韩青
中车永济电机有限公司 陕西西安 044502
摘要:目前社会经济水平的持续提高,促进科研领域的快速发展进步,尤其是在铁路动车以及电子技术等各个领域中具有明显的成就。电子元件等相关设备在动车组运行中起到非常关键的作用,特别是用在变流器大功率IGBT模块当中。当前,电子元件陆续向大功率密度发展,随即高发热量会造成设备高温的情况,对于设备正常工作造成极大的影响,不断提高动车组工作运行成本,而且对行车的安全性造成隐患。所以对动车组变流器用散热器展开优化设计,确保设备平稳安全运行是非常关键的。
关键词:动车组;变流器;散热器;优化设计
在快速发展的动车领域,尤其是动车组变流器大功率IGBT模块,散热冷却设计非常重要,这关乎到动车高速运行中的平稳性,对于动车安全运行与技术提升具有十分关键的作用。本文将针对动车变流器散热器设计内容进行分析。
一、散热器设计主要原理
通常电子发热设备冷却设计的主要步骤包含选择冷却物质类型,流量与流向,明确设备材料和散热器结构设计等等。当前常用散热器包括风冷式、水冷式以及热管散热器,不同散热标准要基于具体状况选择适当的散热器种类。通常电子元件散热形式包含两种,即主动散热法与被动散热法。合理的散热方式是直接影响散热器质量、性能与成本的主要因素。散热冷却主要方式有几种。
(一)自然冷却
自然冷却是被动式散热的一种,适用在小功率电子设备中,电子元件运行时,表面温度必定会上升,在其温度高于周边自然温度时,就会利用空气对流换热的形式向周边环境传递热量,此种无需辅助设施的散热就是自然冷却。此种设计简便、成本低、无噪音,便于后期维护。此种方式容易受周边环境的影响,在空气流通慢时,散热会略差。所以,自然冷却只可用在散热标准较低的电子元件与不便运用其余冷却方法的状况下。
(二)强迫空气冷却
此种方式是主动是散热,运用空气对流换热原理,利用风机让空气通过外来按设定目标元件运行,吸走元件热量。按照风机的工作原理可以分成抽风式冷却与送风式冷却,对均匀散热的设备看运用抽风式,不均匀散热可使用送风式。此种冷却方式设计简单、作用明显,被广泛运用在电子元件散热当中,其冷却指标比自然冷却要高出两倍。可是空气比热容小、噪声大,并且风机启动停止对于设备会产生电磁干扰。为强化此种方式的效果,可运用提升空气对流量、增强空气与散热器表面接触的形式,提升对流换热要求。散热器优化设计方式包含,在散热器加入肋片、提高空气流速、运用射流模式等,空气射流可能把散热性能提高近10倍。
(三)相变冷却
自然界物质分成三种相态,即固态、气态与液态。在物质相态出现变化时,会放热或吸热。
相变冷却有几个特性,相变问题与其需要的电子设备工作温度相似;周边环境温度与电子元件温度要分别在相变温度两边;在此过程中,材料温度通常不会产生变化,相变冷却能够运用在太阳能与航空领域。由于热管半径较小,管中具有毛细力,液体在凝固位置送到蒸发位置,充分施展冷却作用。热管换热时无需借助外力,无噪声、无污染,散热良好、冷却介质无需常更换,这让其在电子设备散热领域具有一定的发展空间。可是其也具有相应的问题,对原料、内部洁净度、生产技术具有很高的标准,维修难度高,工作范畴小,如若超过限定就会损坏。
(四)液体冷却方式
伴随信息技术的发展进步,电子器件逐渐向小型化、大功率发展。以往气体冷却技术已无法达到目前大功率冷却标准,所以液体冷却方式成为当前主要研究课题。液体冷却是运用液体对电子设备展开散热冷却。其设计中冷却介质类型选择与明确方式非常关键,当前常见的方式有两种,即喷淋冷却与射流冷却。
(五)热电冷却方式
在特定环境下,电量与热量可相互转化。热电冷却属于新型技术,运用温差和热电效应实现散热冷却。其原理是凭借半导体进行吸热,半导体原料通电后产生电偶,可将热量进行吸收与释放,电子元件把热量传输给半导体吸热处,以此进行散热。此种方式的特点,首先无需机械加入,噪声低、耗能低;其次,废热利用,电力能够转变成热量利用,也可直接应用。最后,能够加速冷却,操作简便。可是此种方式具有一定的理论性,效率较低,当前实践运用并不多。
二、散热器的类型
(一)微通道式散热器
其通道尺寸微小,可小至几十μm,要利用光刻或是蚀刻的形式在基片上进行加工,冷却流体经过微通道和散热器对流换热完成后带走热量。微通道中若另加翅片,换热面积便会大大提升,进而提升散热成效。目前有关领域对单层微通道式散热器具有广泛的研究,具有良好的散热性,有效降低电子设备温度,均匀冷却。可是两层通道散热器还在初期研究当中,技术并不成熟。因为其尺寸微小,因此,组多散热器的计算公式与原理在此散热器中并不适用。当前,对此种散热器的研究并不健全,依旧存在许多问题。可是此种散热器具有良好的性能,特别在电子元件运用当中具有很大发展前景,有一定的研究价值。
(二)板翅式散热器
此种散热器具有体型小、效率高等特点,可是也具有生产技术繁琐、标准高等弊端。因为此种散热器结构紧凑,容易发生堵塞现象,在生产制作中还具有如翅片加工、清洗与性能检验等情况,因此此种散热器的研制还需要进一步提升制造水准。此种散热器翅片与封条固定在邻近隔板间,形成多个通道夹层。这样的通道根据指定形式进行排列,和组建形成板束。按照流体的实际流动标准对像相应数量的板束展开钎焊,制作成整体,形成芯体。芯体是此种换热器的主要元件,另外在加装封头、接管等就组成板翅式换热器。
(三)冷板式散热器
冷板属于热交换器,基于形式而言和板翅式相似,其由肋片、底板、盖板构成,冷板内部全部流道中流动相同的介质。冷板肋片与外壳通常运用导热性能良好的金属与非金属,如此能够让表面温度均匀。其主要运行原理是把电子设备放在冷板盖板上方,低温的冷却介质运用强制对流模式和接受热量的盖板与肋片相连,把热量带出冷板。
结束语:
基于设计条件基础上,动车组变流器用散热器中流体温度顺出口位置不断提高,高温分布基于散热器结构的差异具有很大的不同,对散热器方式展开优化设计能够提升散热成效。
参考文献:
[1]潘晓燕. 动车组变流器用散热器优化设计. 北京建筑大学, 2019.
[2]高峰,张毅,潘晓燕.动车组IGBT模块高效散热器设计[J].制冷学报,2020,041(006):150-158.
[3]范斌.探究某型动车组牵引变流器散热设计[J].中国航班,2020,000(003):P.1-3.