地铁车辆牵引变流器的热管散热器的数值模拟

周芳

摘要：一般对于车辆的牵引器而言，越来越多的地铁上都开始进行了采用，一般来讲，对于变流器我们会选择采用热管散热器加上流动的冷风来简化散热器在柜体方面的结构。为了能够更好的分析热管散热器的散热性能，我们下面将使用相关的专门软件来分析散热器的流速与温度的分布特点以及相应的关系。经过研究我们可以发现，对于热管散热器而言，即使在车辆的运行速度比较低的情况下散热效果依然优良的结论。

关键词：地铁车辆；牵引变流器；热管散热器

1 散热器的结构与模型出现泄漏的缝隙

对于大功率的电力电子器件而言，我们可以选择的散热方法有很多种，例如风冷、水冷以及走形冷风等等。对于风冷，我们一般选择采用风机和风道的配置来完成，但是使用风机会有一定的安全隐患，而且在风机的运行过程当中会产生比较大的噪音。水冷系统则是由于其整体的结构与安装过程都十分的复杂，而且在运行时经常会出现泄漏的风险，所以对于地铁牵引器，出于安全性和可靠性的考虑，我们一般选择采用热管散热器加上走行冷风的方式来对地铁车辆牵引器的热管散热器进行降温，这样可以省去对于风道和风机的使用过程，进而简化散热柜的柜体结构，在这样的结构优势下，如果能够同时保持对于散热效果的肯定，那么将会比其他散热方式拥有更加明显的优势。为了确定这个优势是否存在，我们需要对于热管散热器的性能进行分析，我们一般采用专业的软件对其车辆牵引电流器进行模拟分析，进而能够明确当前的温度和流速的分布特性以及热管性能对散热效果产生的影响。

本图是关于导热系数对于温度的影响折线图，其中主要有正向行驶以及反向行驶两个反向的影响关系，其中其实最高温度的上升幅度会和轴向导热系数两者之间呈现出反比作用，需要对于芯片的最高温度需要控制在极限温度的百分之七十到八十之间。

2 研究结果的相关分析

一般地铁在运行时的平均速度大概为66千米每小时，最高时可能会达到80千米每小时，对于散热器而言，随着列车运行速度的提高，流经散热器的风速将会随着提升，为了能够更好的研究在恶劣的工作情况下的热管散热器的散热性能，我们一般选择对于20千米每小时以下的运行速度下的相关性能进行分析。我们在有散热器的金属外罩时，流经散热器的空气会首先被外罩以及相邻的散热片挡住，导致流进与流出外罩的孔的时候速度并不一致，局部甚至可能会达到16千米每小时；如果散热器没有外罩，那么空气流经散热片比较顺利，最高的流速也并不是那么高，会相对低于有外罩时热管散热器的空气流速。然后我们对于热管散热器的温度分布进行研究，发现在列车以20千米每小时的速度进行正向行驶时，没有外罩的热管散热器内部的最高温度与有热管散热器的最高温度相差并不是很大，这也主要是因为我们的外罩上的小孔开口率相对比较大，所以对整个散热器最终产生的影响并不是很大。然后我们对于地铁在不同的速度下行驶时热管散热器内部局部最高温度的变化情况进行分析，发现随着列车行驶速度的增加，最高温度在不断的降低，而且速度的增加会导致最高温度的下降速度变得越来越慢，对于列车的行驶方向来看，正向行驶时的最高温度要低于逆向行驶时的温度。

本土主要需要对于不同行驶速度之下热管散热器最高温度的变化情况，以及其中随着地铁车辆的形式速度的提高逐渐呈现出一种下降的趋势，反向速度行驶之下与正向行驶之下的最大速度之间差出四点五度到十度，反向速度要比正向速度更高。

对于热管散热器而言，其中的热管具有狂好的金属性能，它有极强的导热性以及良好的等温性，所以随着散热器接收到热量，可以经由热管极快的将散热器底板上的热量传导到散热片当中来，在整个散热器进行热量传递的過程当中，热管的性能好坏以及相关接触热阻的大小都会直接影响到最终的散热效果，对于这个问题，我们一般采取的办法是将所有的接触到的地方都涂抹导热硅脂来增强散热效果，同时我们也可以在IGBT与散热器之间采用一个合适的紧固力矩进行加固，从而保证这两者之间的接触热阻可以在一个合适的范围内。一般我们会将热管的蒸发段嵌入散热器底板的深度设计的比较大，保证这两个部分接触面积比较大，能够有很好的接触，而且同时热管与散热器之间的接触热阻设计的比较小，一般厚度比较小的话散热片与热管之间的接触会比较容易出现问题，所以保证这两者之间的良好接触是要通过一个合适的加工工艺来保证实现的。

3 结语

我们在进行变流器的相关产品的设计与研发时，最好能够提前对其进行热分析，才能够提高用于地铁这种公共交通的散热产品的可靠性，进一步提升我们的设计水平以及专业的研发能力。当前社会，配备了散热器的牵引变流器已经能够广泛在许多地区进行使用，而且得到的反馈结果都比较好，这也在一定程度上证明了热管散热器可以满足交通线路上对于牵引器散热的需求，也进一步证明了我们的分析方法所分析出的结果的可靠性。

参考文献：

[1]施玉洁.高速动车牵引变流器用板翅式热管散热器传热性能研究[D].南京工业大学，2014.

[2]李佳.倾角与充液率对牵引变流器用板翅式热管散热器传热性能的影响[D].南京工业大学，2015.