周麗銘, 劉涵毅, 柏立戰(zhàn)

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所， 北京 100081;2 北京航空航天大學(xué)， 北京 100191)

隨著高速鐵路車輛的快速發(fā)展，目前大部分車輛靠電力牽引，電力車體內(nèi)包含大量的強電設(shè)備。其中牽引變流器的核心部件IGBT在列車運行過程中，由于不斷進行開關(guān)切換而產(chǎn)生大量的熱，熱量隨著IGBT開關(guān)頻率的增加急劇上升，這些熱量若不及時有效的排散，功率元件IGBT會產(chǎn)生嚴重的熱疲勞、性能惡化、使用壽命縮短甚至過熱燒毀，不僅影響變流器的正常工作，嚴重情況甚至危及整個列車的安全運行[1]，因此,如何將IGBT工作過程產(chǎn)生的熱量進行及時、高效的排散成為影響、制約牽引變流器及大功率電子設(shè)備使用及進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。

1 牽引變流器冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀總結(jié)

目前，和諧號系列高速電動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)主要包括兩種構(gòu)成形式，一種是水冷卻系統(tǒng)；另外一種是常規(guī)熱管(重力熱管)冷卻系統(tǒng)。上面提到的兩種冷卻方式都存在各自的缺點，對于水冷方式，一方面，單相對流的換熱性能較差；另一方面，工質(zhì)的循環(huán)需要消耗額外的泵功，且泵的壽命和運行過程可能出現(xiàn)的泄漏也是這種冷卻方式的技術(shù)缺點。普通熱管多為金屬剛性體，且內(nèi)部存在氣液逆流現(xiàn)象，對其布置方式以及傳熱能力造成限制。盡管應(yīng)用普通熱管可以改善冷卻系統(tǒng)的工作性能，但對于大功率，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜場合，其適用性將受到挑戰(zhàn)，對于目前已有的幾種冷卻型式總結(jié)見表1。

2 冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 冷卻系統(tǒng)方案介紹

圖1是基于環(huán)路熱管的牽引變流器冷卻系統(tǒng)的原理示意簡圖。

牽引變流器中功率元件產(chǎn)生的廢熱經(jīng)導(dǎo)熱硅膠傳導(dǎo)至變流器底部的冷卻基板中，基板內(nèi)嵌入若干組環(huán)路熱管的蒸發(fā)器，毛細芯表面處的液體工質(zhì)在這里吸收由基板傳輸而來的熱量后蒸發(fā)，經(jīng)由蒸氣槽道匯集至蒸氣管線中。在毛細力的驅(qū)動下，蒸氣工質(zhì)循環(huán)至冷凝散熱器中，被散熱器冷邊的環(huán)境空氣所冷卻，放出熱量后重新凝結(jié)為液態(tài)并返回蒸發(fā)器中?？梢钥闯觯鋮s系統(tǒng)完全依靠毛細力維持循環(huán)，除了為風(fēng)機組供電的配套電機外，無需其他動力來源，和傳統(tǒng)的水冷系統(tǒng)相比，免去了水泵及膨脹水箱等大量附加裝置。同普通熱管相比，環(huán)路熱管具有以下突出優(yōu)點：(1)傳熱能力達普通熱管的10倍以上；(2)管線柔韌，結(jié)構(gòu)形狀多樣化，能夠滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)場合的使用需求；(3)可以實現(xiàn)遠距離傳遞熱量；(4)具有很強的反重力運行能力。

表1 和諧號動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)[2-6]

1-儲液器；2-毛細芯；3-散熱元件；4-蒸氣槽道；5-蒸氣管線；6-冷卻基板；7-冷凝器；8-風(fēng)機組。圖1 冷卻系統(tǒng)工作原理示意圖

如圖1所示，整個冷卻系統(tǒng)吊裝在動車車體下方，作為熱沉的環(huán)境空氣的進風(fēng)方向為動車兩側(cè)?？諝饨?jīng)風(fēng)機增壓加速后，按照預(yù)設(shè)的流量和風(fēng)速垂直向下流動，與冷凝管中的兩相工質(zhì)換熱；隨后高溫空氣繼續(xù)向下流動并垂直噴向鐵軌。

