蒸發(fā)冷卻技術在電力機車變流器上的應用

王 巖

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016）

引言

隨著我國軌道交通領域電力機車的快速發(fā)展和電力機車變流器運行功率的不斷提高，對于變流器冷卻系統(tǒng)在冷卻能力、體積、重量和可靠性等方面的要求也越來越高。

為滿足變流器散熱性能的要求，在變流器冷卻系統(tǒng)上使用蒸發(fā)冷卻技術代替現有的水冷技術，利用蒸發(fā)冷卻介質吸熱氣化自動上升，散熱冷卻后液化自然下落，能夠自主運行的特性，可以省去現有水冷系統(tǒng)中的水泵和膨脹水箱等器件，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 蒸發(fā)冷卻技術的發(fā)展

我國的中科院電工研究所早在1958 年，就開始了對蒸發(fā)冷卻技術的研究[1]。目前蒸發(fā)冷卻技術主要應用在大型水輪發(fā)電機、汽輪發(fā)電機、變壓器[2]，IT 行業(yè)的服務器、數據中心，以及軌道交通領域的車載空調、車站空調系統(tǒng)[3]等等。

蒸發(fā)冷卻技術，是利用絕緣性高、沸點低的有機工質，通過液體介質氣化和液化相變換熱的方式，實現對發(fā)熱部件進行冷卻的一種高效冷卻技術。冷卻介質在發(fā)熱部件的位置吸收熱量氣化，氣態(tài)介質在液態(tài)介質中自然上浮到達散熱器，在散熱器處散熱液化，再回流補充到液態(tài)介質中，從而完成自發(fā)的散熱循環(huán)。

在安裝位置上，根據蒸發(fā)冷卻技術原理，要求散熱器的安裝位置必須高于變流器發(fā)熱源的位置，同時連接管路中不能有死角，這樣氣化后的冷卻介質才能順利上升到達散熱器，完成熱量傳遞。

2 蒸發(fā)冷卻介質的選擇

蒸發(fā)冷卻介質的選擇是蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)構成的一個重要環(huán)節(jié)，冷卻介質的好壞會直接影響冷卻系統(tǒng)的性能。常用的蒸發(fā)冷卻介質是使用氟醚類化合物，在選擇冷卻介質類型時要關注以下因素。

2.1 本質安全特性

要求使用的冷卻介質本身物化特性是安全的，能夠達到無毒、無害、不燃不爆、無腐蝕性的要求。

2.2 環(huán)保特性

由于介質中含有的氟類成分，部分對環(huán)境具有影響，目前通常采用消耗臭氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）兩個指標來考核。因此在介質選擇時，要求ODP 值嚴格為0，即對臭氧無破壞力，GWP 值目前沒有統(tǒng)一的要求，應選取數值盡可能低的介質使用。

2.3 冷卻介質的沸點

蒸發(fā)冷卻介質沸點的選擇，需要綜合被冷卻器件的工作溫度要求和散熱效率要求。沸點過高時可能造成被冷卻器件損壞，沸點過低時介質蒸汽與環(huán)境空氣溫差太小，又會造成冷卻效率低。以牽引變流器功率模塊為例，被冷卻的IGBT 器件，運行結溫要求是120 ℃，綜合考慮工作溫度和散熱性能可將蒸發(fā)冷卻介質的沸點選定在80 ℃左右。

2.4 流動與換熱性能

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)需要實現自主循環(huán)，從流動需求上看，冷卻介質的粘度以較低為宜，氣化潛熱、比熱和導熱系數以較高為宜。

2.5 材料相容性

材料相容性是冷卻介質的重要指標，需要檢測冷卻介質與所有相接觸材料的相容性，確保冷卻系統(tǒng)使用的材料與冷卻介質在接觸過程中不會出現使用功能上的退化。

3 在機車變流器上的應用

機車變流器通常會布置在機械間，使用立式的柜體。在現有水冷散熱系統(tǒng)中，變流器是通過水泵帶動冷卻介質循環(huán)將功率模塊散發(fā)的熱量傳遞到冷卻風機柜的散熱器，再通過風機的強迫風冷將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。

以HXD2 型機車為例，其變流器和冷卻柜結構如圖2 所示，水冷系統(tǒng)使用水泵帶動冷卻液循環(huán)，將逆變功率模塊和四象限功率模塊運行時產生的熱量，傳輸到冷卻風機柜的散熱器上，由冷卻風機組從車外大氣中吸取空氣，通過散熱器冷卻后將熱空氣排出車外。

在機車變流器冷卻系統(tǒng)中，以蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)代替現有水冷系統(tǒng)，可以使用選定的蒸發(fā)冷卻介質代替水冷介質，去除冷卻水泵和膨脹水箱，將逆變功率模塊和四象限功率模塊的液冷回路直接連接到散熱器進行冷卻。同時散熱器的安裝位置需要向上調整，保證散熱器位置高于功率模塊，這樣吸熱氣化后產生的冷卻介質蒸汽才能順利進入到散熱器中進行冷卻。

因此，在現有的機車變流器中，以蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)代替原有的水冷系統(tǒng)，可以在保持變流器和冷卻風機柜布局結構不變的情況下，省去水泵和膨脹水箱，減小變流器的體積重量和散熱能耗，同時提高冷卻系統(tǒng)可靠性。

4 在動車變流器上的應用

動車變流器通常布置在車底，形狀為扁平形，以CRH2 型動車組為例，其外形結構如圖3 所示。動車變流器冷卻系統(tǒng)的工作原理與機車變流器大致相同，在冷卻風路上是使用冷卻風機將冷卻空氣從變流器的一側吸入，完成冷卻后再從另一側排出。

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在動車變流器中替代水冷系統(tǒng)時，由于動車變流器是扁平形狀，上下空間范圍較小，要滿足散熱器安裝位置高于功率模塊，需要對變流器內部結構的布局進行調整。在動車車體上的安裝位置調整，可以考慮將變流器的散熱器布置到車頂，與車載空調散熱器放置在一起。

因此，蒸發(fā)冷卻技術同樣可以應用于動車變流器，同樣具備減小變流器的體積重量和散熱能耗，提高冷卻系統(tǒng)可靠性的優(yōu)點，但是需要對變流器的結構布局進行調整。

5 技術發(fā)展前景

蒸發(fā)冷卻技術應用在電力機車變流器上，相比于現有的水冷技術，具有體積小、質量小、散熱能耗低、可靠性高等眾多優(yōu)點。蒸發(fā)冷卻技術在電力機車上應用時，既可以對現有市場的存量變流器進行升級改造，也可以在新制變流器時使用，提高變流器的冷卻系統(tǒng)的性能。在動車組變流器上使用時，需要對原有布局進行調整，適用于新制變流器。

蒸發(fā)冷卻技術應用在電力機車、動車變流器領域，有著明顯的技術優(yōu)勢和廣闊的市場空間，同時該技術在變流器實際應用上所涉及到的一些問題，還需要進一步的實踐和探索。