牽引變流器用板翅式熱管散熱器性能實驗研究

施玉潔岳良金蘇敏金鷹

(1南京工業大學能源學院 南京 211816；2青島宏達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驗研究

施玉潔1岳良2金蘇敏1金鷹2

(1南京工業大學能源學院 南京 211816；2青島宏達賽奈爾科技股份有限公司 青島 266111)

目前國內鐵路進入快速發展時期，牽引變流器作為高速機車核心部件之一，對其有效的散熱可提高機車運行的安全性，因此研究牽引變流器冷卻系統中的散熱器很有必要。通過搭建風洞實驗臺，研究空氣進口溫度25～45℃、迎面風速5～7 m/s時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。實驗結果表明: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；散熱器換熱量受進口空氣溫度的影響大于受迎面風速的影響。

牽引變流器；散熱器；熱管；散熱量

隨著交通運輸業和電力系統的高速發展，各種大容量電力電子設備在高速機車的電力牽引系統中得以大量的應用[1]。但隨著電子技術的發展，電子設備的性能迅速提高，整個牽引系統的耗散功率也急劇增大。

牽引變流器是電力機車動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一化元件[2]，伴隨其高頻、大功率和高集成化發展[3]，設備單位面積的熱流密度越來越高。研究和實際應用表明，單個半導體元件的溫度升高10℃，系統的可靠性會降低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]。因此必須采用適當的散熱裝置，將IGBT模塊產生的熱量傳遞到外部環境。

目前的技術條件下，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迫風冷的方法，而液冷散熱主要采用液體循環系統冷卻[5]。肋片散熱器結構緊湊，導熱穩定，但需要附帶輔助風道，對風機性能要求較高，且容易產生噪聲污染[6]；液冷散熱器的散熱能力較強，但需要附帶復雜的冷卻液循環系統，同時對系統密封性要求很高，一旦出現冷卻液泄漏將會造成主變流器電氣短路等嚴重后果[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散能力，因此廣泛應用于分散熱源的溫度控制[8]。文章研究高速機車牽引變流器用板翅式熱管散熱器的換熱特性，并搭建風洞實驗臺，通過實驗掌握散熱器在機車運行過程中的散熱功率和導熱基板的工作溫度范圍，為電力機車IGBT功率模塊用散熱器的選型和設計提供科學依據。

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，熱管蒸發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部通道。因為熱管在重力作用下工作，所以內部無吸液芯。工作過程中，電力電子元件的發熱模塊將運行產生的熱量通過具有較高導熱率的導熱硅脂傳遞給散熱器的導熱基板，散熱器的蒸發端導熱基板受熱溫度升高后對基板內處于負壓狀態下的工質進行加熱并使其蒸發為飽和蒸汽，從而形成壓差，產生的蒸汽沿著內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展散熱表面，散熱翅片在強制風冷作用下不斷將熱量帶走。蒸汽在冷凝端凝結放熱后冷凝為液體，并在重力的作用下流回蒸發端，工質在散熱器內部不斷重復以上過程來把電子器件產生的熱量散掉。圖1為該散熱器的工作原理示意圖。

這種連續的液汽相變循環作用傳導了大量的熱能，并以十分低的溫差實現，而且熱管的作用不需要外助力，僅僅是通過傳導熱中的余量來驅動，這種無源作用保證了其高可靠性和長壽命[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得到比較大的冷凝面積，所以相對于傳統形式的熱管散熱器，板翅式熱管散熱器可以在相同冷凝設備空間內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 實驗系統

圖2為實驗臺流程圖。實驗臺以散熱器正常工作下的最不利工況進行設計，主要由離心風機、空氣加熱器、實驗段、閥門及傳感器等組成，實驗系統采用水箱加熱模擬電力半導體集成器件的熱負荷，研究板翅式熱管散熱器的傳熱性能。實驗中通過調節散熱器基板溫度、進風溫度和冷卻風量，根據流經散熱器前后空氣溫差和風量計算得到散熱器在不同工況下的散熱量。

