鄧育鋒 戰(zhàn)乃巖 張雯琦 陳 昕

（吉林建筑大學 吉林長春）

1 引言

大功率牽引變流器的散熱方式有多種，如強迫風冷、水冷、油冷、走行風冷等[5]。走形風冷是利用機車行駛時，周圍空氣相對機車的運動與翅片通過強制對流散熱，結(jié)構(gòu)簡單且不需要附加動力。因此眾多學者提出“熱管散熱器+走行風冷”方式進行牽引變流器的散熱，并對散熱效果進行了數(shù)值模擬和實驗驗證。Meng Y J等[1]使用專業(yè)熱分析軟件ICEPAK對已設(shè)計出的IGBT熱管散熱器進行數(shù)值模擬，得出不同工況下的溫度場分布，驗證該散熱器散熱效果。同時對模擬結(jié)果進行分析后優(yōu)化出最優(yōu)結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更加經(jīng)濟。

為提高熱管導(dǎo)熱效率，人們開始考慮將多根微型熱管集成起來。早在20世紀90年代Peterson G P等[2]提出了“微熱管簇”的概念，針對矩形截面和三角形截面，在硅片上進行了實驗研究。近年來，中國學者Zhao Y H等[3]提出了完全意義上的平板微熱管陣列，見圖1所示。

圖1 平板微熱管陣列外觀

本文在已經(jīng)設(shè)計好的平板微熱管陣列散熱器的基礎(chǔ)上，根據(jù)穩(wěn)態(tài)得到的結(jié)果對平板微熱管陣列散熱器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。使之在保證IGBT模塊低于結(jié)溫的前提下，運用更少的平板微熱管陣列，采用更簡單的平板微熱管散熱器結(jié)構(gòu)，來減小機車牽引變流器散熱器體積、重量，節(jié)省材料成本。

2 平板微熱管陣列散熱器優(yōu)化設(shè)計

2.1 翅片厚度優(yōu)化

通過綜合考慮翅片成本和工藝性，翅片的厚度從1mm，2mm，3mm，4mm中選擇?？刂瞥崞钠瑪?shù)和面積不變，保持平板微熱管陣列的長度不變，分別模擬翅片厚度為1mm，2mm，3mm，4mm的工況。網(wǎng)格劃分的方法和邊界條件與上文相同。

顯然本次優(yōu)化的目的是降低熱源最高溫度，使其低于結(jié)溫，因此主要以熱源的最高溫度衡量優(yōu)化效果。圖2為使用不同厚度的翅片散熱，熱源溫度模擬結(jié)果。

根據(jù)模擬結(jié)果，只考慮翅片厚度的前提下，厚度為3mm的翅片的散熱效果最好。

2.2 翅片片數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上文的模擬結(jié)果和分析，考慮減少翅片的片數(shù)來增加翅片間距的方法，并探究是否可以改善散熱情況。由于厚度為1mm和2mm的翅片在翅片間距已經(jīng)大于3mm和4mm的情況下散熱效果仍不如后者，因此在本次模擬時不予考慮。故本次僅優(yōu)化3mm與4mm厚的翅片，分別把翅片數(shù)量從原來的20個變成17個。

圖2不同厚度翅片對應(yīng)的熱源溫度

圖3 為翅片數(shù)分別為17片和20片的情況下，不同翅片厚度散熱器熱源的最高溫度對比情況。

圖3 不同翅片厚度散熱器熱源的最高溫度對比

從圖3可以看出，減少翅片片數(shù)可以在一定程度上改善散熱情況，不過翅片數(shù)目過少也會使散熱效果變差。因此當厚度為4mm翅片的片數(shù)減少至16片時，熱源溫度上升至近80.9℃，高于17片時的79.7℃，

3 結(jié)論

通過對平板微熱管陣列散熱器的翅片厚度和片數(shù)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在平板微熱管陣列長度保持不變的情況下，翅片的厚度與翅片的片數(shù)是一對矛盾因素。對比優(yōu)化前后的平板微熱管陣列散熱器機構(gòu)，熱源最高溫度從93℃降到71℃，降低23.7%，效果理想。

[1]孟玉靜.熱管散熱器冷卻城軌車電氣元件的研究[D].大連：大連交通大學，2014.

[2]PetersonGP，MallikAK.Transientresponsecharacteristicsofvapordeposited microheatpipearrays[J].JournalofElectronPacking，1995，117（3）：82～87.

[3]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.