賀榮，周乃君 ，李春陽

(1. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 中國南車 株洲南車奇宏散熱技術(shù)有限公司，湖南 株洲，412000)

CRH2 型高速動車組的強大牽引動力是依靠CI(convertor inverter)轉(zhuǎn)換成為三相交流調(diào)壓、調(diào)頻電源供應(yīng)牽引電動機而實現(xiàn)的。CI 模塊工作時，電子器件的損耗會產(chǎn)生大量的熱量，從可靠性考慮，高速動車組上一般選用結(jié)構(gòu)簡單且散熱效率高的熱管散熱器[1]。熱管依靠內(nèi)部液體工質(zhì)的相變來實現(xiàn)熱量傳遞[2-4]，具有極高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性和熱流密度可變性等特點,在解決電子器件的散熱方面具有非常明顯的優(yōu)勢[5-8]。目前有很多學(xué)者對熱管散熱進(jìn)行過相關(guān)研究，如Tsai 等[9]對熱管的各傳熱階段的熱阻進(jìn)行了定性和定量分析，Wang 等[10-11]對平板式熱管的瞬態(tài)性能進(jìn)行了試驗研究；也有研究者利用CFD 軟件進(jìn)行數(shù)值計算以指導(dǎo)熱管應(yīng)用，如Chernysheva 等[12]對銅-水回路熱管(LHP)的平板式蒸發(fā)器進(jìn)行了數(shù)值模擬，Lin 等[13]運用CFD 對微型振蕩熱管的非穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了模擬，丁杰[14]對機車變流裝置中電力電子器件的水冷、熱管散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬。目前關(guān)于熱管散熱器的研究主要集中在LED 和通訊散熱領(lǐng)域[15-16]，在高速動車組的熱管散熱器研究方面只有少量試驗研究成果，尚無數(shù)值模擬的報道。本文作者以CRH2 高速動車組CI 用熱管散熱器為研究對象，對其進(jìn)行數(shù)值模擬與試驗對比研究。數(shù)值模擬過程基于由小及大的理念，先用單IGBT(insulated gate bipolar transistor，絕緣柵雙極型晶體管)模塊試件進(jìn)行模擬和試驗驗證，確定出合理的模擬參數(shù)；然后建立整個CI 用熱管散熱器模型，利用ICEPAK 軟件對其進(jìn)行整體模擬，得到溫度分布和風(fēng)速流動狀況；最后進(jìn)行試驗驗證，以確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 熱管散熱器結(jié)構(gòu)

機車所用的傳統(tǒng)散熱器結(jié)構(gòu)如圖1(a) 所示，在基板散熱器與基板大平面平行方向壓入數(shù)目不等的直徑為16 mm 的熱管(熱管不穿過基板)，在熱管上壓接若干散熱翅片，從而形成結(jié)構(gòu)合理的熱管散熱器。

在CHR2 高速動車組的CI 模塊中，所用電子器件為大功率IGBT 和二極管，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以滿足散熱性能要求。經(jīng)過研究，作者設(shè)計出一種新型變截面熱管結(jié)構(gòu)[17](圖1(b))：熱管為上小下大階梯狀結(jié)構(gòu)，根部為擴大的強化蒸發(fā)結(jié)構(gòu)(傳統(tǒng)熱管為等截面), 有效改變了熱管底部蒸發(fā)面積不夠的問題；熱管插入并穿過散熱器基板，其根部底面直接與CI 模塊的器件底面接觸，減少了常規(guī)散熱方式所需要的基板傳導(dǎo)熱阻和基板與熱管的接觸熱阻，從而總熱阻減小，散熱性能得以提升。

將變截面熱管技術(shù)應(yīng)用在CRH2 高速動車組的CI模塊散熱中，其散熱器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示?？紤]到散熱器的熱性能和可靠性要求，本文對其進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗驗證。

2 CI 用熱管散熱器數(shù)值模擬

2.1 物理模型

由于熱管散熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要利用Pro/E軟件的三維建模功能，在解決CAD 與CAE 軟件的接口問題后，將Pro/E 中建立的模型導(dǎo)入到SCDM 中，利用SCDM 進(jìn)行分塊和簡化處理，然后用Workbench轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入到ICEPAK 中。

圖1 熱管散熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of heat pipe radiator

圖2 CRH2 高速動車組CI 用熱管散熱器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CI heat pipe radiator using on CRH2 EMUS

熱管內(nèi)部為氣-液兩相的流動狀態(tài)，而本次研究所關(guān)注的重點是CI 用熱管散熱器的整體溫度分布和流動狀況，因此將熱管通過熱物性等效轉(zhuǎn)換而簡化為實心圓柱，在X，Y 和Z 方向賦以不同的導(dǎo)熱系數(shù)。該熱管散熱器具有結(jié)構(gòu)對稱性，考慮到鋁質(zhì)基板的導(dǎo)熱，以整個散熱器作為研究對象，能更好地模擬其整體散熱性能。