圖2 實驗臺系統流程圖Fig.2 Flow diagram of the experiment

實驗過程中冷卻風由一臺最大流量為3984 m3/h，全壓為2069 Pa的離心風機提供。一臺額定功率為15 kW的電加熱器保證了空氣在進入散熱器前溫度穩定在實驗范圍內。在空氣加熱器與測試段之間安裝有智能渦街流量計，用于測量流經散熱器的風量。圖3為實驗臺測試段的示意圖，實驗段由加熱水箱和一個液壓升降機組成。散熱器進出口空氣的溫度通過Pt100熱電阻測得，散熱器前后的壓力降通過壓差變送器測得。水箱內裝有電加熱裝置，電加熱功率12 kW，用來模擬IGBT功率模塊的產熱。在導熱基板底面布設4個K型熱電偶，用于檢測和控制散熱器的受熱情況，熱電偶分別布置在導熱基板的前后左右，為了保證測量溫度的精確性，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液壓升降機，便于實驗段的高度調節。此外實驗臺還設置了回風管路系統，并在回風管路設置靜壓箱和電動閥門，當環境溫度比較低的時候(如冬季工況)，在回風熱量的作用下可以減少空氣加熱器的耗電，以達到節約能源的目的[10]。

圖3 測試段示意圖Fig.3 Schematic diagram of test section

3 實驗結果與分析

3.1 迎面風速和進口空氣溫度對總換熱量的影響

從圖4可以看出:當導熱基板底部外壁溫度為70℃時，板翅式熱管散熱器的換熱量在3.5～8.5 kW之間；當導熱基板底部外壁溫度為80℃時，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。當基板溫度一定時，同一迎面風速下空氣進口溫度由25℃升高至45℃，換熱量減少3.5 kW左右，同一空氣進口溫度下迎面風速由5 m/s變化至7 m/s，換熱量增大1.5 kW左右。換熱量隨進口空氣溫度升高逐漸減少，隨迎面風速的增大逐漸增大，但迎面風速對換熱量的影響小于空氣進口溫度的影響。這是因為在實驗風速下流經散熱器的空氣呈紊流狀態，對換熱系數的影響比較小，但進風溫度的高低影響了散熱器換熱溫差的大小，對換熱量影響較大。

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

3.2 進口空氣溫度和導熱基板底部外壁溫度對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值。熱流密度是根據換熱量和換熱面積計算求得，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，散熱器換熱量受進口空氣溫度的影響大于迎面風速的影響，圖5表示的是迎面風速為7 m/s時散熱器熱流密度隨進口空氣溫度和導熱基板底部外壁溫度的變化關系圖，從圖中可以看出，散熱器熱流密度隨著導熱基板底部外壁溫度的升高而增大，隨進口空氣溫度的升高而減小。

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

3.3 迎面風速和進口空氣溫度對散熱器傳熱系數的影響

散熱器的傳熱系數是以導熱基板底面積為基準換熱面積，根據實驗測得的換熱量和散熱器平均傳熱溫差計算得到的。因為散熱器的換熱量與平均傳熱溫差相關，所以二者相互抵消，散熱器傳熱系數不受傳熱溫差的影響，即散熱器傳熱系數與導熱基板底面溫度和空氣進出口溫度無關。從圖6可以看出:同一迎面風速下空氣進口溫度由25℃升高至45℃，傳熱系數下降約10 W/(m2·K)，同一空氣進口溫度下迎面風速由5 m/s變化至7 m/ s，傳熱系數升高約85 W/(m2·K)。散熱器傳熱系數隨迎面風速的增大而增大，隨空氣進風溫度的升高略有降低，空氣進風溫度對傳熱系數的影響很小，可以忽略不做考慮。傳熱系數的大小與參與傳熱過程的流體種類以及過程本身有關，因此影響散熱器傳熱系數的因素有Re數、質量流速以及空氣物性參數等。物性參數與流體溫度相關，但在實驗溫度范圍內，空氣物性參數變化非常小，對傳熱系數的影響很小；在實驗范圍內，Re數和質量流速主要受迎面風速的影響。綜上所述散熱器傳熱系數受迎面風速的影響比較大。

圖6 傳熱系數隨迎面風速和進口空氣溫度的變化Fig.6 Heat transfer coefficient changes with air speed and inlet temperature

