王 巖

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710016）

引言

隨著我國(guó)軌道交通領(lǐng)域電力機(jī)車的快速發(fā)展和電力機(jī)車變流器運(yùn)行功率的不斷提高，對(duì)于變流器冷卻系統(tǒng)在冷卻能力、體積、重量和可靠性等方面的要求也越來越高。

為滿足變流器散熱性能的要求，在變流器冷卻系統(tǒng)上使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)代替現(xiàn)有的水冷技術(shù)，利用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)吸熱氣化自動(dòng)上升，散熱冷卻后液化自然下落，能夠自主運(yùn)行的特性，可以省去現(xiàn)有水冷系統(tǒng)中的水泵和膨脹水箱等器件，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)的中科院電工研究所早在1958 年，就開始了對(duì)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究[1]。目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要應(yīng)用在大型水輪發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、變壓器[2]，IT 行業(yè)的服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心，以及軌道交通領(lǐng)域的車載空調(diào)、車站空調(diào)系統(tǒng)[3]等等。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)，是利用絕緣性高、沸點(diǎn)低的有機(jī)工質(zhì)，通過液體介質(zhì)氣化和液化相變換熱的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻的一種高效冷卻技術(shù)。冷卻介質(zhì)在發(fā)熱部件的位置吸收熱量氣化，氣態(tài)介質(zhì)在液態(tài)介質(zhì)中自然上浮到達(dá)散熱器，在散熱器處散熱液化，再回流補(bǔ)充到液態(tài)介質(zhì)中，從而完成自發(fā)的散熱循環(huán)。

在安裝位置上，根據(jù)蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理，要求散熱器的安裝位置必須高于變流器發(fā)熱源的位置，同時(shí)連接管路中不能有死角，這樣氣化后的冷卻介質(zhì)才能順利上升到達(dá)散熱器，完成熱量傳遞。

2 蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的選擇

蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的選擇是蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，冷卻介質(zhì)的好壞會(huì)直接影響冷卻系統(tǒng)的性能。常用的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)是使用氟醚類化合物，在選擇冷卻介質(zhì)類型時(shí)要關(guān)注以下因素。

2.1 本質(zhì)安全特性

要求使用的冷卻介質(zhì)本身物化特性是安全的，能夠達(dá)到無毒、無害、不燃不爆、無腐蝕性的要求。

2.2 環(huán)保特性

由于介質(zhì)中含有的氟類成分，部分對(duì)環(huán)境具有影響，目前通常采用消耗臭氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）兩個(gè)指標(biāo)來考核。因此在介質(zhì)選擇時(shí)，要求ODP 值嚴(yán)格為0，即對(duì)臭氧無破壞力，GWP 值目前沒有統(tǒng)一的要求，應(yīng)選取數(shù)值盡可能低的介質(zhì)使用。

2.3 冷卻介質(zhì)的沸點(diǎn)

蒸發(fā)冷卻介質(zhì)沸點(diǎn)的選擇，需要綜合被冷卻器件的工作溫度要求和散熱效率要求。沸點(diǎn)過高時(shí)可能造成被冷卻器件損壞，沸點(diǎn)過低時(shí)介質(zhì)蒸汽與環(huán)境空氣溫差太小，又會(huì)造成冷卻效率低。以牽引變流器功率模塊為例，被冷卻的IGBT 器件，運(yùn)行結(jié)溫要求是120 ℃，綜合考慮工作溫度和散熱性能可將蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的沸點(diǎn)選定在80 ℃左右。

2.4 流動(dòng)與換熱性能

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)自主循環(huán)，從流動(dòng)需求上看，冷卻介質(zhì)的粘度以較低為宜，氣化潛熱、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)以較高為宜。

2.5 材料相容性

材料相容性是冷卻介質(zhì)的重要指標(biāo)，需要檢測(cè)冷卻介質(zhì)與所有相接觸材料的相容性，確保冷卻系統(tǒng)使用的材料與冷卻介質(zhì)在接觸過程中不會(huì)出現(xiàn)使用功能上的退化。

