高速列车牵引变流器中IGBT的相变冷却实验研究*

宁 珍，张永恒，刘军强，唐 强

(1.兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070;2.铁道车辆热工教育部重点实验室(兰州交通大学)，甘肃 兰州 730070)

1 引言

现阶段，列车高速化成为铁路行业的主流，大功率电力牵引系统成为高速列车的原动力，其中以交流传动作为牵引传动方式的高速列车占据重要地位。在交流牵引传动系统中，牵引变流器发挥重要作用，牵引变流器中的核心部件IGBT在列车运行过程中不断地进行开关切换，在开启和关断的瞬间会产生大量的热，这些热量若不及时散发出去，功率元件IGBT会产生严重热疲劳，甚至可能由于过热而烧坏，这样不仅影响到牵引变流器的正常工作，更危及整个列车运行的安全稳定性，因此，怎样使牵引变流器中功率元件IGBT的工作热量更有效、更及时地散发出来成为关键问题所在。

近年来，随着电子元器件的冷却技术迅速发展，相变冷却在机车变流器中已得到应用，它的实现方式主要有热管冷却系统和浸泡式冷却系统［1］，两者的绝缘程度都很低，主要用于待冷却的点不是很多，热流密度高的场合，后者的维护操作不便。端震［2］等人以无水乙醇为工质，对垂直带有微槽群的紫铜基板表面的相变换热的特征进行了实验研究，实验结果表明带微槽表面紫铜基板的换热强度高于光滑表面的池沸腾换热强度，未考虑冷凝器的换热强度对沸腾换热的影响。P.G.ANJANKAR［3］等人对在不同工质流量、加热功率和热管长度下的热管传热性能进行了研究，得出了最优传热方案，未研究蒸发段的微槽结构可提高热流密度。本实验从相变冷却原理出发设，借鉴槽道的换热优势和热管的高导热能力设计了整套冷却装置，并对其性能进行了实验研究和分析。

2 试验台设计

2.1 试验系统组成

实验台由四部分组成，分别为主体试件、制冷剂供给系统、风冷系统及数据测量系统，如图1所示。

图1 实验台

相变冷却实验基于热平衡原理，是一个实现稳定工况的闭式循环系统。热源提供工质所需的热量，冷却风提供冷却沸腾工质所需的制冷量。主体试件由蒸发器和冷凝器两部分组成，在蒸发器中工质吸收热源的热量达到沸点后沸腾，产生的饱和蒸汽上升到冷凝器中，冷凝器被安装在风道内部，冷凝器中的饱和蒸汽受到风冷作用后凝结为液体，凝结液在自身的重力作用下流回到蒸发器中，完成一次制冷剂由气态变为液态的相变冷却过程。

2.2 主体试件设计

主体试件是试验台的核心部分，如图2所示。该部分主要由加热块(即被冷却功率元件IGBT)、冷却基板(简称冷板，用于吸收加热块的热量)、沸腾池、圆管散热器等组成。主体试件中冷板与发热元件直接接触，使得散热热阻很小。

图2 主体试件

主体试件的工作原理为:冷板下表面吸收发热块的热量传递到槽道式上表面后用于加热沸腾池内的工质，制冷工质吸收热量达到沸点开始沸腾产生大量蒸汽上升到圆管散热器中，被装在风道中的圆管散热器处于强迫风冷工况下，并且其外部由数量众多的散热片，沸腾产生的蒸汽接触到圆管散热器内壁凝结后放出汽化潜热液化，由于自身重力流回沸腾池。

主体试件中各部件的材料及尺寸如下:

(1)带腔顶盖采用Q235钢为原材料，尺寸为15 mm×152 mm×88 mm，内腔高8 mm，被安装在上管板上，用于圆管腔顶的密封，并在上面开有4孔，其中3孔分别用以安装真空表、安全阀、热电偶，另外一孔用以抽真空和灌注工质。

(2)上挡板用于固定圆管顶部，以Q235钢为原材料，尺寸为15 mm×152 mm×88 mm，并开有4排22个直径为10 mm的孔。

(3)散热片安装在圆管上，共约122片。散热片尺寸为0.2 mm×152 mm×88 mm。

(4)圆管是制冷剂受热后变成蒸汽上升的管道，将圆管置于风洞中，在风冷的作用下，圆管内的制冷剂气体受冷后变成液体回落到沸腾池中。圆管以紫铜为原材料，其外径为10 mm，壁厚为0.6 mm，管长为333 mm，共22根。

(5)管板用来覆盖在沸腾池顶部，能与沸腾池形成一个封闭腔体，同时与圆管相接并固定圆管。管板以Q235刚为原材料，尺寸为15 mm×130 mm×174 mm，其上开22个直径为10 mm的孔。