3.4 迎面風速和進口空氣溫度對散熱器壓力損失的影響

圖7為實驗條件下的散熱器壓力損失隨迎面風速和進口空氣溫度的變化關系圖，圖中實線表示散熱器導熱基板底面溫度為70℃時的壓力損失，虛線表示散熱器導熱基板底面溫度為80℃時的壓力損失。從圖中可以看出，迎面風速是影響該散熱器壓力損失的主要因素。風速越高散熱器壓力損失越大。所以在對該類型散熱器進行選型和設計時，要適當控制散熱器迎面風速的大小，當選取的風速過高時會產生較大的阻力損失，且噪聲也會增大，從而造成能源的浪費。

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

4 結論

根據上述實驗結果可得到以下結論:

1)實驗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功率模塊產生的熱量散掉，從而保證高速機車的安全運行。散熱器換熱量受進口空氣溫度的影響大于受迎面風速的影響，因此合理控制進口空氣的溫度對散熱器的散熱有積極的影響。

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

3)散熱器的傳熱系數受迎面風速的影響較大，適當提高迎面風速可以提高散熱器的傳熱系數。在進行散熱器設計時，改善空氣側的翅片結構也是很重要的。

4)迎面風速是影響散熱器壓力損失的主要因素，風速越高散熱器壓力損失越大。

[1] 陳建業，吳文偉.大功率變流器冷卻技術及其進展[J].大功率變流技術，2010，17(1):15-24.(Chen Jianye，Wu Wenwei.Cooling technology for high power converter and its development[J].High Power Converter Technology，2010，17(1):15-24.)

[2] 田睿.大功率IGBT晶體管牽引變流器[J].國外內燃機車，2011，420(6):7-14.(Tian Rui.High power IGBT transistors traction converters[J].Foreign Diesel Locomotive，2011，420(6):7-14.)

[3] Thomas Luttin.IGBT technology in high-power applications [J].International Railway Journal，2001，359(5):44-46.

[4] Hans-Joachim Knaak.IGBT technology in traction converter-advantages and experiences of the new transistor technology[J].Der Nahverkehr，1996，316(10):4-10.

[5] 王雄，馬伯樂，陳明翊，等.軌道車輛大功率IGBT散熱器的熱設計與試驗研究[J].機車電傳動，2012，12(4): 71-73.(Wang Xiong，Ma Bole，Chen Mingyi，et al.Thermal design and experimental research on high-power IGBT module heat sink applied in rail vehicle[J].Electric Drive for Locomotives，2012，12(4):71-73.)

[6] 李玉寶，王建萍，呂召會.矩形肋片散熱器幾何參數對散熱的影響分析[J].電子機械工程，2012，28(2):4-7. (Li Yubao，Wang Jianping，Lü Zhaohui.Effect of geometric parameters of the rectangular fin heat sink on heat radiation [J].Electro-Mechanical Engineering，2012，28(2):4-7.)

[7] 蔡靜，曹惠玲，孫會來.大功率晶閘管的冷卻技術[J].能源研究與信息，2001，17(3):178-186.(Cai Jing，Cao Huiling，Sun Huilai.Cooling techniques for high-power thyristors[J].Energy Research and Information，2001，17 (3):178-186.)

[8] Kang S W，Tsai M C，Weng M T，et al.Development of thermal spreading technology nowadays[C]//Microsystems，Packaging，Assembly and Circuits Technology Conference，2009:328-335.

[9] 李春陽，肖寧，楊閎盛.CRH2型高速動車組CI用熱管散熱器的研制[J].機車電傳動，2012，12(6):30-33. (Li Chunyang，Xiao Ning，Yang Hongsheng.Research onheat pipe radiator of CRH2 EMUs CI[J].Electric Drive for Locomotives，2012，12(6):30-33.)

[10]羅愛華，金鷹，金蘇敏，等.牽引整流器熱管式空氣冷卻器散熱性能試驗研究[J].制冷學報，2013，34(5):90-94.(Luo Aihua，Jin Ying，Jin Sumin，et al.Experimental study on heat pipe cooler of electric locomotive traction converters[J].Journal of Refrigeration，2013，34(5):90-94.)

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，南京工業大學能源學院，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.