軌道交通車輛風(fēng)冷散熱器傳熱優(yōu)化研究

宋郭蒙，王雄，黃南，陳燕平，竇澤春，吳智勇

(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南株洲，412000)

當(dāng)前軌道交通大功率變流設(shè)備所使用的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器中，多為在散熱器基板一側(cè)設(shè)肋(翅)片，另一側(cè)安裝功率器件的結(jié)構(gòu)，即翅片散熱器[1]。根據(jù)加工工藝的區(qū)別，翅片散熱器也分為鏟齒、嵌片、型材、焊接等類型[2?3]。翅片散熱器結(jié)構(gòu)簡單，對運(yùn)行條件的要求低，只需要風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和散熱器組合即可，且散熱效果受環(huán)境影響小，因此，型材散熱器具有性能穩(wěn)定、質(zhì)量小、故障點(diǎn)少、價格低等優(yōu)點(diǎn)。

但是，當(dāng)前在用的翅片散熱器多為鋁材質(zhì)，受材料熱導(dǎo)率限制，當(dāng)功率器件的熱損耗增大時，會出現(xiàn)以下問題：一是散熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)的熱源區(qū)域會出現(xiàn)較大溫差，散熱器均溫性變差；二是散熱器的肋效率受熱導(dǎo)率限制，單純通過提高風(fēng)速難以有效地降低散熱器的溫升[4]。當(dāng)前在地鐵逆變器等熱損耗相對較低的設(shè)備上，國內(nèi)的中車時代電氣[5]、日本的東芝等公司均開發(fā)了熱管散熱器，即將熱管蒸發(fā)段呈一定角度嵌入基板中，并在熱管的其他部分安裝散熱片，以提高散熱器翅片側(cè)的換熱效率。但熱管散熱器體積大，風(fēng)阻較高，不適用于車內(nèi)強(qiáng)迫冷卻，一般只能將其懸掛在車外，通過車輛的走行風(fēng)對其進(jìn)行冷卻，因此，其散熱效果也受車速(走行風(fēng)的風(fēng)速)影響，應(yīng)用范圍有局限性[6]。對于車速更快、熱損耗更高的城軌、動車等車輛，出于安全性和可靠性考慮，不適合使用車外懸掛的散熱器，同時，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器已難以滿足日益嚴(yán)苛的散熱要求，因此，需要對傳統(tǒng)的風(fēng)冷翅片散熱器進(jìn)行優(yōu)化改造。

為解決上述問題，一方面，可提升散熱器基板的均溫性，降低基板上不同區(qū)域的溫差，將功率器件的熱量充分地傳至散熱器低溫區(qū)域，在降低溫升的同時，還可以提高低溫區(qū)域翅片的效率，充分利用散熱器各區(qū)域的散熱片，從而提高整體散熱效果。BORGMEYER 等[7?8]通過在散熱器基板與翅片間增加熱管以降低散熱器整體熱阻；LU等[9?10]結(jié)合實(shí)際案例研究了均溫?zé)峁艿脑O(shè)計(jì)策略；LERTSATITTHANAKORN等[11?12]研究了VC均溫板與散熱器的結(jié)合對散熱器均溫性的提升效果，并驗(yàn)證了微觀結(jié)構(gòu)對均溫性的影響。結(jié)合上述研究可知：一方面，可通過在軌道交通車輛散熱器上增加均溫?zé)峁芑騐C均溫板，來提升散熱器基板的均溫性，從而降低散熱器的最高溫度；另一方面，可以改善翅片的材質(zhì)或結(jié)構(gòu)，提升肋效率，從而提升散熱器的散熱能力，但是受材料熱導(dǎo)率限制，單純通過改變材質(zhì)對提升肋效率的效果有限[13]。李居強(qiáng)等[14]發(fā)現(xiàn)，PCI(相變抑制)技術(shù)可以大幅提升散熱片的當(dāng)量熱導(dǎo)率。因此可以將翅片結(jié)合PCI或相變冷卻[15?16]等技術(shù)，提高翅片的當(dāng)量熱導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)散熱效率的提升。

