微熱管陣列在輕軌車輛IGBT自然冷卻系統(tǒng)應(yīng)用研究

蘇增強(qiáng)，戰(zhàn)乃巖*，鄧育峰，張小龍，吳思潔

1吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118 2多倫多大學(xué) 土木與礦物工程系,多倫多 M5S 1A4.

0 引言

電力牽引技術(shù)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠,對(duì)環(huán)境影響小,因此,電車或輕軌車輛(LRV)成為城市交通危機(jī)的重要補(bǔ)救措施之一[1].目前,LRV普遍使用的逆變器技術(shù)是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)[2].然而,隨著所需功率的不斷增加和可用容量的減少,IGBT功率模塊不斷朝小型化、輕型化、精致化方向發(fā)展,其熱通量不斷增加[3-6].目前進(jìn)一步提高功率密度的限制主要是最高工作結(jié)溫和熱脈動(dòng)[4],因此,將逆變器系統(tǒng)的IGBT有效冷卻及工作結(jié)溫維持在安全值至關(guān)重要[5,7].

常用的冷卻技術(shù)有液體冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷和自然風(fēng)冷.液體冷卻性能穩(wěn)定,但效率低,對(duì)密封要求高,且大量的工質(zhì)會(huì)增加LRV加速和制動(dòng)階段的負(fù)荷[8];強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單,但風(fēng)扇能耗大、易出現(xiàn)故障,噪聲大[4];自然風(fēng)冷具有低噪聲、故障少的優(yōu)點(diǎn)[2],LRV上的無(wú)風(fēng)扇冷卻技術(shù)輔以車輛的運(yùn)行可發(fā)揮更好性能[4],而具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)效率更高[9].

絕大多數(shù)IGBT的研究主要集中在主電路的設(shè)計(jì)和控制上,對(duì)冷卻系統(tǒng)的研究較少[10].但具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)已在許多城市廣泛應(yīng)用于LRV,也存在大量研究文獻(xiàn)[11]介紹了中國(guó)研制的熱管自然冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品,還給出了一些熱管模型的結(jié)構(gòu)和6 m/s速度下的自然冷卻熱阻,預(yù)測(cè)了具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用前景.文獻(xiàn)[12]利用Fluent軟件模擬了車輛在正向和反向低速行駛時(shí)熱管的散熱性能和罩蓋對(duì)熱管散熱效果影響.文獻(xiàn)[13]用風(fēng)機(jī)模擬LRV運(yùn)動(dòng),當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí),熱管的總散熱量為3 600 W,工作時(shí)間為120 min,可滿足運(yùn)行要求.文獻(xiàn)[14]介紹了LRV的具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu),并證明熱管已在上海地鐵1號(hào)線、沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線、深圳地鐵5號(hào)線和重慶地鐵6號(hào)線投入批量生產(chǎn),并全部運(yùn)行良好.文獻(xiàn)[15]利用ICEPAK對(duì)設(shè)計(jì)的具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,優(yōu)化了熱管數(shù)量、翅片和熱管長(zhǎng)度.文獻(xiàn)[16]利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)在不同進(jìn)風(fēng)溫度25 ℃～45 ℃和風(fēng)速5 m/s～7 m/s的傳熱特性.

大量研究證實(shí)通過(guò)車輛運(yùn)動(dòng)輔助的自然空氣冷卻系統(tǒng)具有一定的可行性和穩(wěn)定性,但現(xiàn)有的具有熱管的自然冷卻系統(tǒng)已不能滿足IGBT功率模塊小型化、輕型化、精致化方向發(fā)展的要求,因此,NCSHP亟需導(dǎo)熱性能好、重量輕、體積小的材料.

微熱管陣列是一種新型的薄平板熱管[17].它是一個(gè)扁平的鋁板熱管,其中多根平行的微熱管獨(dú)立工作[18].微熱管陣列的厚度通常為3 mm,寬度和長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需要改變.微型熱管的陣列集成不僅可增強(qiáng)熱管的穩(wěn)定性,也可提高導(dǎo)熱性能.當(dāng)蒸發(fā)段溫度為70 ℃時(shí),工作介質(zhì)甲醇的MHPA的最大熱通量200 W/cm2[19].