2.2 散熱功率和溫控要求

冷卻系統(tǒng)的散熱量要根據(jù)待冷卻系統(tǒng)在不同工況下所能產(chǎn)生的最大熱量來確定[7]，這是冷卻系統(tǒng)設(shè)計的原則之一，對于動車組牽引變流器而言，設(shè)計的冷卻系統(tǒng)散熱量必須大于變流器在不同工作條件下的最大功率損耗；并且當列車運行在可能的高溫環(huán)境中時，變流器各功率模塊的溫度也必須控制在警戒值以下。經(jīng)過大量的文獻調(diào)研，取環(huán)境溫度為中國夏季白天的最高溫度40 ℃，并以68 kW為基準，再留有5%的余量，即以71.4 kW的散熱功率作為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)，此條件能滿足絕大多數(shù)情況下動車組牽引變流器的冷卻需求。檢驗冷卻系統(tǒng)是否合格的重要依據(jù)是牽引變流器各功率模塊的溫度能否控制在60 ℃左右[4]的正常工作范圍內(nèi)，并且最高工作溫度不得超過64 ℃的警戒值。

2.3 環(huán)路熱管的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和布置

圖2是動車組牽引變流器的功率模塊實物圖，該模塊占整個牽引變流器的1/4，其尺寸大約為626×460×192 (mm)[8]。模塊的底部是一整塊冷卻基板，牽引變流器中IGBT等電子元件緊密裝貼、固定在冷卻基板的外表面，兩者之間涂有導(dǎo)熱硅脂，以減小元件和冷卻基板的溫差。

圖2 牽引變流器功率模塊實物圖

當牽引變流器工作時，IGBT元件中由于功率損耗產(chǎn)生的廢熱將通過導(dǎo)熱的方式，傳輸至冷卻基板。在水冷系統(tǒng)中，冷卻基板內(nèi)設(shè)有液體流道，功率元件的廢熱由冷卻水帶走；而在基于環(huán)路熱管的冷卻系統(tǒng)中，液體流道被環(huán)路熱管的蒸發(fā)器以及一小段蒸氣管線所取代，如圖3所示。其中，蒸發(fā)器嵌入冷卻基板中，管內(nèi)液體工質(zhì)在這里吸收熱量后蒸發(fā)，經(jīng)蒸氣槽道匯集后流向外回路的蒸氣管線。

根據(jù)功率模塊的實際尺寸，計劃采用8根環(huán)路熱管對稱布置，如圖4所示。蒸發(fā)器長度設(shè)定為Leva=230 mm，不能直接受熱的儲液器與冷卻基板邊緣留有20 mm的安全距離；兩組對稱的環(huán)路熱管蒸發(fā)器末端留有40 mm的空間，用于蒸氣管線的引出。蒸發(fā)器管徑設(shè)定為φ20×1 mm。由于蒸發(fā)器管殼非常薄，蒸發(fā)器內(nèi)的蒸氣溫度和外殼溫度相差很小，因此工程上通?？梢詫⒄舭l(fā)器殼體外的溫度作為環(huán)路熱管的工作溫度[9]，即：Tsat=60 ℃。

