蘇增強，戰(zhàn)乃巖*，鄧育峰，張小龍，吳思潔

1吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,吉林 長春 130118 2多倫多大學 土木與礦物工程系,多倫多 M5S 1A4.

0 引言

電力牽引技術安全、經(jīng)濟、可靠,對環(huán)境影響小,因此,電車或輕軌車輛(LRV)成為城市交通危機的重要補救措施之一[1].目前,LRV普遍使用的逆變器技術是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)[2].然而,隨著所需功率的不斷增加和可用容量的減少,IGBT功率模塊不斷朝小型化、輕型化、精致化方向發(fā)展,其熱通量不斷增加[3-6].目前進一步提高功率密度的限制主要是最高工作結溫和熱脈動[4],因此,將逆變器系統(tǒng)的IGBT有效冷卻及工作結溫維持在安全值至關重要[5,7].

常用的冷卻技術有液體冷卻、強制風冷和自然風冷.液體冷卻性能穩(wěn)定,但效率低,對密封要求高,且大量的工質(zhì)會增加LRV加速和制動階段的負荷[8];強制風冷系統(tǒng)簡單,但風扇能耗大、易出現(xiàn)故障,噪聲大[4];自然風冷具有低噪聲、故障少的優(yōu)點[2],LRV上的無風扇冷卻技術輔以車輛的運行可發(fā)揮更好性能[4],而具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)效率更高[9].

絕大多數(shù)IGBT的研究主要集中在主電路的設計和控制上,對冷卻系統(tǒng)的研究較少[10].但具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)已在許多城市廣泛應用于LRV,也存在大量研究文獻[11]介紹了中國研制的熱管自然冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品,還給出了一些熱管模型的結構和6 m/s速度下的自然冷卻熱阻,預測了具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)的應用前景.文獻[12]利用Fluent軟件模擬了車輛在正向和反向低速行駛時熱管的散熱性能和罩蓋對熱管散熱效果影響.文獻[13]用風機模擬LRV運動,當風速為5 m/s時,熱管的總散熱量為3 600 W,工作時間為120 min,可滿足運行要求.文獻[14]介紹了LRV的具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)的具體結構,并證明熱管已在上海地鐵1號線、沈陽地鐵2號線、深圳地鐵5號線和重慶地鐵6號線投入批量生產(chǎn),并全部運行良好.文獻[15]利用ICEPAK對設計的具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬,優(yōu)化了熱管數(shù)量、翅片和熱管長度.文獻[16]利用風洞試驗研究了具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)在不同進風溫度25 ℃～45 ℃和風速5 m/s～7 m/s的傳熱特性.

大量研究證實通過車輛運動輔助的自然空氣冷卻系統(tǒng)具有一定的可行性和穩(wěn)定性,但現(xiàn)有的具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)已不能滿足IGBT功率模塊小型化、輕型化、精致化方向發(fā)展的要求,因此,NCSHP亟需導熱性能好、重量輕、體積小的材料.

微熱管陣列是一種新型的薄平板熱管[17].它是一個扁平的鋁板熱管,其中多根平行的微熱管獨立工作[18].微熱管陣列的厚度通常為3 mm,寬度和長度可根據(jù)實際需要改變.微型熱管的陣列集成不僅可增強熱管的穩(wěn)定性,也可提高導熱性能.當蒸發(fā)段溫度為70 ℃時,工作介質(zhì)甲醇的MHPA的最大熱通量200 W/cm2[19].