(6)沸腾池是一个四周封闭的空腔，提供制冷剂受热沸腾的场所。沸腾池以电工胶木板为原材料，尺寸为50 mm×134 mm×174 mm，壁厚20 mm。

(7)冷却基板吸收加热块的热量，将热量传递给制冷剂。冷板以铝板为原材料，采用微槽式结构，具有微槽结构表面的沸腾换热与常规结构表面的沸腾换热相比传热特性增强。冷板的上表面开有16个尺寸为9 mm×4 mm×90 mm的矩形微槽，冷板整体尺寸为20 mm×130 mm×174 mm，下表面各有9条微槽道，用来布置热电偶，一共36根，用于测量冷板下表面温度，并在冷板侧面开有直径为3mm的通往冷板上表面的通道，用于实验结束后排出工质，实验过程中用针阀堵住，冷板结构如图3所示。

图3 冷板结构图

3 实验方法

开始实验时，先打开真空泵将沸腾池内、圆管内和顶腔内的空气排出，再将阀门关闭接入吸液软管，打开阀门充入已经准备好的乙醇60 mL，分别采用1 012 W，1203 W，1413.5 W的功率加热，每种功率采用3.875 m/s，5.485 m/s，6.723 m/s，7.77m/s和8.699 m/s五种风速来进行试验，采集数据包括入口温度tin，出口温度tout;当地大气压Pa;冷板平均温度tc，aver，冷板最高温度tc，max，冷板最高温度控制在90℃以下;顶腔内温度ttop;腔内真空度P1;风道试验段进出口压差;风道出口动压Pd，静压Pj。

4 实验数据处理

本实验中，调节直流稳压电源的电压U与电流I，利用公式P=UI得到加热功率。根据所标定热电偶的线性关系式y=cx+d计算得到冷板下表面温度和顶腔温度，其中，y表示热电偶所测点温度，℃;c表示斜率;x表示数据采集器显示的电动势，μV;d表示截距。用数据采集器采集到电阻网的电阻Rout，风道出口风温t的计算式为Rout=Ro［1+α(t-to)］，Ro为电阻网在环境温度下的初始电阻，to为环境温度。

风道气流速度的计算公式为:

式中:ΔPout为风道出口动压;ρ为空气密度;u为气流速度。

沸腾池内的沸腾换热系数计算公式为:

式中:he为沸腾换热系数，W/(m2.K);ts为饱和温度，℃;tw2为冷板上表面温度，℃;Δt为冷板上表面过热度。

冷板上表面温度tw2的计算公式为:

式中:Δtw为冷板上下表面温差，℃;tw1为冷板下表面温度，℃;δe，w为冷板厚度，m;λe，w为冷板导热系数，W/(m.K);qin为热流密度，W/m2。

阻力系数f的计算公式为:

式中:D为试验段风管当量直径，m;ΔP为风道进出口压差;ρ为空气密度;u为气流速度。

雷诺数的计算关系式为:

式中:D为试验段风管当量直径，m;υ为空气运动粘度，m2/s。

系统总传热系数K的计算公式为:

式中:Φ为热流量，W;A为冷板沸腾换热面积，m2;tw1，aver为冷板平均温度;to为环境温度。

5 实验结果和分析

实验的最终目的是通过放置在风道中的圆管散热器将冷板的温度带走，所以关注圆管散热器在风冷作用下冷板的最大温度尤其重要。从图4中可以看出随着风速增大，风道空气进出口温差逐渐变小，并且最小温差为8℃，从图5和6中可以看出，在同一功率下，冷板温度随风速增大而降低，降低趋势随风速增加而减缓，说明对于该冷却装置，提高风速可以增强冷却效果，但是风速大于8 m/s时，增强效果不佳;冷板上表面最高温度小于60℃，低于实验的预设最高控制温度，并且冷板温度随功率加大而升高。

图4 不同功率下空气进出口温差随风速率化情况

图5 冷板最高温度t w1，max随风速v变化情况

图6 冷板平均温度t w1，aver随风速v变化情况

如图7所示，随着雷诺数增大，各加热功率下的阻力系数随之减小，但功率大小对阻力系数的影响不大。如图8所示，系统总传热系数K随雷诺数的增大而增大，这是由于雷诺数的增大，流体扰动变得剧烈，流体对边界层的破坏程度增强，同时也增强了冷凝器的换热能力，使得腔内饱和压力随之变小，如图9所示腔内乙醇蒸汽温度也随之降低，从而加大了冷板上表面过热度，强化了沸腾传热过程。

图7 试验段阻力系数f与雷诺数Re的关系

图8 总传热系数K与雷诺数Re的关系

图9 腔内饱和压力P in与雷诺数Re的关系

6 结论

实验研究了不同风速，不同功率下的该相变冷却系统的实验性能，可得出，提高风速可以增大整个系统的总传热系数K，并且，随着功率的增加系统的传热能力也会增强，但随着风速增大或功率加大，系统传热能力的增加幅度也是有限的。

［1］ 何多昌.机车车辆变流器用电力半导体器件及其冷却技术［J］.机车电传动，2002(2):32-35.

［2］ 端 震.垂直矩形微槽群内部相变换热的实验研究［J］.南京师范大学学报，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］ 杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［5］ 景思睿，张鸣远.流体力学［M］.西安:西安交通大学出版社，2001.