2.3.2毛細芯的參數(shù)和性能

由圖3可知，環(huán)路熱管的蒸發(fā)器從外向內(nèi)的結(jié)構(gòu)依次是蒸發(fā)器管殼、毛細芯體、液體干道。其中，毛細芯是蒸發(fā)器乃至環(huán)路熱管的核心部件，它為工質(zhì)循環(huán)提供所需的動力。毛細芯的主要設(shè)計參數(shù)包括：毛細芯外徑、毛細芯內(nèi)徑、毛細芯體厚度、槽肋寬度、孔隙度、滲透率和最大孔徑等。由于毛細芯外壁緊貼蒸發(fā)器管殼，毛細芯外徑和蒸發(fā)器內(nèi)徑相等，即do,w=18 mm。毛細芯厚度同時影響了系統(tǒng)的毛細極限和沸騰極限，通常毛細芯越厚，流體在芯內(nèi)的阻力和壓降越大，但蒸發(fā)器熱載荷經(jīng)毛細芯體向液體干道的漏熱卻相應(yīng)減少，毛細芯肋中心下部的液體達到核態(tài)沸騰所需的過熱度稍有增大，因此毛細芯厚度的設(shè)計必須綜合考慮兩方面的因素[8]。考慮到動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)的熱載荷較大，本例中取δw=8 mm，則毛細芯體的內(nèi)徑為di,w=10 mm。

圖3 冷卻基板及蒸發(fā)器剖面示意圖

圖4 環(huán)路熱管組的蒸發(fā)器布置圖

除了芯體厚度，肋槽比和槽肋寬度也會直接影響到芯體的性能，主要也是體現(xiàn)在最大壓降和最大過熱度兩個方面，一方面，在加工工藝允許的前提下，應(yīng)盡量減小槽肋寬度。另一方面，肋中心過熱度在肋槽比等于0.5附近存在一個最低值，因此應(yīng)盡量將肋和槽的寬度設(shè)定為相等。綜上所述，可將肋的寬度和蒸氣槽道的寬度均取為0.2 mm。毛細芯相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)路熱管毛細芯設(shè)計參數(shù)表

2.3.3環(huán)路熱管的管線參數(shù)

采用柔性不銹鋼作為環(huán)路熱管的管線材料，管線密度ρ=7 710 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)λ=22 W/(m·k)。該種材料的管線內(nèi)壁光滑，流阻較小，且彎曲性強，便于安裝。

整個動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)計劃采用32組相同的環(huán)路熱管(一個牽引變流器系統(tǒng)有4個功率模塊)，每組環(huán)路熱管的熱負荷為：

通過建立環(huán)路熱管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行模型，經(jīng)多次調(diào)整參數(shù)、反復(fù)計算，得到了一組兼顧各方的較優(yōu)解，如表3所示。

表3 管線參數(shù)較優(yōu)解

2.3.4循環(huán)工質(zhì)的選用

環(huán)路熱管的工質(zhì)選用綜合兩個方面問題：(1)工質(zhì)的臨界溫度必須高于最大工作溫度；(2)工質(zhì)與環(huán)路熱管殼體材料必須相容。在一定的工作溫度范圍內(nèi)，可能有多種工質(zhì)同時滿足上述條件，

根據(jù)目前常用的參數(shù)Dunbar因數(shù)和Merit因數(shù)，通過文獻[10]的對比，在60 ℃左右的工作溫度下，氨的綜合性能占據(jù)了絕對優(yōu)勢。氨與不銹鋼材料也具有良好的相容性。綜上所述，選擇氨(R717)作為該冷卻系統(tǒng)下環(huán)路熱管的工作介質(zhì)。

2.3.5儲液器體積和工質(zhì)充裝量

環(huán)路熱管系統(tǒng)的工質(zhì)充裝量、儲液器的形狀和體積都對環(huán)路熱管的正常啟動和運行具有重要意義。這兩個參數(shù)通常要由以下兩種工況共同決定[11]：

mfluid=ρhot,l(αVCC+VLC+εV+Vl)+

ρhot,v((1-α)VCC+Vgro+Vv+Vcond)