本文作者基于當(dāng)前軌道交通車輛電氣設(shè)備的工作平臺，結(jié)合均溫?zé)峁堋C 均溫板、PCI、相變冷卻等散熱技術(shù)，分別對傳統(tǒng)翅片散熱器的翅片側(cè)和熱源側(cè)進(jìn)行優(yōu)化改造，以提升其散熱能力。通過對優(yōu)化后的散熱器和傳統(tǒng)翅片散熱器進(jìn)行對比測試，總結(jié)各種優(yōu)化方案的特性和適用范圍，可為適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 傳統(tǒng)翅片散熱器及其測試平臺

當(dāng)前軌道交通電氣設(shè)備在用的風(fēng)冷散熱器多為翅片散熱器，以國內(nèi)某型城軌車輛的逆變器所用的風(fēng)冷散熱器為例，散熱器與功率器件的結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。散熱器由基板和散熱片組成，在基板一側(cè)安裝有8個功率器件，該器件安裝面也稱為臺面；散熱器另一側(cè)連接散熱片，散熱片置于風(fēng)道中。功率器件的熱量傳入基板后，由散熱片與冷卻風(fēng)的對流換熱帶走。散熱器的性能評價指標(biāo)有臺面溫升Δt1、臺面溫差(均溫性)Δt2等，其計(jì)算方法分別如式(1)和(2)所示。臺面溫升Δt1和溫差(均溫性)Δt2可以表征散熱器對熱源安裝區(qū)域的溫度控制能力。

式中：tmax為散熱器臺面上熱源區(qū)域的最高溫度，℃；tin為散熱器進(jìn)風(fēng)口的空氣溫度，℃；tmin為散熱器臺面上器件安裝區(qū)域的最低溫度，℃。

圖1 散熱器及功率器件外觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Appearance structure of air-cooling heatsink and power device

圖2 波紋翅片結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wavy fin

為降低臺面溫升和提升均溫性，一方面，可以增加散熱器翅片的換熱面積，如在散熱片上增加凸起結(jié)構(gòu)，如圖2所示的波紋狀凸起；或者增加散熱片數(shù)量，但由Biot 數(shù)的定義及強(qiáng)制對流換熱的特性可知，對于等截面直肋的散熱器，當(dāng)Biot數(shù)大于0.25 時，再增加肋片會導(dǎo)致整體熱阻的增大，無法有效提升散熱效率[17]。因此，單純通過提升換熱面積，對增強(qiáng)換熱的效果有限。另一方面，可以通過增加材料的熱導(dǎo)率，從而提升散熱器基板的均溫性和翅片的肋效率。傳統(tǒng)的實(shí)體金屬散熱器即使使用銅材質(zhì)，在增加質(zhì)量和成本的同時，其散熱性能依然難以滿足軌道交通車輛的大功率電氣設(shè)備的散熱要求。

本文所用的試驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示，其中主要測試設(shè)備及其精度如表1所示。該測試平臺可以基于單因素優(yōu)化方法，以風(fēng)速為自變量，對散熱器的溫升和溫差進(jìn)行測量。此外，對于本文中的試驗(yàn)，造成誤差的主要原因有風(fēng)速控制系統(tǒng)、測溫設(shè)備、熱源供電電源的系統(tǒng)誤差，以及計(jì)算數(shù)據(jù)產(chǎn)生的舍入誤差。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test devices

