基于環(huán)路熱管的動(dòng)車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與模擬分析

周麗銘, 劉涵毅, 柏立戰(zhàn)

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(qiáng)電設(shè)備。其中牽引變流器的核心部件IGBT在列車運(yùn)行過(guò)程中，由于不斷進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換而產(chǎn)生大量的熱，熱量隨著IGBT開(kāi)關(guān)頻率的增加急劇上升，這些熱量若不及時(shí)有效的排散，功率元件IGBT會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱疲勞、性能惡化、使用壽命縮短甚至過(guò)熱燒毀，不僅影響變流器的正常工作，嚴(yán)重情況甚至危及整個(gè)列車的安全運(yùn)行[1]，因此,如何將IGBT工作過(guò)程產(chǎn)生的熱量進(jìn)行及時(shí)、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(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 牽引變流器冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀總結(jié)

目前，和諧號(hào)系列高速電動(dòng)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(diǎn)，對(duì)于水冷方式，一方面，單相對(duì)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(yùn)行過(guò)程可能出現(xiàn)的泄漏也是這種冷卻方式的技術(shù)缺點(diǎn)。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(duì)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(duì)于大功率，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜場(chǎng)合，其適用性將受到挑戰(zhàn)，對(duì)于目前已有的幾種冷卻型式總結(jié)見(jiàn)表1。

2 冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jiǎn)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(xì)芯表面處的液體工質(zhì)在這里吸收由基板傳輸而來(lái)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(xì)力的驅(qū)動(dòng)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。可以看出，冷卻系統(tǒng)完全依靠毛細(xì)力維持循環(huán)，除了為風(fēng)機(jī)組供電的配套電機(jī)外，無(wú)需其他動(dòng)力來(lái)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(diǎn)：(1)傳熱能力達(dá)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(chǎng)合的使用需求；(3)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳遞熱量；(4)具有很強(qiáng)的反重力運(yùn)行能力。

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

1-儲(chǔ)液器；2-毛細(xì)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(jī)組。圖1 冷卻系統(tǒng)工作原理示意圖

如圖1所示，整個(gè)冷卻系統(tǒng)吊裝在動(dòng)車車體下方，作為熱沉的環(huán)境空氣的進(jìn)風(fēng)方向?yàn)閯?dòng)車兩側(cè)?？諝饨?jīng)風(fēng)機(jī)增壓加速后，按照預(yù)設(shè)的流量和風(fēng)速垂直向下流動(dòng)，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(dòng)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(lái)確定[7]，這是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則之一，對(duì)于動(dòng)車組牽引變流器而言，設(shè)計(jì)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(dāng)列車運(yùn)行在可能的高溫環(huán)境中時(shí)，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(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研，取環(huán)境溫度為中國(guó)夏季白天的最高溫度40 ℃，并以68 kW為基準(zhǔn)，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(jì)依據(jù)，此條件能滿足絕大多數(shù)情況下動(dòng)車組牽引變流器的冷卻需求。檢驗(yàn)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(guò)64 ℃的警戒值。

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

2.3.1蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和布置

圖2是動(dòng)車組牽引變流器的功率模塊實(shí)物圖，該模塊占整個(gè)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(shí)物圖

當(dāng)牽引變流器工作時(shí)，IGBT元件中由于功率損耗產(chǎn)生的廢熱將通過(guò)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(shí)際尺寸，計(jì)劃采用8根環(huán)路熱管對(duì)稱布置，如圖4所示。蒸發(fā)器長(zhǎng)度設(shè)定為L(zhǎng)eva=230 mm，不能直接受熱的儲(chǔ)液器與冷卻基板邊緣留有20 mm的安全距離；兩組對(duì)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(xì)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(xì)芯體、液體干道。其中，毛細(xì)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(dòng)力。毛細(xì)芯的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：毛細(xì)芯外徑、毛細(xì)芯內(nèi)徑、毛細(xì)芯體厚度、槽肋寬度、孔隙度、滲透率和最大孔徑等。由于毛細(xì)芯外壁緊貼蒸發(fā)器管殼，毛細(xì)芯外徑和蒸發(fā)器內(nèi)徑相等，即do,w=18 mm。毛細(xì)芯厚度同時(shí)影響了系統(tǒng)的毛細(xì)極限和沸騰極限，通常毛細(xì)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(xì)芯體向液體干道的漏熱卻相應(yīng)減少，毛細(xì)芯肋中心下部的液體達(dá)到核態(tài)沸騰所需的過(guò)熱度稍有增大，因此毛細(xì)芯厚度的設(shè)計(jì)必須綜合考慮兩方面的因素[8]?？紤]到動(dòng)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(xì)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(huì)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(guò)熱度兩個(gè)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(guò)熱度在肋槽比等于0.5附近存在一個(gè)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(xì)芯相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)路熱管毛細(xì)芯設(shè)計(jì)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(qiáng)，便于安裝。

