基于平板微熱管陣列的牽引變流器散熱器的性能模擬

鄧育鋒 戰(zhàn)乃巖 陳 昕 張雯琦

（吉林建筑大學 吉林長春）

1 引言

隨著當今社會的快速發(fā)展，軌道交通成為更多人的出行選擇。隨著軌道交通的高速發(fā)展，各種大容量電力電子設備在機車的電力牽引系統(tǒng)中得以大量應用[1]。在機車中，牽引變流器是實現(xiàn)電能與機械能轉(zhuǎn)換的關鍵部件[2]。其中，由IGBT晶體管組成的功率模塊是牽引變流器最主要的統(tǒng)一化元件[3]，伴隨其高頻率、大功率和高集成化的發(fā)展[4]，設備單位面積的熱流密度越來越高。因此功率器件的散熱問題已成為影響其可靠性的主要因素。

國內(nèi)學者Ding J、Tang Y T[5]采用“熱管散熱器+走行風冷”的方式使得原先較為復雜的柜體結構變得簡單輕便，并利用了CFD軟件Fluent分析機柜的速度從和溫度場特點，模擬結果表明，在車輛運行速度較低時，熱管散熱器仍可以滿足所需散熱效果。文章后半部分，作者列舉了散熱器實際應用情況，該情況與仿真結果較為相近。近年來，中國學者Zhao Y H等[6]提出了平板微熱管陣列的新型相變導熱材料，即多個平行且彼此完全獨立的微細熱管裝配在一起，而不僅僅是帶有強化散熱的微槽的熱管，各個微細熱管間不連通，且每個微熱管內(nèi)表面可帶有微槽群等強化換熱的結構。研究結果表明，平板微熱管陣列的熱通量可達200W/cm2。

本文將應用平板微熱管陣列做為機車電力牽引變流器散熱的導熱材料，將原有的“熱管散熱器+走行風冷”方式優(yōu)化為“平板微熱管陣列散熱器+走行風冷”方式。提出了平板微熱管陣列散熱器的結構模型，并使用專業(yè)熱分析軟件Icepak對散熱器溫度場模擬。在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎上，進行瞬態(tài)模擬，確保“平板微熱管陣列散熱器+走行風冷”方式在機車運行的任何時刻安全可靠。

2 平板微熱管陣列散熱器結構設計

在平板微熱管陣列散熱器的結構設計中，充分考慮了平板微熱管陣列的外形特點，其平滑的外表能夠方便地與換熱面貼合的特點，因此使用11根相同規(guī)格的平板微熱管陣列，排布在背板上，與另一側(cè)發(fā)熱源及發(fā)熱源之間的空隙分別對應。這樣可以最大程度上增加平板微熱管陣列與背板的接觸面積。采用相同規(guī)格的平板微熱管陣列是考慮到零件的互換性。散熱器的結構如圖1所示。

圖1 平板微熱管陣列散熱器模型

3 結果分析

通過求解器求解，迭代至收斂。采用Icepak自帶的后處理功能查看熱源、背板、平板微熱管陣列、翅片的溫度場分布，如圖2所示。

圖2 平板微熱管陣列散熱器溫度場

從圖2可以看出，散熱器最高溫出現(xiàn)在熱源處。圖中左側(cè)為迎風面，風速較大，溫度較低，因此無論是熱源、背板還是平板微熱管陣列和翅片，其溫度都是從左到右逐漸升高。

4 結論

穩(wěn)態(tài)模擬結果表明散熱器背板平均溫度低于結溫，符合散熱要求。

[1]Chen Jianye，Wu Wenwei.Cooling technology for high power converter and its development[J].High Power Converter Technology，2010，17（1）：15～24.

[2]楊其林，劉建強，鄭瓊林.高速列車牽引變流器冷卻系統(tǒng)散熱特性研究[J].應用裝置，2012（2）：35～39.

[3]Tian Rui.High power IGBT transistors traction converters[J].Foreign Diesel Locomotive，2011，420（6）：7～14.

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

[5]丁杰.地鐵車輛牽引變流器的熱管散熱器的數(shù)值模擬[J].大功率變流技術，2012（5）：31～59.

[6]趙耀華.平板微熱管陣列及其傳熱特性[J].化工學報，2011，62（2）：336～343.