對于已在現(xiàn)場運(yùn)行的散熱器，可以通過提升風(fēng)速來加強(qiáng)換熱能力。以圖1所示散熱器為例，其特征參數(shù)如表2所示。在2種不同的工況下，單個器件的散熱功率P分別為560 W 和1 300 W。測試該散熱器的溫升與風(fēng)速、散熱功率的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示?？梢?，隨著風(fēng)速升高，在溫升降低的同時，溫升曲線的斜率也隨之變小，當(dāng)風(fēng)速超過9 m/s 時，單純通過提高風(fēng)速已經(jīng)無法顯著降低溫升。此外，風(fēng)冷系統(tǒng)的氣動噪聲及風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲是變流器的主要噪聲源[18]，經(jīng)測試，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到約10 m/s 后，散熱系統(tǒng)的風(fēng)阻和噪聲均會顯著升高，因此，不建議在車輛變流器的冷卻系統(tǒng)中使用超過10 m/s的冷卻風(fēng)速。

表1 主要測試設(shè)備及其參數(shù)Table 1 Main test devices and their parameters

表2 散熱器主要特征參數(shù)Table 2 Main characteristic parameters of heatsink

圖4 翅片散熱器溫升隨風(fēng)速變化Fig.4 Temperature rise changes of the finned heatsink with wind speed

2 翅片側(cè)傳熱方式優(yōu)化

傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的翅片多為鋁合金材質(zhì)，翅片的肋效率受材料熱導(dǎo)率和對流換熱系數(shù)影響。當(dāng)前降低溫升Δt1的方法有提高風(fēng)速或通過在翅片上增加通風(fēng)孔和凸起的方式來提升換熱面積，從而提升肋效率，但效果提升程度有限。此外，材料的熱導(dǎo)率也是限制翅片肋效率的主要因素之一。因此，為提升散熱器的肋效率，一方面可以提升風(fēng)速，另一方面，也可以采用熱導(dǎo)率更大的翅片。

本文基于相變抑制傳熱(PCI)技術(shù)，采用相變抑制散熱板作為散熱器翅片，對傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的翅片進(jìn)行優(yōu)化。相變抑制散熱片是在預(yù)留的蜂窩狀槽道中充滿正壓工質(zhì)，在加熱過程中，槽道體系內(nèi)工質(zhì)壓力的提升總是超前于工質(zhì)飽和蒸汽壓力的升高，而使得管內(nèi)工質(zhì)的相變被抑制，同時可以得到高度一致的工質(zhì)運(yùn)動形態(tài)以及超高的傳熱熱流密度，因此，相變抑制技術(shù)可以獲得明顯優(yōu)于普通相變傳熱的傳熱效果，其有效熱導(dǎo)率可以達(dá)到6 000 W/(m·K)，傳熱的熱流密度達(dá)到100～1 000 W/cm2[19]。

以前面所述的國內(nèi)某型地鐵的牽引逆變器所使用的風(fēng)冷翅片散熱器為例，根據(jù)表1中的特征尺寸，使用相變抑制散熱片作為散熱翅片，并試制相變抑制(PCI)散熱器，其外觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。對該P(yáng)CI散熱器進(jìn)行熱性能測試，將測試結(jié)果與普通翅片散熱器結(jié)果進(jìn)行對比，如圖6所示。由圖6可見，當(dāng)單個器件散熱功率為1 300 W 時，PCI 散熱器的溫升明顯低于普通翅片散熱器的溫升，其降幅約15%；當(dāng)單個器件散熱功率為560 W，風(fēng)速為2 m/s 時，PCI 散熱器的溫升反而高于翅片散熱器的溫升；當(dāng)風(fēng)速較大時，PCI 散熱器的溫升較低，降幅為2%～10%。

圖5 相變抑制散熱器實(shí)物圖Fig.5 Physical picture of PCI heatsink

圖6 相變抑制(PCI)散熱器熱性能測試結(jié)果Fig.6 Thermal performance of the PCI heatsink

可見，在散熱功率較大時，PCI散熱器具有明顯的優(yōu)勢。同時，PCI散熱片對散熱能力的提升與其散熱片內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)強(qiáng)度有關(guān)。在散熱功率較小時，散熱片的熱源段與冷卻段的溫差較小，散熱片內(nèi)的工質(zhì)內(nèi)循環(huán)較弱，因此，其散熱性能與翅片散熱器相比提升不明顯，此時，當(dāng)風(fēng)速也較小時，散熱片上兩端的溫差則更小，工質(zhì)內(nèi)循環(huán)更弱，使散熱片依靠導(dǎo)熱來完成散熱，其導(dǎo)熱能力甚至比純金屬的翅片散熱器更差，因此，PCI散熱器在低風(fēng)速時的溫升高于翅片散熱器的溫升。