微熱管陣列已被應(yīng)用于多個(gè)研究領(lǐng)域.文獻(xiàn)[20]提出并通過(guò)試驗(yàn)研究了一種新的基于微熱管陣列的電池散熱系統(tǒng).在充放電循環(huán)過(guò)程中測(cè)量溫度,結(jié)果驗(yàn)證了基于微熱管陣列的冷卻系統(tǒng)降低了電池組的溫升速率,并將運(yùn)行期間電池組和電池內(nèi)部的溫差降至最低.文獻(xiàn)[21]基于微熱管陣列開(kāi)展了一種新型帶相變材料(PCM)的太陽(yáng)能空氣采集-儲(chǔ)存熱力系統(tǒng)(ACSTS),并通過(guò)風(fēng)量流量試驗(yàn)測(cè)試了集熱器效率,蓄熱充放電時(shí)間等性能,并計(jì)算了累積換熱量.文獻(xiàn)[18]提出了一種基于微熱管陣列的太陽(yáng)能光伏熱耗散新方法,成功解決了太陽(yáng)能光伏電池效率低,熱失效等問(wèn)題,極大提高了太陽(yáng)能的綜合利用效率,延長(zhǎng)了使用壽命.文獻(xiàn)[22]將微熱管陣列焊接鋸齒和交錯(cuò)翅片作為住宅建筑熱回收系統(tǒng)中的核心傳熱部件,在實(shí)驗(yàn)條件下,最高熱回收效率和COP分別可達(dá)78 %和91.9.

基于微熱管陣列的高性能及其在眾多研究領(lǐng)域的成功應(yīng)用,考慮將其應(yīng)用于IGBT自然風(fēng)冷系統(tǒng)代替普通熱管.同時(shí),微熱管陣列翅片形狀像一個(gè)厚度僅為3 mm的扁平薄板,與普通的圓柱形熱管相比,微熱管翅片不僅具有較大的接觸面積,而且更像一個(gè)截面相等的直翅片.因此,微熱管陣列可被考慮作為冷卻系統(tǒng)的翅片,這種嘗試未在其他文獻(xiàn)中出現(xiàn).

因此,本文提出了一種采用微熱管陣列的新型自然冷卻系統(tǒng)的概念,即在車輛運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)空氣自然對(duì)流對(duì)IGBT進(jìn)行冷卻.新型微熱管陣列不僅將微熱管用作導(dǎo)熱部件(與其他傳統(tǒng)熱管冷卻系統(tǒng)相似),而且還將其用作翅片以強(qiáng)化散熱,研究微熱管陣列對(duì)不同車速下微熱管陣列的傳熱性能.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)所采用微熱管陣列模型以及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,模型由一根長(zhǎng)500 mm、寬80 mm、厚3 mm的微熱管作為主部,8根長(zhǎng)150 mm、寬80 mm的翅片作為副部,與主部成120°夾角.微熱管陣列模型如圖1所示,分別由IGBT模擬熱源,熱管主部,翅片副部3部分組成.在列車運(yùn)行中,翅片副部是裸露在外部,通過(guò)列車行駛產(chǎn)生的風(fēng)速將熱量快速傳出.為減小接觸熱阻給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的影響,IGBT模擬熱源與熱管之間采用導(dǎo)熱硅膠貼合.導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)為2.4 W/(m·K).為保證工質(zhì)流動(dòng)工況良好,在翅片與主部熱管貼合時(shí),將翅片基部20 mm左右圓滑彎曲一個(gè)弧度,以減小流動(dòng)阻力.主部與副部均采用丙酮作為工質(zhì),充液率為20 %.

實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)總共布置6個(gè),分別測(cè)3次,取平均值.主部從熱源中心起,相距100 mm依次為測(cè)點(diǎn)T0,T1,T2,副部微熱管翅片由下向上分別記1組～8組,1組中心為T(mén)3,4組中心為T(mén)4,5組中心為T(mén)5.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示, 主要由軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、模擬列車運(yùn)行的外部環(huán)境,風(fēng)量罩測(cè)量風(fēng)速、空氣溫度和濕度.變壓器調(diào)節(jié)熱源功率，數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)采集并導(dǎo)入電腦進(jìn)行作圖分析.設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1.

a.模型圖 b.X截面測(cè)點(diǎn)分布圖1 微熱管陣列模型及測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Micro heat pipe array model and measurementpoint distribution diagram

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

表1 設(shè)備參數(shù)Table 1 Equipment parameters

2 數(shù)據(jù)處理及工況分析

(1) 熱源功率計(jì)算公式

P=U×I

(1)

式中,P為IGBT模擬熱源功率,W;U為電壓表讀數(shù),V;I為電流表讀數(shù),A.

(2) 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式推導(dǎo)

(2)

(3)

(4)

式中,q為熱流密度,W;A為微熱管橫截面積,取2.4×10-4m2;λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/m·K;T,T′分別為微熱管測(cè)點(diǎn)兩端溫度,K.

