牵引变流器用板翅式热管散热器性能实验研究

施玉洁岳良金苏敏金鹰

(1南京工业大学能源学院 南京 211816；2青岛宏达赛奈尔科技股份有限公司 青岛 266111)

牵引变流器用板翅式热管散热器性能实验研究

施玉洁1岳良2金苏敏1金鹰2

(1南京工业大学能源学院 南京 211816；2青岛宏达赛奈尔科技股份有限公司 青岛 266111)

目前国内铁路进入快速发展时期，牵引变流器作为高速机车核心部件之一，对其有效的散热可提高机车运行的安全性，因此研究牵引变流器冷却系统中的散热器很有必要。通过搭建风洞实验台，研究空气进口温度25～45℃、迎面风速5～7 m/s时板翅式热管散热器的换热特性，得到散热器的工作散热量，基板工作温度以及影响换热的主要因素。实验结果表明:正常工作过程中散热器基板的工作温度在70～90℃之间；基板温度升高，换热量也随之增大；散热器换热量受进口空气温度的影响大于受迎面风速的影响。

牵引变流器；散热器；热管；散热量

随着交通运输业和电力系统的高速发展，各种大容量电力电子设备在高速机车的电力牵引系统中得以大量的应用[1]。但随着电子技术的发展，电子设备的性能迅速提高，整个牵引系统的耗散功率也急剧增大。

牵引变流器是电力机车动力核心的重要组成部分，由IGBT晶体管组成的功率模块是牵引变流器最主要的统一化元件[2]，伴随其高频、大功率和高集成化发展[3]，设备单位面积的热流密度越来越高。研究和实际应用表明，单个半导体元件的温度升高10℃，系统的可靠性会降低50%，所以IGBT芯片温度直接影响IGBT承载电流的能力、工作效率和使用寿命[4]。因此必须采用适当的散热装置，将IGBT模块产生的热量传递到外部环境。

目前的技术条件下，IGBT散热方式主要有3种:肋片散热、热管散热和液冷散热。肋片散热和热管散热主要采用强迫风冷的方法，而液冷散热主要采用液体循环系统冷却[5]。肋片散热器结构紧凑，导热稳定，但需要附带辅助风道，对风机性能要求较高，且容易产生噪声污染[6]；液冷散热器的散热能力较强，但需要附带复杂的冷却液循环系统，同时对系统密封性要求很高，一旦出现冷却液泄漏将会造成主变流器电气短路等严重后果[7]；而热管传热迅速，温差小，特别是平板热管具有出色的热扩散能力，因此广泛应用于分散热源的温度控制[8]。文章研究高速机车牵引变流器用板翅式热管散热器的换热特性，并搭建风洞实验台，通过实验掌握散热器在机车运行过程中的散热功率和导热基板的工作温度范围，为电力机车IGBT功率模块用散热器的选型和设计提供科学依据。

1 板翅式热管散热器工作原理

牵引变流器用板翅式热管散热器采用相变传热技术，热管蒸发端为一水平放置的空心铝板，冷凝端为一排外加平直铝翅片的竖直铝板，铝板与铝板相间隔形成散热器的内部通道。因为热管在重力作用下工作，所以内部无吸液芯。工作过程中，电力电子元件的发热模块将运行产生的热量通过具有较高导热率的导热硅脂传递给散热器的导热基板，散热器的蒸发端导热基板受热温度升高后对基板内处于负压状态下的工质进行加热并使其蒸发为饱和蒸汽，从而形成压差，产生的蒸汽沿着内部通道上升到冷凝端冷凝放出热量，冷凝端通过铝翅片来扩展散热表面，散热翅片在强制风冷作用下不断将热量带走。蒸汽在冷凝端凝结放热后冷凝为液体，并在重力的作用下流回蒸发端，工质在散热器内部不断重复以上过程来把电子器件产生的热量散掉。图1为该散热器的工作原理示意图。

这种连续的液汽相变循环作用传导了大量的热能，并以十分低的温差实现，而且热管的作用不需要外助力，仅仅是通过传导热中的余量来驱动，这种无源作用保证了其高可靠性和长寿命[9]。板翅式热管散热器中由隔板与隔板形成的通道可以在很小的空间内得到比较大的冷凝面积，所以相对于传统形式的热管散热器，板翅式热管散热器可以在相同冷凝设备空间内得到较大的冷凝面积，可以更好、更快的将更多的热量释放到环境中。

图1 板翅式热管散热器工作原理示意图Fig.1 Plate-fin heat pipe radiator working principle diagram

2 实验系统

图2为实验台流程图。实验台以散热器正常工作下的最不利工况进行设计，主要由离心风机、空气加热器、实验段、阀门及传感器等组成，实验系统采用水箱加热模拟电力半导体集成器件的热负荷，研究板翅式热管散热器的传热性能。实验中通过调节散热器基板温度、进风温度和冷却风量，根据流经散热器前后空气温差和风量计算得到散热器在不同工况下的散热量。