微熱管陣列已被應用于多個研究領域.文獻[20]提出并通過試驗研究了一種新的基于微熱管陣列的電池散熱系統(tǒng).在充放電循環(huán)過程中測量溫度,結果驗證了基于微熱管陣列的冷卻系統(tǒng)降低了電池組的溫升速率,并將運行期間電池組和電池內(nèi)部的溫差降至最低.文獻[21]基于微熱管陣列開展了一種新型帶相變材料(PCM)的太陽能空氣采集-儲存熱力系統(tǒng)(ACSTS),并通過風量流量試驗測試了集熱器效率,蓄熱充放電時間等性能,并計算了累積換熱量.文獻[18]提出了一種基于微熱管陣列的太陽能光伏熱耗散新方法,成功解決了太陽能光伏電池效率低,熱失效等問題,極大提高了太陽能的綜合利用效率,延長了使用壽命.文獻[22]將微熱管陣列焊接鋸齒和交錯翅片作為住宅建筑熱回收系統(tǒng)中的核心傳熱部件,在實驗條件下,最高熱回收效率和COP分別可達78 %和91.9.

基于微熱管陣列的高性能及其在眾多研究領域的成功應用,考慮將其應用于IGBT自然風冷系統(tǒng)代替普通熱管.同時,微熱管陣列翅片形狀像一個厚度僅為3 mm的扁平薄板,與普通的圓柱形熱管相比,微熱管翅片不僅具有較大的接觸面積,而且更像一個截面相等的直翅片.因此,微熱管陣列可被考慮作為冷卻系統(tǒng)的翅片,這種嘗試未在其他文獻中出現(xiàn).

因此,本文提出了一種采用微熱管陣列的新型自然冷卻系統(tǒng)的概念,即在車輛運行過程中通過空氣自然對流對IGBT進行冷卻.新型微熱管陣列不僅將微熱管用作導熱部件(與其他傳統(tǒng)熱管冷卻系統(tǒng)相似),而且還將其用作翅片以強化散熱,研究微熱管陣列對不同車速下微熱管陣列的傳熱性能.

1 實驗設置

實驗所采用微熱管陣列模型以及測點布置如圖1所示,模型由一根長500 mm、寬80 mm、厚3 mm的微熱管作為主部,8根長150 mm、寬80 mm的翅片作為副部,與主部成120°夾角.微熱管陣列模型如圖1所示,分別由IGBT模擬熱源,熱管主部,翅片副部3部分組成.在列車運行中,翅片副部是裸露在外部,通過列車行駛產(chǎn)生的風速將熱量快速傳出.為減小接觸熱阻給實驗帶來的影響,IGBT模擬熱源與熱管之間采用導熱硅膠貼合.導熱硅膠的導熱系數(shù)為2.4 W/(m·K).為保證工質(zhì)流動工況良好,在翅片與主部熱管貼合時,將翅片基部20 mm左右圓滑彎曲一個弧度,以減小流動阻力.主部與副部均采用丙酮作為工質(zhì),充液率為20 %.

實驗測點總共布置6個,分別測3次,取平均值.主部從熱源中心起,相距100 mm依次為測點T0,T1,T2,副部微熱管翅片由下向上分別記1組～8組,1組中心為T3,4組中心為T4,5組中心為T5.

實驗系統(tǒng)如圖2所示, 主要由軸流風機、風道、模擬列車運行的外部環(huán)境,風量罩測量風速、空氣溫度和濕度.變壓器調(diào)節(jié)熱源功率，數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)采集并導入電腦進行作圖分析.設備參數(shù)見表1.

a.模型圖 b.X截面測點分布圖1 微熱管陣列模型及測點分布圖Fig.1 Micro heat pipe array model and measurementpoint distribution diagram

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

表1 設備參數(shù)Table 1 Equipment parameters

2 數(shù)據(jù)處理及工況分析

(1) 熱源功率計算公式

P=U×I

(1)

式中,P為IGBT模擬熱源功率,W;U為電壓表讀數(shù),V;I為電流表讀數(shù),A.

(2) 導熱系數(shù)計算公式推導

(2)

(3)

(4)

式中,q為熱流密度,W;A為微熱管橫截面積,取2.4×10-4m2;λ為導熱系數(shù),W/m·K;T,T′分別為微熱管測點兩端溫度,K.

