高速列車牽引變流器中IGBT的相變冷卻實驗研究*

寧 珍，張永恒，劉軍強，唐 強

(1.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070;2.鐵道車輛熱工教育部重點實驗室(蘭州交通大學)，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

現階段，列車高速化成為鐵路行業的主流，大功率電力牽引系統成為高速列車的原動力，其中以交流傳動作為牽引傳動方式的高速列車占據重要地位。在交流牽引傳動系統中，牽引變流器發揮重要作用，牽引變流器中的核心部件IGBT在列車運行過程中不斷地進行開關切換，在開啟和關斷的瞬間會產生大量的熱，這些熱量若不及時散發出去，功率元件IGBT會產生嚴重熱疲勞，甚至可能由于過熱而燒壞，這樣不僅影響到牽引變流器的正常工作，更危及整個列車運行的安全穩定性，因此，怎樣使牽引變流器中功率元件IGBT的工作熱量更有效、更及時地散發出來成為關鍵問題所在。

近年來，隨著電子元器件的冷卻技術迅速發展，相變冷卻在機車變流器中已得到應用，它的實現方式主要有熱管冷卻系統和浸泡式冷卻系統［1］，兩者的絕緣程度都很低，主要用于待冷卻的點不是很多，熱流密度高的場合，后者的維護操作不便。端震［2］等人以無水乙醇為工質，對垂直帶有微槽群的紫銅基板表面的相變換熱的特征進行了實驗研究，實驗結果表明帶微槽表面紫銅基板的換熱強度高于光滑表面的池沸騰換熱強度，未考慮冷凝器的換熱強度對沸騰換熱的影響。P.G.ANJANKAR［3］等人對在不同工質流量、加熱功率和熱管長度下的熱管傳熱性能進行了研究，得出了最優傳熱方案，未研究蒸發段的微槽結構可提高熱流密度。本實驗從相變冷卻原理出發設，借鑒槽道的換熱優勢和熱管的高導熱能力設計了整套冷卻裝置，并對其性能進行了實驗研究和分析。

2 試驗臺設計

2.1 試驗系統組成

實驗臺由四部分組成，分別為主體試件、制冷劑供給系統、風冷系統及數據測量系統，如圖1所示。

圖1 實驗臺

相變冷卻實驗基于熱平衡原理，是一個實現穩定工況的閉式循環系統。熱源提供工質所需的熱量，冷卻風提供冷卻沸騰工質所需的制冷量。主體試件由蒸發器和冷凝器兩部分組成，在蒸發器中工質吸收熱源的熱量達到沸點后沸騰，產生的飽和蒸汽上升到冷凝器中，冷凝器被安裝在風道內部，冷凝器中的飽和蒸汽受到風冷作用后凝結為液體，凝結液在自身的重力作用下流回到蒸發器中，完成一次制冷劑由氣態變為液態的相變冷卻過程。

2.2 主體試件設計

主體試件是試驗臺的核心部分，如圖2所示。該部分主要由加熱塊(即被冷卻功率元件IGBT)、冷卻基板(簡稱冷板，用于吸收加熱塊的熱量)、沸騰池、圓管散熱器等組成。主體試件中冷板與發熱元件直接接觸，使得散熱熱阻很小。

圖2 主體試件

主體試件的工作原理為:冷板下表面吸收發熱塊的熱量傳遞到槽道式上表面后用于加熱沸騰池內的工質，制冷工質吸收熱量達到沸點開始沸騰產生大量蒸汽上升到圓管散熱器中，被裝在風道中的圓管散熱器處于強迫風冷工況下，并且其外部由數量眾多的散熱片，沸騰產生的蒸汽接觸到圓管散熱器內壁凝結后放出汽化潛熱液化，由于自身重力流回沸騰池。

主體試件中各部件的材料及尺寸如下:

(1)帶腔頂蓋采用Q235鋼為原材料，尺寸為15 mm×152 mm×88 mm，內腔高8 mm，被安裝在上管板上，用于圓管腔頂的密封，并在上面開有4孔，其中3孔分別用以安裝真空表、安全閥、熱電偶，另外一孔用以抽真空和灌注工質。

(2)上擋板用于固定圓管頂部，以Q235鋼為原材料，尺寸為15 mm×152 mm×88 mm，并開有4排22個直徑為10 mm的孔。

(3)散熱片安裝在圓管上，共約122片。散熱片尺寸為0.2 mm×152 mm×88 mm。

(4)圓管是制冷劑受熱后變成蒸汽上升的管道，將圓管置于風洞中，在風冷的作用下，圓管內的制冷劑氣體受冷后變成液體回落到沸騰池中。圓管以紫銅為原材料，其外徑為10 mm，壁厚為0.6 mm，管長為333 mm，共22根。

(5)管板用來覆蓋在沸騰池頂部，能與沸騰池形成一個封閉腔體，同時與圓管相接并固定圓管。管板以Q235剛為原材料，尺寸為15 mm×130 mm×174 mm，其上開22個直徑為10 mm的孔。

(6)沸騰池是一個四周封閉的空腔，提供制冷劑受熱沸騰的場所。沸騰池以電工膠木板為原材料，尺寸為50 mm×134 mm×174 mm，壁厚20 mm。

(7)冷卻基板吸收加熱塊的熱量，將熱量傳遞給制冷劑。冷板以鋁板為原材料，采用微槽式結構，具有微槽結構表面的沸騰換熱與常規結構表面的沸騰換熱相比傳熱特性增強。冷板的上表面開有16個尺寸為9 mm×4 mm×90 mm的矩形微槽，冷板整體尺寸為20 mm×130 mm×174 mm，下表面各有9條微槽道，用來布置熱電偶，一共36根，用于測量冷板下表面溫度，并在冷板側面開有直徑為3mm的通往冷板上表面的通道，用于實驗結束后排出工質，實驗過程中用針閥堵住，冷板結構如圖3所示。