(3) 努謝爾特關(guān)聯(lián)式推導(dǎo)

(5)

(6)

(7)

(8)

聯(lián)立式(5)～式(8) 可推導(dǎo)出常壁溫平板局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

(9)

設(shè)板長(zhǎng)為l,對(duì)其積分,并寫(xiě)成無(wú)量綱形式:

Nu=0.664Re1/2Pr1/3

(10)

(11)

式中,tm為定性溫度,℃;tf為流體溫度,℃即空氣溫度18 ℃.由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果各個(gè)微熱管翅片溫度變化不是特別大,故取各個(gè)風(fēng)速下微熱管翅片的平均溫度作為tw.

圖3為微熱管陣列T1至T5在不同風(fēng)速下各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度分布.由圖3可知,隨著風(fēng)速的不斷增加微熱管陣列T1至T5的溫度均不斷減小,T1至T2段溫降斜率較大,趨勢(shì)較為明顯,其中T2到T3段因微熱管翅片加大了散熱面積且T2處離熱源較近,以及微熱管工質(zhì)流動(dòng)動(dòng)力減弱的原因，使得溫降斜率最大,趨勢(shì)最為明顯.T3至T4與T4至T5段溫降速率明顯降低,這主要是因?yàn)榇怪睙峁芫嚯x熱源較遠(yuǎn)溫度較低,重力的阻力效果更加明顯,流動(dòng)工況惡化,造成垂直段遠(yuǎn)端溫度較低,進(jìn)而影響熱管翅片工質(zhì)的流動(dòng)工況,最終造成溫降空間分布不夠明顯.總體來(lái)說(shuō)，相較于T0至T1段溫差,其他部分較好地表現(xiàn)出了熱管的均溫性能.

圖3 不通風(fēng)速下微熱管陣列各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度分布Fig.3 Temperature distribution of each measurement point ofthe micro heat pipe array under no ventilation speed

經(jīng)計(jì)算,風(fēng)速為1.5 m/s時(shí),微熱管翅片Nu為16.6;風(fēng)速 3.0m/s時(shí),Nu為23.4;風(fēng)速4.5 m/s時(shí),Nu為28.5;風(fēng)速6 m/s時(shí),Nu為32.89.隨著風(fēng)速的增大,對(duì)流傳熱過(guò)程強(qiáng)度不斷增大,且增加趨勢(shì)越來(lái)越弱.可以考慮改變微熱管外表面結(jié)構(gòu),加大其粗糙度,增強(qiáng)擾動(dòng),減小邊界層厚度,使對(duì)流換熱極限進(jìn)一步提高.主部微熱管陣列風(fēng)速1.5 m/時(shí),λ=2.4×103;風(fēng)速3.0 m/s時(shí),λ=2.8×103;風(fēng)速4.5 m/s時(shí),λ=3.7×103;風(fēng)速6 m/s時(shí),λ=4.3×103.可以看出,隨著風(fēng)速的增大,微熱管陣列的導(dǎo)熱性能越來(lái)越好.

如圖4所示,熱源溫度T0隨著風(fēng)速的增加在不斷減小,未加入微熱管陣列之前,熱源溫度高達(dá)200 ℃,這個(gè)溫度已經(jīng)超過(guò)了輕軌牽引變流器IGBT模塊的安全溫度,加入微熱管陣列后即使風(fēng)速為1.5 m/s,熱源溫度也僅僅是59 ℃左右,并隨著風(fēng)速不斷增加溫度不斷下降且溫降速率不斷變大,風(fēng)速對(duì)散熱效果影響越來(lái)越明顯.即使輕軌運(yùn)行達(dá)到最高時(shí)速21.8 m/s，仍能保證IGBT模塊低于59 ℃,這個(gè)溫度已經(jīng)低于IGBT模塊的安全溫度.

圖4 不同風(fēng)速下熱源溫度變化圖Fig.4 Heat source temperature change diagramunder different wind speeds

模擬熱源溫度的變化更接近線性趨勢(shì)，這是比較合理的.由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性受到較多環(huán)境以及人為因素等制約，與模擬存在一定差異，模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大相差不超過(guò)5 %，基本吻合.通過(guò)模擬不同工況，分析溫?zé)峁荜嚵姓w的溫度云圖，為微熱管陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及環(huán)境參數(shù)對(duì)散熱性能的影響提供參考和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

3 數(shù)值模擬

ICEPAK數(shù)值模擬,建立以下基本控制方程.

(1) 連續(xù)性方程

(12)

(2) 動(dòng)量方程

(13)

(3) 能量方程

(14)

(4)k-ε方程

(15)

(5) 組分輸運(yùn)方程

(16)

求解器設(shè)置.仿真過(guò)程對(duì)整個(gè)計(jì)算域采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)目大約200萬(wàn)個(gè).環(huán)境溫度選擇18 ℃,對(duì)微熱管翅基部分進(jìn)行網(wǎng)格加密.

