劉笑 許正泓 于守春

摘 要 近一個(gè)世紀(jì)以來，人們對(duì)“超導(dǎo)”持續(xù)懷有熱情，無論是電的超導(dǎo)體還是熱的超導(dǎo)體。電的超導(dǎo)體，我們相對(duì)比較熟知，而熱的超導(dǎo)體卻很少有人能做出準(zhǔn)確第一反應(yīng)。所謂熱的超導(dǎo)是20世紀(jì)中葉以后才問世的一種叫法，現(xiàn)在我們廣泛的知道這就是熱管原理。本文主要介紹熱管散熱器的特性和實(shí)際應(yīng)用，希望通過此文讓大家對(duì)熱管有一個(gè)較為深入的了解，在以后工作中能抓住訴求，做出最合理的散熱方案選擇。

關(guān)鍵詞 熱管散熱器;特性;實(shí)際應(yīng)用

引言

人們?cè)?9世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)了電的超導(dǎo)方法，即對(duì)某種導(dǎo)體而言，在溫度和內(nèi)部電感都小于一個(gè)特定數(shù)值時(shí)，導(dǎo)體的電阻驟降并趨近于零。但是直到20世紀(jì)中葉，人們才研究出熱的超導(dǎo)方式——熱管。熱管的命名是由一家美國(guó)公司定義的，他們研發(fā)出一種散熱器，并最終測(cè)得導(dǎo)熱性極大的優(yōu)于銅和銀。就以最初的試驗(yàn)樣品而言，其導(dǎo)熱性是金屬銀的幾百倍，可見熱管的發(fā)明對(duì)于散熱領(lǐng)域而言，是具有劃時(shí)代意義的。這種“超導(dǎo)散熱器”一經(jīng)發(fā)明，迅速在軍工、衛(wèi)星等高科技領(lǐng)域應(yīng)用開來。

1熱管散熱器概述

熱管是一個(gè)真空密閉容器，熱管散熱器的“管”一般采用銅或不銹鋼，相變介質(zhì)一般選用液氮、水和鈉、鉀等?，F(xiàn)在人們習(xí)慣用空調(diào)器中的結(jié)構(gòu)名詞，將熱管分為蒸發(fā)端和冷凝端。在蒸發(fā)端，也可稱為加熱端，熱管內(nèi)介質(zhì)受熱蒸發(fā)，蒸發(fā)后液態(tài)介質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)，流向熱管的另一端，管的另一端為冷凝端，也可稱為放熱端，介質(zhì)蒸汽在冷凝端液化放熱，再次變回液態(tài)，回流蒸發(fā)端，如此快速的完成一個(gè)循環(huán)。因?yàn)闊峁軆?nèi)是真空狀態(tài)，所以內(nèi)部介質(zhì)的沸點(diǎn)大大降低，蒸發(fā)也更為容易，所以熱管內(nèi)的循環(huán)是高效而迅速的[1]。

2熱管散熱器的特性和應(yīng)用

熱傳遞的方式有3種：熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流。一般情況下，電器元件的內(nèi)部最高溫度不允許超過150攝氏度，出于設(shè)計(jì)余量的考慮一些有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)將最高溫度的設(shè)計(jì)值定在135℃。而環(huán)境的最高溫度一般考慮為40℃或45℃。電器元件不是“慢產(chǎn)熱”，所以其主要的散熱方式是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。一般我們使用Q=△T·A·K的公式計(jì)算熱量，如果時(shí)間一定，那么可以認(rèn)為只有增大散熱面積A，才能更多的散熱。所以熱管散熱器在管上也設(shè)置有很多等間距的翅片，也叫肋片，來幫助散熱。想必至此，大家對(duì)熱管散熱器已經(jīng)有了形象的認(rèn)識(shí)，下面我就其特性和在我司所在的軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用，做進(jìn)一步闡述。

2.1 熱管散熱器突出的三大特性

從上文所述的熱管散熱器工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出其具有熱的超導(dǎo)特性、高等溫性和熱流體密度的變換性。在熱管散熱器中，熱傳遞主要是依靠管內(nèi)介質(zhì)的相變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱對(duì)流，完成的熱量傳遞。這種熱傳遞的速度比僅靠導(dǎo)熱金屬內(nèi)部原子的熱運(yùn)動(dòng)的速度快得多，如果在80℃以上的高溫或超高溫場(chǎng)合，其導(dǎo)熱速度能達(dá)到金屬銅的幾萬甚至幾十萬倍，正是因?yàn)槠鋵?duì)熱的超導(dǎo)性，人們廣泛稱熱管為熱的超導(dǎo)體;熱管的表面溫度是由內(nèi)部介質(zhì)的蒸汽氣溫決定的，管內(nèi)熱量增加時(shí)，壓力也隨時(shí)升高，因?yàn)闊峁転槊荛]空間，這就使得熱量和壓力總是相關(guān)變化，使得管內(nèi)的溫度保持高等溫特性，而且越是有變化，等溫性越好;熱管內(nèi)蒸發(fā)端和冷凝端，總是處于熱管的兩端，我們可以認(rèn)為這兩種相變是分離開的，所以可以高效的實(shí)現(xiàn)熱流密度的快速變換。一端熱量密度增大時(shí)，這一端蒸發(fā)或冷凝的面積也隨著增大，面積增大熱流密度也就相應(yīng)變小。這就是熱管散熱器熱流密度的變換性。