圖3 冷板結構圖

3 實驗方法

開始實驗時，先打開真空泵將沸騰池內、圓管內和頂腔內的空氣排出，再將閥門關閉接入吸液軟管，打開閥門充入已經準備好的乙醇60 mL，分別采用1 012 W，1203 W，1413.5 W的功率加熱，每種功率采用3.875 m/s，5.485 m/s，6.723 m/s，7.77m/s和8.699 m/s五種風速來進行試驗，采集數據包括入口溫度tin，出口溫度tout;當地大氣壓Pa;冷板平均溫度tc，aver，冷板最高溫度tc，max，冷板最高溫度控制在90℃以下;頂腔內溫度ttop;腔內真空度P1;風道試驗段進出口壓差;風道出口動壓Pd，靜壓Pj。

4 實驗數據處理

本實驗中，調節直流穩壓電源的電壓U與電流I，利用公式P=UI得到加熱功率。根據所標定熱電偶的線性關系式y=cx+d計算得到冷板下表面溫度和頂腔溫度，其中，y表示熱電偶所測點溫度，℃;c表示斜率;x表示數據采集器顯示的電動勢，μV;d表示截距。用數據采集器采集到電阻網的電阻Rout，風道出口風溫t的計算式為Rout=Ro［1+α(t-to)］，Ro為電阻網在環境溫度下的初始電阻，to為環境溫度。

風道氣流速度的計算公式為:

式中:ΔPout為風道出口動壓;ρ為空氣密度;u為氣流速度。

沸騰池內的沸騰換熱系數計算公式為:

式中:he為沸騰換熱系數，W/(m2.K);ts為飽和溫度，℃;tw2為冷板上表面溫度，℃;Δt為冷板上表面過熱度。

冷板上表面溫度tw2的計算公式為:

式中:Δtw為冷板上下表面溫差，℃;tw1為冷板下表面溫度，℃;δe，w為冷板厚度，m;λe，w為冷板導熱系數，W/(m.K);qin為熱流密度，W/m2。

阻力系數f的計算公式為:

式中:D為試驗段風管當量直徑，m;ΔP為風道進出口壓差;ρ為空氣密度;u為氣流速度。

雷諾數的計算關系式為:

式中:D為試驗段風管當量直徑，m;υ為空氣運動粘度，m2/s。

系統總傳熱系數K的計算公式為:

式中:Φ為熱流量，W;A為冷板沸騰換熱面積，m2;tw1，aver為冷板平均溫度;to為環境溫度。

5 實驗結果和分析

實驗的最終目的是通過放置在風道中的圓管散熱器將冷板的溫度帶走，所以關注圓管散熱器在風冷作用下冷板的最大溫度尤其重要。從圖4中可以看出隨著風速增大，風道空氣進出口溫差逐漸變小，并且最小溫差為8℃，從圖5和6中可以看出，在同一功率下，冷板溫度隨風速增大而降低，降低趨勢隨風速增加而減緩，說明對于該冷卻裝置，提高風速可以增強冷卻效果，但是風速大于8 m/s時，增強效果不佳;冷板上表面最高溫度小于60℃，低于實驗的預設最高控制溫度，并且冷板溫度隨功率加大而升高。

圖4 不同功率下空氣進出口溫差隨風速率化情況

圖5 冷板最高溫度t w1，max隨風速v變化情況

圖6 冷板平均溫度t w1，aver隨風速v變化情況

如圖7所示，隨著雷諾數增大，各加熱功率下的阻力系數隨之減小，但功率大小對阻力系數的影響不大。如圖8所示，系統總傳熱系數K隨雷諾數的增大而增大，這是由于雷諾數的增大，流體擾動變得劇烈，流體對邊界層的破壞程度增強，同時也增強了冷凝器的換熱能力，使得腔內飽和壓力隨之變小，如圖9所示腔內乙醇蒸汽溫度也隨之降低，從而加大了冷板上表面過熱度，強化了沸騰傳熱過程。

圖7 試驗段阻力系數f與雷諾數Re的關系

圖8 總傳熱系數K與雷諾數Re的關系

圖9 腔內飽和壓力P in與雷諾數Re的關系

6 結論

實驗研究了不同風速，不同功率下的該相變冷卻系統的實驗性能，可得出，提高風速可以增大整個系統的總傳熱系數K，并且，隨著功率的增加系統的傳熱能力也會增強，但隨著風速增大或功率加大，系統傳熱能力的增加幅度也是有限的。

［1］ 何多昌.機車車輛變流器用電力半導體器件及其冷卻技術［J］.機車電傳動，2002(2):32-35.

［2］ 端 震.垂直矩形微槽群內部相變換熱的實驗研究［J］.南京師范大學學報，2008，8(2):32-35.

［3］ P.G.ANJANKAR，DR.R.B.YARASU.Experimental Analysis of Length Effect of Condenser on the performance of Thermosyphon［J］.Journal of Information，Knowledge and Research in Mechanical Engineering，2011，2(1):119-123.

［4］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［5］ 景思睿，張鳴遠.流體力學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.