圖5是微熱管陣列在風(fēng)速6 m/s時(shí)的溫度分布云圖,可以看出此時(shí)的熱源最高溫度為43.5 ℃左右,實(shí)驗(yàn)最高溫度為45.3 ℃,相差4.1 %.垂直段距離熱源越遠(yuǎn),溫度逐漸降低,翅片段熱量由翅基導(dǎo)入,一部分沿翅片高度方向以導(dǎo)熱方式傳遞,一部分與空氣接觸以對(duì)流傳熱方式散出.由于距離熱源端較近的翅片翅基溫度較高,熱管效率也較高,熱阻相對(duì)較小,所以翅片平均溫度較高,與空氣的溫差也較大,隨之熱流密度較大.距離熱源較遠(yuǎn)的翅片遠(yuǎn)端逐漸接近空氣溫度,熱管散熱能力明顯降低.

圖6是風(fēng)速為4.5 m/s時(shí)微熱管陣列的溫度分布云圖,熱源最高溫度為46.9 ℃,實(shí)驗(yàn)最高溫度為48.5 ℃,相差3.2 %.垂直段溫度分布較為均勻,1,2,3組翅片溫度場(chǎng)較為相似,從第4組翅片開(kāi)始距離翅基越遠(yuǎn)溫度明顯降低,溫度分布不均勻現(xiàn)象開(kāi)始明顯,且越靠近翅端,溫度分布越接近空氣溫度,這說(shuō)明翅片散熱效率明顯降低.這為微熱管陣列在實(shí)際工程應(yīng)用中翅片組數(shù)提供了參考.

(a) Y截面 (b) X截面圖5 風(fēng)速6 m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.5 Temperature cloud map of the micro heat pipearray with a wind speed of 6 m/s

(a) Y截面 (b) X截面圖6 風(fēng)速4.5m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.6 Temperature cloud map of the micro heat pipearray with a wind speed of 4.5 m/s

圖7是風(fēng)速為3 m/s時(shí)微熱管陣列的溫度分布云圖,熱源最高溫度為52.7 ℃,實(shí)驗(yàn)最高溫度為55.6 ℃,相差5 %.1,2,3,4組翅片平均溫度最高,溫度差異主要表現(xiàn)在翅基附近,且溫度梯度較小,翅端溫度基本相同.5,6,7,8組翅端溫度開(kāi)始迅速降低,翅片的溫度梯度較大,這說(shuō)明熱管的散熱效率開(kāi)始明顯降低,但也高于4.5 m/s的散熱效率.

(a) Y截面 (b) X截面圖7 風(fēng)速3 m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.7 Temperature cloud map of micro heatpipe array with wind speed of 3 m/s

(a) Y截面 (b) X截面圖8 風(fēng)速1.5 m/s微熱管陣列溫度云圖Fig.8 Temperature cloud map of the micro heatpipe array with a wind speed of 1.5 m/s

圖8是風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)的微熱管陣列的溫度分布云圖,熱源最高溫度為57.9 ℃,實(shí)驗(yàn)最高溫度為59.8 ℃,相差3.3 %.1組翅片平均溫度最高,且分布較為均勻,由于與空氣溫差最大,所以熱流密度相較于其他組翅片最大,散熱效果最好.2組～8組翅片的溫度梯度逐漸增大,但相較于前3組翅端溫度最大,微熱管陣列的散熱效率最高.

4 結(jié)論

(1) 熱源隨著風(fēng)速的增大溫度降低且效果明顯,風(fēng)速為1.5 m/s時(shí),熱源溫度最高,58.8 ℃,遠(yuǎn)低于IGBT模塊工作的安全溫度.

(2) 在不同風(fēng)速下,微熱管陣列都表現(xiàn)出了較好的均溫性能,其中T2～T3段溫降趨勢(shì)最為明顯.

(3) 風(fēng)速增大,微熱管翅片的對(duì)流傳熱系數(shù)也明顯增大,風(fēng)速為6 m/s時(shí),Nu=32.89,約為風(fēng)速1.5 m/s時(shí)對(duì)流傳熱強(qiáng)度的2.0倍.

(4) 風(fēng)速增大,微熱管陣列主部導(dǎo)熱系數(shù)增大,增長(zhǎng)系數(shù)約為1.1,為高速電力機(jī)車的IGBT散熱提供了參考.

(5) 熱源的模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度相差不超過(guò)5 %,且為微熱管陣列翅片組數(shù)間距等參數(shù)提供了參考.