其中，參數(shù)α表示最熱工況下儲液器內(nèi)儲存的液體工質(zhì)的體積占儲液器總體積的百分比，考慮到實際應(yīng)用中環(huán)路內(nèi)不凝性氣體的影響，最終取α=0.92。

mfluid=ρcold,l(βVCC+εVw+Vgro+Vv+

Vcond+Vl)+ρcold,v(1-β)VCC

其中，參數(shù)β表示最冷工況下儲液器內(nèi)剩余液體工質(zhì)的體積占儲液器總體積的百分比，通常β越小，儲液器體積和工質(zhì)充裝量越小?？紤]到實際安裝誤差和地形坡度等影響，本設(shè)計中取β=0.05。

R717工質(zhì)在以上兩種工況下的部分物性參數(shù)如下：

表4 R717工質(zhì)物性參數(shù)

聯(lián)立兩項方程，代入已知數(shù)據(jù)，可求得儲液器體積為：

VCC=42.9 cm3

環(huán)路熱管的工質(zhì)充裝量為：

mfluid=48.5 g

若儲液器采用φ36×1 mm的圓柱形結(jié)構(gòu)，則其高度為：

2.3.6冷凝散熱器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計，環(huán)路熱管的蒸氣管線從冷卻基板引出后，在冷凝器入口處分成十根并聯(lián)的冷凝管線。冷凝管線沿+x軸方向進入換熱器，管內(nèi)兩相工質(zhì)被管外空氣冷卻，隨后繼續(xù)沿+x軸方向離開換熱器，并在散熱器出口外重新合并為一根液體管線返回蒸發(fā)器。該部分的結(jié)構(gòu)示意可參考圖5。

考慮到整個冷卻系統(tǒng)吊裝在車架下，散熱器的深度不能太厚，另一方面由于空氣在散熱器中沿流經(jīng)方向溫度不斷升高，為了保證冷卻效果，散熱器中的管線排數(shù)也不宜過多，一般以4～8排管路為宜[12]，因此本設(shè)計中計劃采用5排管線的布置，如圖6所示。

初設(shè)迎面風(fēng)速uy,air=7.04 m/s，冷凝管選用φ3×0.4 mm的柔性不銹鋼管，橫向管排距設(shè)計為srow=9.6 mm，縱向管列距設(shè)計為scol=10.8 mm。由于冷凝管線沿氣流方向的排數(shù)為nrow=5，而每組環(huán)路熱管采用10根并聯(lián)冷凝管線，至少需要占據(jù)兩列的空間，因此換熱器垂直于氣流方向的管列數(shù)應(yīng)為ncol=60。翅片采用厚度為δf=0.2 mm的薄鋁片，翅片間距sf=1.6 mm，翅片導(dǎo)熱系數(shù)λf=236 W/(m·k)。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，可計算散熱器的有效長度、高度、深度分別為：

圖5 并聯(lián)冷凝管線出口處結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 換熱器管路布置示意圖

LHT=Lcond=960 mm

HHT=ncolscol=691.2 mm

δHT=nrowsrow=48.0 mm

由于該冷凝散熱器采用順排套片式結(jié)構(gòu)，需要將預(yù)先沖孔的肋片用套片機套在管束上，肋片根部帶有雙翻邊，用以確保套裝后的肋片間距以及與基管的緊密貼合。套片后翅片間冷凝管的實際基管外徑為：

db,cond=do,cond+2δf=3.4 mm

2.3.7風(fēng)機組的選用

根據(jù)已得散熱器的有效長度、高度和深度值計算散熱器的迎風(fēng)面積為：

Ay=LHTHHT=0.663 6 m2

則實際的迎面風(fēng)速為：

其中，空氣的體積流量(風(fēng)機風(fēng)量)為：

=4.5916 (m3/s)=16 530 (m3/h)

根據(jù)文獻[12]，計劃采用兩臺T4-72 NO.6型離心式風(fēng)機，該型號風(fēng)機具有效率高、噪聲低、體積小等優(yōu)點。兩臺風(fēng)機計劃采用對稱布置，其基本參數(shù)如表5所示。