在網(wǎng)格劃分中，為提高網(wǎng)格質(zhì)量，所有散熱片單獨建立一個組，設(shè)定單獨的網(wǎng)格參數(shù)；基板和熱管可用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理，單元形式為四面體和六面體單元。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 控制方程

當(dāng)空氣流經(jīng)散熱器時，滿足通常的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，不過在動量方程中需要增加浮力選項；因此其控制方程包括：

1) 連續(xù)方程(質(zhì)量守恒)

2) 能量方程(控制能量分布)

3) 動量方程(控制速度分布)

式中：u 為速度矢量；ρ為密度；T 為熱力學(xué)溫度；p為壓力；τ為應(yīng)力張量；g 為重力加速度矢量；cp為比定壓熱容；k 為熱導(dǎo)率；Q 為體積熱源。

實際工況下，流體為湍流狀態(tài)。ICEPAK 提供了零方程、兩方程和RNG 3 種模型，對于大多數(shù)電子散熱問題，使用零方程模型足夠精確，并且非常經(jīng)濟，因此本文選用零方程模型。

2.2.2 邊界條件

冷卻過程為強迫風(fēng)冷，可忽略輻射影響。在風(fēng)道中，壁面處取無滑移邊界條件，邊壁的流動采用壁函數(shù)法；散熱器安裝在機柜中，基板上IGBT 的功耗為恒定值，相當(dāng)于恒定的熱流密度，為第二類邊界條件；機柜不向外傳遞熱量，可近似處理為絕熱邊界條件；入口給定風(fēng)速和環(huán)境溫度，為第一類邊界條件；機柜尾部風(fēng)機采用抽風(fēng)的方式，給定環(huán)境溫度和環(huán)境壓力，為第一類邊界條件。

2.2.3 設(shè)計參數(shù)

針對本文研究對象，計算中所用到的設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 CI 用熱管散熱器主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of CI heat pipe radiator

2.3 結(jié)果分析與討論

因CRH2 高速動車組CI 用熱管散熱器上使用的是變截面熱管，為保證數(shù)值模擬的合理性和準(zhǔn)確性，先制作單IGBT 模塊熱管散熱器，對其進(jìn)行多次數(shù)值模擬和試驗驗證，找到數(shù)值模擬與試驗最為吻合的數(shù)據(jù)，從而確定出合理的模擬參數(shù)；再將參數(shù)應(yīng)用到CI用熱管散熱器的數(shù)值模擬中，從而得到準(zhǔn)確的溫度分布和流場狀況。

2.3.1 單IGBT 模塊散熱器試件模擬結(jié)果

單IGBT 模塊散熱器試件外形尺寸(長×寬×高)為227 mm×157.5 mm×260 mm，底部安裝1 個接觸面積(長×寬)為190 mm×140 mm 的IGBT。模塊耗散功率為1 200 W，風(fēng)量為15 m3/min。試件共用9 根熱管，熱管穿過基板與熱源區(qū)域直接接觸。通過多次數(shù)值模擬和試驗對比，確定出最后的熱管物性參數(shù)和邊界參數(shù)。圖3 和圖4 所示分別為散熱器實物圖和溫度云圖，表2 所示為計算值與實測值的比較。通過數(shù)值模擬與試驗數(shù)據(jù)對比，二者溫升和壓降差異分別為2.73%和1.41%，表明數(shù)值模擬的參數(shù)合理，可將其應(yīng)用于整體CI 散熱器的模擬過程。

2.3.2 CI 用熱管散熱器的模擬結(jié)果

圖3 試件實物Fig.3 Pictures of test sample

圖4 試件溫度場分布Fig.4 Temperature field distribution of test sample

表2 試件數(shù)值模擬與試驗數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of simulated and experimental result for test sample

CI 用熱管散熱器共有108 支熱管，為保證熱性能，進(jìn)風(fēng)側(cè)每個IGBT 模塊下的熱管為9 根，出風(fēng)側(cè)IGBT模塊下的熱管為15 根或12 根，中間4 個二極管的熱管均為3 根；網(wǎng)格數(shù)目約320 萬，使用ICEPAK 軟件網(wǎng)格檢查工具，得到計算域網(wǎng)格的面對齊率為0.427～1.000，符合計算要求。數(shù)值模擬過程中，參考單IGBT 模塊熱管散熱器試件數(shù)值模擬中所確定的參數(shù)進(jìn)行熱物性參數(shù)和邊界條件；因工況為復(fù)雜強迫對流情況，調(diào)整松弛因子，其壓力項取0.7，動量項取0.3。下面將對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5 所示為CI 用熱管散熱器溫度云圖。從圖5可以看出：冷卻風(fēng)從+Z 方向進(jìn)入，從-Z 方向流出。由于熱管區(qū)域空氣與熱管換熱，其換熱系數(shù)是基板導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)十倍，因此熱管區(qū)域溫度明顯低于基板溫度；在IGBT 和二極管發(fā)熱時，散熱器上溫度分布不均，其最低溫度出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)側(cè)的中間IGBT 模塊下面，最高位置出現(xiàn)在出風(fēng)側(cè)的兩邊。在溫度最高區(qū)域，IGBT 模塊以下熱管并非均勻布置，且對應(yīng)的散熱區(qū)域不足；如果熱管散熱器的翅片在X 方向能增加20 mm，散熱器的溫升可降低3～5 K，但是由于CI 機柜的結(jié)構(gòu)限制，在現(xiàn)有尺寸能滿足技術(shù)要求的情況下，暫不予調(diào)整。