此外，針對單個PCI散熱片而言，其傳熱性能受重力方向和散熱片高度差影響，而該型號車輛變流設(shè)備的散熱器由于受車輛空間限制，其高度較低，在一定程度上也限制了PCI散熱片的傳熱能力。對于其他高度更高的散熱器，其散熱性能還具有很大的提升空間。

3 熱源側(cè)傳熱方式優(yōu)化

風(fēng)冷散熱器基板的熱源側(cè)直接和功率器件接觸，但是熱源側(cè)僅部分區(qū)域覆蓋功率器件，因此，熱源覆蓋區(qū)域的溫度較高，其他區(qū)域溫度較低，這導(dǎo)致溫度較低區(qū)域的翅片沒有得到充分利用。本文通過在散熱器基板的熱源側(cè)安裝均溫?zé)峁芎蚔C均溫板，使熱源的熱量更均勻地分布在散熱器整個基板中，從而降低最高溫升，也提升了散熱器上各功率器件的均溫性，有利于提升并聯(lián)器件的電流均流性，延長器件使用壽命[20]。

3.1 均溫?zé)峁?/h3>

通過在風(fēng)冷散熱器的基板內(nèi)埋設(shè)燒結(jié)熱管，且熱管跨越散熱器的安裝器件的高溫區(qū)域和其他低溫區(qū)域，熱管各部分之間存在溫差，可以將功率器件發(fā)出的部分熱量，通過熱管傳至散熱器其他低溫區(qū)域，從而提升散熱器的均溫性，并降低散熱器臺面最大溫升。

本文以某型車輛的充電機(jī)模塊所用的風(fēng)冷散熱器為研究對象，該散熱器主要特征參數(shù)如表3所示，其翅片及基板的特征尺寸與表1中所述散熱器的尺寸相同。散熱器臺面上功率器件的主要參數(shù)如表4所示，其位置分布如圖7所示?？梢?，該散熱器的熱源D5熱流密度較大，且處于散熱器的下風(fēng)向，因此，溫度最高。在該散熱器基板內(nèi)埋設(shè)7根直徑為10 mm 的銅?水燒結(jié)熱管作為均溫?zé)峁?，熱管跨越D3，D4 以及D5 等高溫?zé)嵩春蜔o熱源的低溫區(qū)域，可以將高溫區(qū)域的熱量傳至低溫區(qū)域，從而降低散熱器的最高溫升，提高均溫性。

表3 散熱器主要特征參數(shù)Table 3 Main characteristic parameters of heatsink

表4 散熱器上功率器件的參數(shù)Table 4 Parameters of the power devices on the heatsink

圖7 均溫管風(fēng)冷散熱器Fig.7 Air-cooling heatsink with isotherm heat pipe

對該散熱器增設(shè)熱管前后分別進(jìn)行熱性能測試，對比其溫升和均溫性，結(jié)果分別如圖8和圖9所示?？梢?，通過布置7根均溫?zé)峁埽崞鞯淖罡邷厣档土思s23%，溫差降低了38%～65%。由此可知，對于臺面各熱源區(qū)域溫度差異大的散熱器，通過布置跨越高溫區(qū)與低溫區(qū)的均溫?zé)峁埽梢杂行⒏邷貐^(qū)域的熱量傳至低溫區(qū)域，從而提高散熱器的均溫性，并降低溫升。