3 在機(jī)車變流器上的應(yīng)用

機(jī)車變流器通常會(huì)布置在機(jī)械間，使用立式的柜體。在現(xiàn)有水冷散熱系統(tǒng)中，變流器是通過水泵帶動(dòng)冷卻介質(zhì)循環(huán)將功率模塊散發(fā)的熱量傳遞到冷卻風(fēng)機(jī)柜的散熱器，再通過風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫風(fēng)冷將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。

以HXD2 型機(jī)車為例，其變流器和冷卻柜結(jié)構(gòu)如圖2 所示，水冷系統(tǒng)使用水泵帶動(dòng)冷卻液循環(huán)，將逆變功率模塊和四象限功率模塊運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，傳輸?shù)嚼鋮s風(fēng)機(jī)柜的散熱器上，由冷卻風(fēng)機(jī)組從車外大氣中吸取空氣，通過散熱器冷卻后將熱空氣排出車外。

在機(jī)車變流器冷卻系統(tǒng)中，以蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)代替現(xiàn)有水冷系統(tǒng)，可以使用選定的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)代替水冷介質(zhì)，去除冷卻水泵和膨脹水箱，將逆變功率模塊和四象限功率模塊的液冷回路直接連接到散熱器進(jìn)行冷卻。同時(shí)散熱器的安裝位置需要向上調(diào)整，保證散熱器位置高于功率模塊，這樣吸熱氣化后產(chǎn)生的冷卻介質(zhì)蒸汽才能順利進(jìn)入到散熱器中進(jìn)行冷卻。

因此，在現(xiàn)有的機(jī)車變流器中，以蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)代替原有的水冷系統(tǒng)，可以在保持變流器和冷卻風(fēng)機(jī)柜布局結(jié)構(gòu)不變的情況下，省去水泵和膨脹水箱，減小變流器的體積重量和散熱能耗，同時(shí)提高冷卻系統(tǒng)可靠性。

4 在動(dòng)車變流器上的應(yīng)用

動(dòng)車變流器通常布置在車底，形狀為扁平形，以CRH2 型動(dòng)車組為例，其外形結(jié)構(gòu)如圖3 所示。動(dòng)車變流器冷卻系統(tǒng)的工作原理與機(jī)車變流器大致相同，在冷卻風(fēng)路上是使用冷卻風(fēng)機(jī)將冷卻空氣從變流器的一側(cè)吸入，完成冷卻后再?gòu)牧硪粋?cè)排出。

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在動(dòng)車變流器中替代水冷系統(tǒng)時(shí)，由于動(dòng)車變流器是扁平形狀，上下空間范圍較小，要滿足散熱器安裝位置高于功率模塊，需要對(duì)變流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行調(diào)整。在動(dòng)車車體上的安裝位置調(diào)整，可以考慮將變流器的散熱器布置到車頂，與車載空調(diào)散熱器放置在一起。

因此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)同樣可以應(yīng)用于動(dòng)車變流器，同樣具備減小變流器的體積重量和散熱能耗，提高冷卻系統(tǒng)可靠性的優(yōu)點(diǎn)，但是需要對(duì)變流器的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行調(diào)整。

5 技術(shù)發(fā)展前景

蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用在電力機(jī)車變流器上，相比于現(xiàn)有的水冷技術(shù)，具有體積小、質(zhì)量小、散熱能耗低、可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)。蒸發(fā)冷卻技術(shù)在電力機(jī)車上應(yīng)用時(shí)，既可以對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)的存量變流器進(jìn)行升級(jí)改造，也可以在新制變流器時(shí)使用，提高變流器的冷卻系統(tǒng)的性能。在動(dòng)車組變流器上使用時(shí)，需要對(duì)原有布局進(jìn)行調(diào)整，適用于新制變流器。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用在電力機(jī)車、動(dòng)車變流器領(lǐng)域，有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的市場(chǎng)空間，同時(shí)該技術(shù)在變流器實(shí)際應(yīng)用上所涉及到的一些問題，還需要進(jìn)一步的實(shí)踐和探索。