圖6 所示為CI 熱管散熱器切面的速度分布。CI用熱管散熱器采用的是抽風(fēng)方式，從Z 方向的風(fēng)速分布可以看出：散熱器翅片間的風(fēng)速比較均勻，且無渦流現(xiàn)象；在Y 方向上，由于各模塊下的熱管分布不同，風(fēng)速分布不均，IGBT 下的單組熱管之間風(fēng)速相對較低，而兩組熱管之間的空隙部位則風(fēng)速相對較快。理論上來說，出風(fēng)側(cè)的熱管間如果風(fēng)速較大，散熱效果會更佳；但由于溫度的分布不同，為保證出風(fēng)側(cè)IGBT的散熱，需要足夠多的熱管數(shù)目來導(dǎo)熱，因此風(fēng)壓增大而風(fēng)速降低；從流動狀況來看，后續(xù)改進(jìn)可以考慮調(diào)整IGBT 模塊區(qū)域的熱管布置，通過錯開排列而形成紊流并將冷卻風(fēng)引導(dǎo)至高溫區(qū)，從而優(yōu)化散熱性能。

圖5 CI 用熱管散熱器溫度云圖Fig.5 Temperature field distribution of whole CI heat pipe radiator

圖6 CI 熱管散熱器切面的速度分布Fig.6 Air velocity distribution of CI heat pipe radiator

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

由于IGBT 高頻高功率的特性，非特殊設(shè)備難以滿足其工作條件。在本研究中采用發(fā)熱模塊來模擬大功率IGBT 器件的工作狀態(tài)，發(fā)熱模塊根據(jù)IGBT 的實際大小與耗散功率加工，其內(nèi)部安裝多根電熱管，連接電源后電熱管發(fā)熱，通過模塊均勻傳導(dǎo)至散熱器表面。

試驗共需12 個發(fā)熱模塊，其中IGBT 模塊的功耗為1 250 W，二極管模塊功耗為650 W；將安裝了發(fā)熱模塊的熱管散熱器連接到試驗風(fēng)洞中，設(shè)置風(fēng)量為45 m3/min，調(diào)整發(fā)熱模塊功耗，用數(shù)據(jù)采集儀記錄試驗數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)值模擬中，散熱器的臺面最高溫度可以直觀顯示，散熱器的熱阻計算公式為

而試驗過程中，由于測量時熱電偶需要埋入散熱器臺面1.5 mm，故散熱器的實際熱阻須考慮此1.5 mm的導(dǎo)熱熱阻，其計算公式為

式中： RSimulate為模擬計算熱阻； RTest為試驗測試熱阻； Pall為總功耗； Tmax1為數(shù)值模擬中散熱器臺面最高溫度；Tmax2為試驗測試時散熱器臺面最高溫度；Tin為進(jìn)口溫度；λ 為散熱器基板鋁材的導(dǎo)熱系數(shù)；A 為發(fā)熱元件與散熱器的總接觸面積。

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比如表3 所示，二者數(shù)據(jù)基本吻合，其熱阻差異為4.6%，壓降差異為13.3%。存在差異的原因主要有：1) 數(shù)值模擬是在理想的情況下進(jìn)行的，模型經(jīng)過一定的簡化，；2) 試驗中數(shù)據(jù)的測量和讀取都存在一定的誤差。

表3 CI 用熱管散熱器數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比Table 3 Comparison of simulated and experimental result for CI heat pipe radiator

4 結(jié)論

1) 利用ICEPAK 軟件對CRH2 高速動車組CI 用熱管散熱器進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到散熱器溫度場和流場的分布情況；在功耗為12 600 W、風(fēng)量為45 m3/min 的工況下，數(shù)值模擬得到的散熱器熱阻為4.285 7×10-3K/W，壓降為130 Pa。

2) 在風(fēng)洞系統(tǒng)中進(jìn)行試驗研究，在功耗為12 973 W、風(fēng)量為45 m3/min 的工況下，散熱器實測熱阻為4.085 4×10-3K/W，壓降為150 Pa，滿足熱性能的設(shè)計要求。

3) 將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，熱阻和壓降的差異分別為4.6%和13.3%，二者數(shù)據(jù)吻合,從而驗證了數(shù)值模擬的正確性。

4) 通過對CI 用熱管散熱器的數(shù)值模擬和試驗研究，發(fā)現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)存在的一些問題，可在后續(xù)的改進(jìn)工作中通過調(diào)整IGTB 模塊下的熱管分布改變冷卻風(fēng)的流動方向，降低高溫區(qū)的溫度。

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