[发明专利]一种平板微热管阵列散热器优化方法

说明书

本发明属于机车牵引变流器散热领域，具体公开了一种平板微热管阵列散热器优化方法，其步骤包括：(1)优化翅片的厚度；(2)优化翅片的间距；(3)优化翅片面积；(4)经济成本比较，选出最终翅片参数。本发明对于初步设计阶段的散热器，如果被散热体温度高于设计要求，可用该方法优化散热器，快速高效将温度降至额定设计温度以下。若散热器尺寸与成本有较严格限制，则按照本方法进行逐步优化可控制成本与尺寸在优化过程中增加。优化的最后步骤通过量化比对，设计人员可根据具体设计条件选择满足设计要求的散热器参数。

技术领域

本发明涉及机车牵引变流器散热领域，特别涉及一种平板微热管阵列散热器优化方法。

背景技术

随着当今社会的快速发展，轨道交通成为更多人的出行选择。随着轨道交通的高速发展，各种大容量电力电子设备在机车的电力牵引系统中得以大量应用。在机车中，牵引变流器是实现电能与机械能转换的关键部件。其中，由IGBT晶体管组成的功率模块是牵引变流器最主要的统一化元件，伴随其高频率、大功率和高集成化的发展，设备单位面积的热流密度越来越高。同时，随着电力电子器件功率密度的不断增加和设备小型化的发展要求，功率器件的散热问题已成为影响其可靠性的主要因素。

大功率牵引变流器的散热方式有多种，如强迫风冷、水冷、油冷、走行风冷等。强迫风冷需要配备合适的风机和风道，而风机的使用存在一定的安全隐患，且运行时要考虑噪声控制。水冷或油冷系统较复杂，不仅需配备循环系统，且存在泄漏的风险。而走形风冷是利用机车行驶时，周围空气相对机车的运动与翅片通过强制对流散热，结构简单且不需要附加动力。因此众多学者提出“热管散热器+走行风冷”方式进行牵引变流器的散热，并对散热效果进行了数值模拟和实验验证。

国内学者Ding J、TangY T采用“热管散热器+走行风冷”方式简化柜体结构，并利用Fluent软件分析了其流速和温度的分布特点，结果表明热管散热器在较低的车辆运行速度下仍具有较好的散热效果，同时用实际应用情况验证了仿真结果的准确性。MengY J等使用专业热分析软件ICEPAK对已设计出的IGBT热管散热器进行数值模拟，得出不同工况下的温度场分布，验证该散热器散热效果。同时对模拟结果进行分析后优化出最优结构，使其结构更加简单，成本更加经济。国外学者X Perpina等阐述了基于热管的IGBT散热器高效节能、结构简单的优势，并通过实验探究了基于热管散热器+走形风冷方式的冷却系统下，电子元件的使用寿命对机车可靠性的影响。ADriss等基于RC热循环建立了IGBT模块热管散热器的模型，来确定IGBT的结温以及热源温度的频繁变动对热管温度的影响。

热管做为相变导热材料，相比单相实体导热材料不仅具有重量轻、效率高等优点，而且根据现有数据，热管的导热系数是普通金属的100倍以上，大约为30000～40000W/m·k。这是热管被广泛应用于电力电子设备散热的主要原因。可以看出，导热材料的导热系数直接影响了散热器的散热效果。因此，如果提高热管导热系数，散热器的散热效率势必会提高。

为提高热管导热效率，人们开始考虑将多根微型热管集成起来。早在20世纪90年代Peterson G P等提出了“微热管簇”的概念，针对矩形截面和三角形截面，在硅片上进行了实验研究。近年来，中国学者Zhao Y H等提出了完全意义上的平板微热管阵列的定义，即多个同时形成且彼此完全独立的微细热管组合在一起,而不仅仅是微通道阵列热管，各个微细热管间不连通,且每个微热管内表面可带有微槽群等强化换热的微结构。这样的平板微热管阵列具有承压能力强、与换热表面贴合良好、热输运能力强等诸多有点。研究结果表明，平板微热管阵列的热通量可达200W/cm2。

平板微热管阵列具有如下特点：

第一，内部的结构使得相变换热面积大大增加。其内部的微结构使得整个微热管的周面都有相变发生。

第二，微细热管之间的间壁在结构上起到了“加强筋”的作用，增强了平板微热管阵列的承压能力。因而平板微热管阵列的强度强于普通热管。