整個(gè)動(dòng)車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)計(jì)劃采用32組相同的環(huán)路熱管(一個(gè)牽引變流器系統(tǒng)有4個(gè)功率模塊)，每組環(huán)路熱管的熱負(fù)荷為：

通過(guò)建立環(huán)路熱管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型，經(jīng)多次調(diào)整參數(shù)、反復(fù)計(jì)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(gè)方面問(wèn)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(shí)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(guò)文獻(xiàn)[10]的對(duì)比，在60 ℃左右的工作溫度下，氨的綜合性能占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。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(chǔ)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(chǔ)液器的形狀和體積都對(duì)環(huán)路熱管的正常啟動(dòng)和運(yùn)行具有重要意義。這兩個(gè)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(chǔ)液器內(nèi)儲(chǔ)存的液體工質(zhì)的體積占儲(chǔ)液器總體積的百分比，考慮到實(shí)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(chǔ)液器內(nèi)剩余液體工質(zhì)的體積占儲(chǔ)液器總體積的百分比，通常β越小，儲(chǔ)液器體積和工質(zhì)充裝量越小?？紤]到實(shí)際安裝誤差和地形坡度等影響，本設(shè)計(jì)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(xiàng)方程，代入已知數(shù)據(jù)，可求得儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)，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(jìn)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(kāi)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(gè)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(guò)多，一般以4～8排管路為宜[12]，因此本設(shè)計(jì)中計(jì)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(jì)為srow=9.6 mm，縱向管列距設(shè)計(jì)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(jì)，可計(jì)算散熱器的有效長(zhǎng)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(jī)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(shí)際基管外徑為：

db,cond=do,cond+2δf=3.4 mm

2.3.7風(fēng)機(jī)組的選用

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

Ay=LHTHHT=0.663 6 m2

則實(shí)際的迎面風(fēng)速為：

其中，空氣的體積流量(風(fēng)機(jī)風(fēng)量)為：

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

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，計(jì)劃采用兩臺(tái)T4-72 NO.6型離心式風(fēng)機(jī)，該型號(hào)風(fēng)機(jī)具有效率高、噪聲低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)計(jì)劃采用對(duì)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(yùn)行的過(guò)程中需要考慮攜帶限、毛細(xì)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(dú)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(wú)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(xì)極限和沸騰極限。

表5 T4-72 NO.6型離心式風(fēng)機(jī)參數(shù)表

環(huán)路熱管毛細(xì)限的含義是：一個(gè)循環(huán)內(nèi)，吸液芯提供的毛細(xì)力必須能夠克服工質(zhì)循環(huán)過(guò)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(xì)芯可以提供的最大毛細(xì)力為：

可見(jiàn)，由于Δpmax,w>Δphot，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足環(huán)路熱管的毛細(xì)極限。

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

其中，核化半徑rc與毛細(xì)芯材料、表面狀況、工質(zhì)物性都有關(guān)系，通常對(duì)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(shí)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(jì)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(huì)達(dá)到沸騰極限，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)有效。

4 結(jié) 論

介紹了基于環(huán)路熱管的動(dòng)車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)思路、數(shù)據(jù)來(lái)源、文獻(xiàn)分析、計(jì)算推導(dǎo)、結(jié)果優(yōu)化等各項(xiàng)方面。

所有計(jì)算結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)有動(dòng)車組牽引變流器的冷卻功率需求和實(shí)際尺寸限制，同時(shí)還預(yù)留了一定的裕度。此外，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)車組的實(shí)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(fèi)，因此忽略了某些特殊需求。例如，對(duì)于某些運(yùn)行于高溫戈壁地區(qū)的動(dòng)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(guò)本章給出的穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)一步調(diào)整冷卻系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。