進(jìn)口溫度下迎面風(fēng)速由5 m/s變化至7 m/ s，傳熱系數(shù)升高約85 W/(m2·K)。散熱器傳熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的增大而增大，隨空氣進(jìn)風(fēng)溫度的升高略有降低，空氣進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響很小，可以忽略不做考慮。傳熱系數(shù)的大小與參與傳熱過程的流體種類以及過程本身有關(guān)，因此影響散熱器傳熱系數(shù)的因素有Re數(shù)、質(zhì)量流速以及空氣物性參數(shù)等。物性參數(shù)與流體溫度相關(guān)，但在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，空氣物性參數(shù)變化非常小，對(duì)傳熱系數(shù)的影響很小；在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，Re數(shù)和質(zhì)量流速主要受迎面風(fēng)速的影響。綜上所述散熱器傳熱系數(shù)受迎面風(fēng)速的影響比較大。

圖6 傳熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速和進(jìn)口空氣溫度的變化Fig.6 Heat transfer coefficient changes with air speed and inlet temperature

3.4 迎面風(fēng)速和進(jìn)口空氣溫度對(duì)散熱器壓力損失的影響

圖7為實(shí)驗(yàn)條件下的散熱器壓力損失隨迎面風(fēng)速和進(jìn)口空氣溫度的變化關(guān)系圖，圖中實(shí)線表示散熱器導(dǎo)熱基板底面溫度為70℃時(shí)的壓力損失，虛線表示散熱器導(dǎo)熱基板底面溫度為80℃時(shí)的壓力損失。從圖中可以看出，迎面風(fēng)速是影響該散熱器壓力損失的主要因素。風(fēng)速越高散熱器壓力損失越大。所以在對(duì)該類型散熱器進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)時(shí)，要適當(dāng)控制散熱器迎面風(fēng)速的大小，當(dāng)選取的風(fēng)速過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的阻力損失，且噪聲也會(huì)增大，從而造成能源的浪費(fèi)。

圖7 壓力損失隨迎面風(fēng)速和進(jìn)口空氣溫度的變化Fig.7 Pressure loss changes with air speed and inlet temperature

4 結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到以下結(jié)論:

1)實(shí)驗(yàn)用板翅式熱管散熱器具有較好的散熱能力，能夠有效的將IGBT功率模塊產(chǎn)生的熱量散掉，從而保證高速機(jī)車的安全運(yùn)行。散熱器換熱量受進(jìn)口空氣溫度的影響大于受迎面風(fēng)速的影響，因此合理控制進(jìn)口空氣的溫度對(duì)散熱器的散熱有積極的影響。

2)實(shí)驗(yàn)過程中，散熱器基板外壁面平均熱流密度在1.32～3.8 W/cm2之間，且受空氣進(jìn)口溫度影響較大。

3)散熱器的傳熱系數(shù)受迎面風(fēng)速的影響較大，適當(dāng)提高迎面風(fēng)速可以提高散熱器的傳熱系數(shù)。在進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)時(shí)，改善空氣側(cè)的翅片結(jié)構(gòu)也是很重要的。

4)迎面風(fēng)速是影響散熱器壓力損失的主要因素，風(fēng)速越高散熱器壓力損失越大。

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Experimental Study on Plate-fin Heat Pipe Radiator of Locomotive Traction Converter

Shi Yujie1Yue Liang2Jin Sumin1Jin Ying2

(1.Nanjing University of Technology，Nanjing，211816，China；2.Qingdao Hongda Schnell Science Technology Company，Qingdao，266111，China)

At present，the railway entered a rapid development period.The traction rectifier as one of the core components of EMU，effective cooling can increase the security of the locomotive，so studying the traction converter cooling system is very meaningful.By building a wind tunnel test bench，experiment studies the heat transfer characteristics of plate－fin heat pipe radiator when air inlet temperature at 25 －45℃ and air speed at 5－7 m/s，the heat transfer characteristics include heat dissipation，substrate temperature range and main factors affect the heat transfer.The results show that the substrate working temperature of radiator at 70－90℃，the heat dissipation increases with the increase of substrate temperature，the effect for heat dissipation by the inlet air temperature is greater than the air speed.

locomotive traction converter；radiator；heat pipe；heat dissipation

TB61＋1；TB657.5

A

0253－4339(2014)05－0114－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.114

施玉潔，女(1989－)，碩士研究生，南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院，15951660411，E-mail:shiyujie1989＠126.com。研究方向:制冷及低溫工程。

2014年1月12日

About the corresponding author

Shi Yujie(1989－)，female，Master，College of Energy，Nanjing University of Technology，15951660411，E-mail:shiyujie1989＠126.com.Research fields:Refrigeration and Cryogenic Engineering.