3.2 VC均溫板

VC均溫板是一種基于熱管原理、具有極高當(dāng)量熱導(dǎo)率和均溫性能的板式傳熱裝置。相對均溫?zé)峁芏裕琕C均溫板的板式空腔結(jié)構(gòu)具有更高的覆蓋率和當(dāng)量熱導(dǎo)率，因此，也具有更好的均溫性。在傳統(tǒng)風(fēng)冷翅片散熱器的基板上加裝均溫板，可以有效提升散熱器的均溫性，降低溫升，其結(jié)構(gòu)原理如圖10所示。熱源器件的熱量傳導(dǎo)至均溫板的蒸發(fā)面后，加熱工質(zhì)，使工質(zhì)揮發(fā)成蒸氣狀態(tài)，并在冷凝面與翅片散熱器進(jìn)行換熱，冷凝后的冷凝工質(zhì)通過毛細(xì)結(jié)構(gòu)回流或滴落至蒸發(fā)面，完成循環(huán)。

以某型四象限整流器模塊所使用的的翅片散熱器為例，其主要尺寸和測試條件如表5所示。該散熱器采用型材翅片散熱器，在加裝VC均溫板改造前后，分別在不同冷卻風(fēng)速下對該散熱器進(jìn)行熱性能試驗(yàn)，并將二者測試的溫升和溫差進(jìn)行對比，結(jié)果分別如圖11～12所示?？梢姡ㄟ^在型材散熱器上嵌入式安裝均溫板后，散熱器溫升降低了4～8 K，降幅為5%～9%，熱源區(qū)域溫差降低了12～15 K，溫差降低72%～79%。

圖8 傳統(tǒng)翅片散熱器與均溫管散熱器溫升對比Fig.8 Temperature rise comparison between the traditional finned heatsink and the heatsink with isotherm heatpipe

圖9 傳統(tǒng)翅片散熱器與均溫管散熱器溫差對比Fig.9 Temperature difference comparison between the traditional finned heatsink and the heatsink with isotherm heatpipe

圖10 VC均溫板翅片散熱器原理圖Fig.10 Schematic diagram of the vapor chamber heatsink

表5 散熱器主要特征參數(shù)及測試條件Table 5 Characteristic parameters and main test conditions of the heatsink

圖11 翅片散熱器與VC均溫板散熱器溫升對比Fig.11 Temperature rise comparison between the traditional finned heatsink and the VC heatsink

由測試結(jié)果可知，均溫板可以將熱源區(qū)域的熱量散布至整個散熱器區(qū)域，在一定程度上降低了散熱器的溫升，并可以顯著提高散熱器的均溫性。但是，與前面使用均溫?zé)峁艿纳崞飨啾龋摼鶞匕迳崞鞯姆菬嵩磪^(qū)域較小，可供分散熱量的區(qū)域也較低，因此，溫升的降幅也較小。

4 整體傳熱方式優(yōu)化

圖12 翅片散熱器與VC均溫板翅片散熱器溫差對比Fig.12 Temperature difference comparison between the traditional finned heatsink and the VC heatsink

傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器經(jīng)過上述翅片側(cè)和熱源側(cè)的優(yōu)化，可以有效提升散熱器的肋效率或均溫性，降低散熱器最高溫度。但是，單方面地進(jìn)行翅片側(cè)或熱源側(cè)的優(yōu)化，其性能提升效果依然難以滿足某些新型大功率半導(dǎo)體器件如新型SiC功率器件的要求。

由上述散熱器在翅片側(cè)和熱源側(cè)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)可見，其主要特征是在散熱器基板的熱源側(cè)安裝均溫?zé)峁芑蚓鶞匕?，提高散熱器的均溫性，降低溫升；在基板的翅片?cè)，使用相變抑制散熱片等高當(dāng)量熱導(dǎo)率的散熱片，以提高肋效率。

綜合上述優(yōu)化的原理，本文將翅片側(cè)和熱源側(cè)的優(yōu)化方法結(jié)合，并基于相變散熱原理，開發(fā)了相變散熱器，即在傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的基板和散熱片中設(shè)置連通的空腔，并注入低沸點(diǎn)氟化液工質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)相變散熱，其外觀和原理結(jié)構(gòu)分別如圖13和14所示。該散熱器內(nèi)的工質(zhì)可以在整個散熱器內(nèi)沿x，y和z這3個方向進(jìn)行流動和換熱，因此，該散熱器也稱為3D相變散熱器。