(3) 努謝爾特關聯(lián)式推導

(5)

(6)

(7)

(8)

聯(lián)立式(5)～式(8) 可推導出常壁溫平板局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

(9)

設板長為l,對其積分,并寫成無量綱形式:

Nu=0.664Re1/2Pr1/3

(10)

(11)

式中,tm為定性溫度,℃;tf為流體溫度,℃即空氣溫度18 ℃.由于實驗結果各個微熱管翅片溫度變化不是特別大,故取各個風速下微熱管翅片的平均溫度作為tw.

圖3為微熱管陣列T1至T5在不同風速下各個測點溫度分布.由圖3可知,隨著風速的不斷增加微熱管陣列T1至T5的溫度均不斷減小,T1至T2段溫降斜率較大,趨勢較為明顯,其中T2到T3段因微熱管翅片加大了散熱面積且T2處離熱源較近,以及微熱管工質(zhì)流動動力減弱的原因，使得溫降斜率最大,趨勢最為明顯.T3至T4與T4至T5段溫降速率明顯降低,這主要是因為垂直熱管距離熱源較遠溫度較低,重力的阻力效果更加明顯,流動工況惡化,造成垂直段遠端溫度較低,進而影響熱管翅片工質(zhì)的流動工況,最終造成溫降空間分布不夠明顯.總體來說，相較于T0至T1段溫差,其他部分較好地表現(xiàn)出了熱管的均溫性能.

圖3 不通風速下微熱管陣列各個測點溫度分布Fig.3 Temperature distribution of each measurement point ofthe micro heat pipe array under no ventilation speed

經(jīng)計算,風速為1.5 m/s時,微熱管翅片Nu為16.6;風速 3.0m/s時,Nu為23.4;風速4.5 m/s時,Nu為28.5;風速6 m/s時,Nu為32.89.隨著風速的增大,對流傳熱過程強度不斷增大,且增加趨勢越來越弱.可以考慮改變微熱管外表面結構,加大其粗糙度,增強擾動,減小邊界層厚度,使對流換熱極限進一步提高.主部微熱管陣列風速1.5 m/時,λ=2.4×103;風速3.0 m/s時,λ=2.8×103;風速4.5 m/s時,λ=3.7×103;風速6 m/s時,λ=4.3×103.可以看出,隨著風速的增大,微熱管陣列的導熱性能越來越好.

如圖4所示,熱源溫度T0隨著風速的增加在不斷減小,未加入微熱管陣列之前,熱源溫度高達200 ℃,這個溫度已經(jīng)超過了輕軌牽引變流器IGBT模塊的安全溫度,加入微熱管陣列后即使風速為1.5 m/s,熱源溫度也僅僅是59 ℃左右,并隨著風速不斷增加溫度不斷下降且溫降速率不斷變大,風速對散熱效果影響越來越明顯.即使輕軌運行達到最高時速21.8 m/s，仍能保證IGBT模塊低于59 ℃,這個溫度已經(jīng)低于IGBT模塊的安全溫度.

圖4 不同風速下熱源溫度變化圖Fig.4 Heat source temperature change diagramunder different wind speeds

模擬熱源溫度的變化更接近線性趨勢，這是比較合理的.由于實驗數(shù)據(jù)測量的準確性受到較多環(huán)境以及人為因素等制約，與模擬存在一定差異，模擬與實驗數(shù)據(jù)最大相差不超過5 %，基本吻合.通過模擬不同工況，分析溫熱管陣列整體的溫度云圖，為微熱管陣列的結構優(yōu)化，以及環(huán)境參數(shù)對散熱性能的影響提供參考和實驗驗證.

3 數(shù)值模擬

ICEPAK數(shù)值模擬,建立以下基本控制方程.

(1) 連續(xù)性方程

(12)

(2) 動量方程

(13)

(3) 能量方程

(14)

(4)k-ε方程

(15)

(5) 組分輸運方程

(16)

求解器設置.仿真過程對整個計算域采取非結構化網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)目大約200萬個.環(huán)境溫度選擇18 ℃,對微熱管翅基部分進行網(wǎng)格加密.