3 牽引變流器環(huán)路熱管冷卻系統(tǒng)的傳熱極限校核模擬分析

傳統(tǒng)熱管在運行的過程中需要考慮攜帶限、毛細限、黏性限、聲速限和沸騰限等傳熱極限[13]。由于環(huán)路熱管不同于傳統(tǒng)熱管，其氣液管道相互獨立，故不存在氣液工質(zhì)的攜帶限；由于本系統(tǒng)中采用R717非金屬工質(zhì)，故一般也無需考慮黏性限和聲速限[8]，因此主要考慮冷卻系統(tǒng)的毛細極限和沸騰極限。

表5 T4-72 NO.6型離心式風(fēng)機參數(shù)表

環(huán)路熱管毛細限的含義是：一個循環(huán)內(nèi)，吸液芯提供的毛細力必須能夠克服工質(zhì)循環(huán)過程中一切壓力損失，否則熱管循環(huán)將失效，即：

Δpmax,w≥Δptot=Δpout+Δpw

根據(jù)穩(wěn)態(tài)模型，環(huán)路熱管總壓降為：

Δphot=Δpgro+Δpv+Δpcond+Δpl+Δpw+Δpg=

3.292 4×103(Pa)

而毛細芯可以提供的最大毛細力為：

可見，由于Δpmax,w>Δphot，該設(shè)計系統(tǒng)滿足環(huán)路熱管的毛細極限。

環(huán)路熱管沸騰限的含義是：當蒸發(fā)器熱流密度到某一達臨界值時，毛細芯肋部中心處的液體工質(zhì)溫度將達到其核態(tài)沸騰所需的過熱度，從而產(chǎn)生蒸氣氣泡，并在毛細芯內(nèi)形成新的氣液界面，誘發(fā)蒸發(fā)過程在毛細芯內(nèi)部進行，導(dǎo)致傳熱惡化。引發(fā)這一過程的過熱度大小的計算公式為：

其中，核化半徑rc與毛細芯材料、表面狀況、工質(zhì)物性都有關(guān)系，通常對于充注高純度工質(zhì)的環(huán)路熱管，rc一般可取10-8～10-7m[14]。若折中取rc=5×10-8m，則：

ΔTsup=9.374 1 K

實際上，工質(zhì)的正常工作溫度為59.453 1 ℃，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計最大工作溫度為64 ℃，即：

ΔTsup=9.374 1 K>Tmax-Tsat=4.546 9 K

因此，正常工作條件下系統(tǒng)不會達到沸騰極限，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計有效。

4 結(jié) 論

介紹了基于環(huán)路熱管的動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計過程，包括冷卻系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)布局，系統(tǒng)散熱功率及溫控要求、環(huán)路熱管及冷凝散熱器各部件參數(shù)的確定，其內(nèi)容基本涵蓋了設(shè)計思路、數(shù)據(jù)來源、文獻分析、計算推導(dǎo)、結(jié)果優(yōu)化等各項方面。

所有計算結(jié)果表明，所設(shè)計的冷卻系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)有動車組牽引變流器的冷卻功率需求和實際尺寸限制，同時還預(yù)留了一定的裕度。此外，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)為散熱功率71.4 kW、熱沉溫度40 ℃的極端情況，由于絕大多數(shù)條件下動車組牽引功率小于71.4 kW，環(huán)境溫度一般也低于40 ℃，可知本冷卻系統(tǒng)可以滿足目前大部分動車組的實際需求。

此外，由于文中旨在滿足絕大多數(shù)使用條件的情況下，盡可能減小冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，避免不必要的浪費，因此忽略了某些特殊需求。例如，對于某些運行于高溫戈壁地區(qū)的動車組，由于外界環(huán)境溫度較高，本冷卻系統(tǒng)可能不能完全提供預(yù)設(shè)的制冷量。如有類似需求，可通過本章給出的穩(wěn)態(tài)模型進一步調(diào)整冷卻系統(tǒng)的各項參數(shù)來實現(xiàn)。