2.2 熱管散熱器在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用

因?yàn)槲夜舅谛袠I(yè)的原因，所以我對(duì)熱管散熱器在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用比較熟悉。熱管散熱器如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高鐵、動(dòng)車、地鐵以及各類機(jī)車上。機(jī)車、地鐵上采用的熱管散熱器一般有兩種冷卻方式，一種是走行風(fēng)冷，一種是強(qiáng)制風(fēng)冷。走行風(fēng)冷，就是有效的利用機(jī)車、地鐵行進(jìn)時(shí)的風(fēng)進(jìn)行冷卻。強(qiáng)制風(fēng)冷，就是在熱管散熱器平行于翅片的地方設(shè)置風(fēng)機(jī)，進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。從熱管散熱器的結(jié)構(gòu)來看，也可分為兩種，一種是間接冷卻，一種是直接冷卻。間接冷卻是指發(fā)熱元器件與熱管散熱器相對(duì)獨(dú)立，兩者的結(jié)合是通過螺釘螺栓安裝固定的。另一種則較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度也比較高，是把產(chǎn)熱的元器件直接浸泡在絕緣液體中，形成一個(gè)封閉的腔室，腔室的外表面附有翅片。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，是希望通過直接沸騰傳遞并帶走熱量，所以也被稱為沸騰冷卻。但事實(shí)表明，這種直接沸騰的冷卻方式從各方面來看，都不如間接冷卻。尤其是用于IGBT和SIC冷卻的熱管散熱器，間接冷卻的優(yōu)勢(shì)則更為明顯，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，其熱阻值在0.01℃/W附近。武漢的城市地鐵幾乎都采用這種間接冷卻的方式，而且絕大多數(shù)是走行風(fēng)冷的形式。設(shè)計(jì)師在密閉的變流箱體上開了一個(gè)僅適合熱管散熱翅片探出的開口，熱管的一端和冷卻基板相連，另一端從這個(gè)開口處伸出，冷卻基板外側(cè)與箱體的開口處有密封硅膠圈，兩者通過機(jī)械結(jié)構(gòu)緊密貼合，并保證內(nèi)部氣密。這種方式使得冷卻基板上IGBT產(chǎn)生的熱量和箱體內(nèi)部的熱量能夠高效得被帶入到箱體外部，而箱體外部的雨、雪、風(fēng)、沙、粉塵等雜物無法進(jìn)入變流箱體內(nèi)，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，這樣的設(shè)計(jì)，箱體內(nèi)外的溫度差僅為12℃，武漢地鐵的業(yè)主也對(duì)此非常滿意[2]。

3結(jié)束語

熱管散熱器從20世紀(jì)中葉，被一家美工公司研發(fā)制造出來至今，已經(jīng)有近70年的時(shí)間。而我國(guó)的熱管散熱器起步比較晚，大概直到1991年我國(guó)才具有標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)熱管散熱器的能力。雖然起步比較晚，但是由于我國(guó)有龐大的市場(chǎng)需求，所以熱管散熱器在我國(guó)的發(fā)展可謂迅猛。1996年一家上海公司制造的熱管散熱器順利裝車試運(yùn)行，1997年我國(guó)制定了《電力半導(dǎo)體器件用熱管散熱器》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，21世紀(jì)初，上海成立了多家專業(yè)的熱管散熱器的公司，同時(shí)期，依托原蘇聯(lián)研究院和日本公司技術(shù)的多家位于遼寧鞍山的熱管散熱器公司成立。這給我國(guó)熱管散熱器行業(yè)注入了活力，也使得我國(guó)熱管技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展通道。正如我們?cè)谝壕痢?G技術(shù)、汽車、大飛機(jī)等領(lǐng)域飛速發(fā)展，甚至是彎道超車一樣，相信我國(guó)的熱管技術(shù)也會(huì)很快趕超美日，居于世界前列。

參考文獻(xiàn)

[1] 李春陽，陸國(guó)仁.電動(dòng)車組與鐵路客運(yùn)[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，1985 （7）：66.

[2] 陶生桂，董東甫.熱管散熱器在機(jī)車變流裝置中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)車，2002（7）：17-19.