图2 实验台系统流程图Fig.2 Flow diagram of the experiment

实验过程中冷却风由一台最大流量为3984 m3/h，全压为2069 Pa的离心风机提供。一台额定功率为15 kW的电加热器保证了空气在进入散热器前温度稳定在实验范围内。在空气加热器与测试段之间安装有智能涡街流量计，用于测量流经散热器的风量。图3为实验台测试段的示意图，实验段由加热水箱和一个液压升降机组成。散热器进出口空气的温度通过Pt100热电阻测得，散热器前后的压力降通过压差变送器测得。水箱内装有电加热装置，电加热功率12 kW，用来模拟IGBT功率模块的产热。在导热基板底面布设4个K型热电偶，用于检测和控制散热器的受热情况，热电偶分别布置在导热基板的前后左右，为了保证测量温度的精确性，热电偶紧贴基板底面，并用圆形尼龙垫片将蒸汽与热电偶分隔开。加热水箱下安装一台液压升降机，便于实验段的高度调节。此外实验台还设置了回风管路系统，并在回风管路设置静压箱和电动阀门，当环境温度比较低的时候(如冬季工况)，在回风热量的作用下可以减少空气加热器的耗电，以达到节约能源的目的[10]。

图3 测试段示意图Fig.3 Schematic diagram of test section

3 实验结果与分析

3.1 迎面风速和进口空气温度对总换热量的影响

从图4可以看出:当导热基板底部外壁温度为70℃时，板翅式热管散热器的换热量在3.5～8.5 kW之间；当导热基板底部外壁温度为80℃时，散热器的换热量在4.5～10.5 kW之间。基板温度升高，换热量也随之增大。当基板温度一定时，同一迎面风速下空气进口温度由25℃升高至45℃，换热量减少3.5 kW左右，同一空气进口温度下迎面风速由5 m/s变化至7 m/s，换热量增大1.5 kW左右。换热量随进口空气温度升高逐渐减少，随迎面风速的增大逐渐增大，但迎面风速对换热量的影响小于空气进口温度的影响。这是因为在实验风速下流经散热器的空气呈紊流状态，对换热系数的影响比较小，但进风温度的高低影响了散热器换热温差的大小，对换热量影响较大。

图4 总换热量随迎面风速和进口空气温度的变化Fig.4 Heat dissipation changes with air speed and inlet temperature

3.2 进口空气温度和导热基板底部外壁温度对散热器热流密度的影响

热流密度的大小能反映散热器散热量的多少，是散热器散热性能的直观反映数值。热流密度是根据换热量和换热面积计算求得，其中换热面积是常量，因此热流密度随换热量的变化而变化。从图4中可以看出，散热器换热量受进口空气温度的影响大于迎面风速的影响，图5表示的是迎面风速为7 m/s时散热器热流密度随进口空气温度和导热基板底部外壁温度的变化关系图，从图中可以看出，散热器热流密度随着导热基板底部外壁温度的升高而增大，随进口空气温度的升高而减小。

图5 热流密度随进口空气温度和导热基板温度的变化Fig.5 Heat flux changes with inlet temperature and substrate temperature

3.3 迎面风速和进口空气温度对散热器传热系数的影响

散热器的传热系数是以导热基板底面积为基准换热面积，根据实验测得的换热量和散热器平均传热温差计算得到的。因为散热器的换热量与平均传热温差相关，所以二者相互抵消，散热器传热系数不受传热温差的影响，即散热器传热系数与导热基板底面温度和空气进出口温度无关。从图6可以看出:同一迎面风速下空气进口温度由25℃升高至45℃，传热系数下降约10 W/(m2·K)，同一空气进口温度下迎面风速由5 m/s变化至7 m/ s，传热系数升高约85 W/(m2·K)。散热器传热系数随迎面风速的增大而增大，随空气进风温度的升高略有降低，空气进风温度对传热系数的影响很小，可以忽略不做考虑。传热系数的大小与参与传热过程的流体种类以及过程本身有关，因此影响散热器传热系数的因素有Re数、质量流速以及空气物性参数等。物性参数与流体温度相关，但在实验温度范围内，空气物性参数变化非常小，对传热系数的影响很小；在实验范围内，Re数和质量流速主要受迎面风速的影响。综上所述散热器传热系数受迎面风速的影响比较大。

图6 传热系数随迎面风速和进口空气温度的变化Fig.6 Heat transfer coefficient changes with air speed and inlet temperature

3.4 迎面风速和进口空气温度对散热器压力损失的影响

图7为实验条件下的散热器压力损失随迎面风速和进口空气温度的变化关系图，图中实线表示散热器导热基板底面温度为70℃时的压力损失，虚线表示散热器导热基板底面温度为80℃时的压力损失。从图中可以看出，迎面风速是影响该散热器压力损失的主要因素。风速越高散热器压力损失越大。所以在对该类型散热器进行选型和设计时，要适当控制散热器迎面风速的大小，当选取的风速过高时会产生较大的阻力损失，且噪声也会增大，从而造成能源的浪费。

图7 压力损失随迎面风速和进口空气温度的变化Fig.7 Pressure loss changes with air speed and inlet temperature

4 结论

根据上述实验结果可得到以下结论:

1)实验用板翅式热管散热器具有较好的散热能力，能够有效的将IGBT功率模块产生的热量散掉，从而保证高速机车的安全运行。散热器换热量受进口空气温度的影响大于受迎面风速的影响，因此合理控制进口空气的温度对散热器的散热有积极的影响。

2)实验过程中，散热器基板外壁面平均热流密度在1.32～3.8 W/cm2之间，且受空气进口温度影响较大。

3)散热器的传热系数受迎面风速的影响较大，适当提高迎面风速可以提高散热器的传热系数。在进行散热器设计时，改善空气侧的翅片结构也是很重要的。

4)迎面风速是影响散热器压力损失的主要因素，风速越高散热器压力损失越大。

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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

施玉洁，女(1989－)，硕士研究生，南京工业大学能源学院，15951660411，E-mail:shiyujie1989＠126.com。研究方向:制冷及低温工程。

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.