圖5是微熱管陣列在風速6 m/s時的溫度分布云圖,可以看出此時的熱源最高溫度為43.5 ℃左右,實驗最高溫度為45.3 ℃,相差4.1 %.垂直段距離熱源越遠,溫度逐漸降低,翅片段熱量由翅基導入,一部分沿翅片高度方向以導熱方式傳遞,一部分與空氣接觸以對流傳熱方式散出.由于距離熱源端較近的翅片翅基溫度較高,熱管效率也較高,熱阻相對較小,所以翅片平均溫度較高,與空氣的溫差也較大,隨之熱流密度較大.距離熱源較遠的翅片遠端逐漸接近空氣溫度,熱管散熱能力明顯降低.

圖6是風速為4.5 m/s時微熱管陣列的溫度分布云圖,熱源最高溫度為46.9 ℃,實驗最高溫度為48.5 ℃,相差3.2 %.垂直段溫度分布較為均勻,1,2,3組翅片溫度場較為相似,從第4組翅片開始距離翅基越遠溫度明顯降低,溫度分布不均勻現(xiàn)象開始明顯,且越靠近翅端,溫度分布越接近空氣溫度,這說明翅片散熱效率明顯降低.這為微熱管陣列在實際工程應用中翅片組數(shù)提供了參考.

(a) Y截面 (b) X截面圖5 風速6 m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.5 Temperature cloud map of the micro heat pipearray with a wind speed of 6 m/s

(a) Y截面 (b) X截面圖6 風速4.5m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.6 Temperature cloud map of the micro heat pipearray with a wind speed of 4.5 m/s

圖7是風速為3 m/s時微熱管陣列的溫度分布云圖,熱源最高溫度為52.7 ℃,實驗最高溫度為55.6 ℃,相差5 %.1,2,3,4組翅片平均溫度最高,溫度差異主要表現(xiàn)在翅基附近,且溫度梯度較小,翅端溫度基本相同.5,6,7,8組翅端溫度開始迅速降低,翅片的溫度梯度較大,這說明熱管的散熱效率開始明顯降低,但也高于4.5 m/s的散熱效率.

(a) Y截面 (b) X截面圖7 風速3 m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.7 Temperature cloud map of micro heatpipe array with wind speed of 3 m/s

(a) Y截面 (b) X截面圖8 風速1.5 m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.8 Temperature cloud map of the micro heatpipe array with a wind speed of 1.5 m/s

圖8是風速為1.5 m/s時的微熱管陣列的溫度分布云圖,熱源最高溫度為57.9 ℃,實驗最高溫度為59.8 ℃,相差3.3 %.1組翅片平均溫度最高,且分布較為均勻,由于與空氣溫差最大,所以熱流密度相較于其他組翅片最大,散熱效果最好.2組～8組翅片的溫度梯度逐漸增大,但相較于前3組翅端溫度最大,微熱管陣列的散熱效率最高.

4 結論

(1) 熱源隨著風速的增大溫度降低且效果明顯,風速為1.5 m/s時,熱源溫度最高,58.8 ℃,遠低于IGBT模塊工作的安全溫度.

(2) 在不同風速下,微熱管陣列都表現(xiàn)出了較好的均溫性能,其中T2～T3段溫降趨勢最為明顯.

(3) 風速增大,微熱管翅片的對流傳熱系數(shù)也明顯增大,風速為6 m/s時,Nu=32.89,約為風速1.5 m/s時對流傳熱強度的2.0倍.

(4) 風速增大,微熱管陣列主部導熱系數(shù)增大,增長系數(shù)約為1.1,為高速電力機車的IGBT散熱提供了參考.

(5) 熱源的模擬溫度與實驗溫度相差不超過5 %,且為微熱管陣列翅片組數(shù)間距等參數(shù)提供了參考.