圖13 3D相變散熱器實(shí)物圖Fig.13 Physical picture of 3D phase-change heatsink

圖14 3D相變散熱器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.14 Schematic diagram of the 3D phase-change heatsink

3D 相變散熱器利用工質(zhì)的相變傳熱，對傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的熱源側(cè)和翅片側(cè)同時進(jìn)行了整體優(yōu)化。該散熱器的工作原理與熱管技術(shù)相似：功率器件發(fā)出的熱量使蒸發(fā)腔內(nèi)的低沸點(diǎn)工質(zhì)沸騰并相變，工質(zhì)蒸汽進(jìn)入空腔翅片后，即經(jīng)過波紋片和冷卻風(fēng)的對流換熱，工質(zhì)降溫并凝結(jié)，由翅片空腔回流至蒸發(fā)腔。

國內(nèi)某城軌項(xiàng)目的逆變器采用了新型SiC功率器件，該器件單個封裝的熱損耗高達(dá)2 000 W，因此，開發(fā)了適合該器件的3D相變散熱器。該散熱器需對6個功率器件進(jìn)行散熱，其主要工況條件如表6所示。

表6 散熱器主要測試條件Table 6 Main test conditions of the 3D phase-change heatsink

此外，為對比該3D 相變散熱器的散熱性能，研發(fā)1個特征尺寸與之相同的傳統(tǒng)翅片散熱器，并分別測試這2個散熱器的溫升與散熱功率、冷卻風(fēng)速的關(guān)系。對比二者的溫升測試結(jié)果，結(jié)果如圖15所示?？梢姡?D相變散熱器相對于相同尺寸的型材翅片散熱器，在相同的散熱功率和風(fēng)速工況條件下，其散熱器溫升明顯低于傳統(tǒng)的翅片散熱器溫升，溫升降低了65.8%～68.3%。

除此之外，3D 相變散熱器的整個基板內(nèi)均有工質(zhì)可以流動，因此，基板各區(qū)域的溫度差異較小，3D 相變散熱器和同尺寸傳統(tǒng)翅片散熱器的溫差對比如圖16所示。可見，3D相變散熱器的溫差相對傳統(tǒng)翅片散熱器降低了50%～62%。

圖15 3D相變散熱器與傳統(tǒng)翅片散熱器溫升對比Fig.15 Temperature rise comparison between traditional finned heatsink and 3D phase-change heatsink

圖16 3D相變散熱器與傳統(tǒng)翅片散熱器溫差對比Fig.16 Temperature difference comparison between traditional finned heatsink and 3D phase-change heatsink

5 結(jié)論

1)基于PCI相變抑制技術(shù)對傳統(tǒng)翅片散熱器的翅片側(cè)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后翅片的當(dāng)量熱導(dǎo)率和肋效率得到了提升；當(dāng)散熱功率較大時，PCI散熱器的效果相對于傳統(tǒng)翅片散熱器的效果提升更明顯，其溫升降低了約15%。

2)基于均溫?zé)峁芎蚔C均溫板技術(shù)對傳統(tǒng)翅片散熱器的熱源側(cè)進(jìn)行了優(yōu)化，2種方案均提升了臺面均溫性，降低了溫升。相對于傳統(tǒng)翅片散熱器，均溫?zé)峁苌崞骱蚔C均溫板散熱器的溫差分別降低了約50%和75%，而二者降低溫升的效果與散熱器的非熱源覆蓋區(qū)域相關(guān)。

3)基于相變冷卻技術(shù)，對散熱器進(jìn)行了整體性優(yōu)化，整體性優(yōu)化后的3D相變散熱器的散熱性能最優(yōu)，相對于傳統(tǒng)翅片散熱器，其溫升降低65%以上，溫差降低50%以上。