热管技术在煤矿井下防爆电气设备中的应用(一)

热管技术在煤矿井下防爆电气设备中的应用(一)摘要：文章介绍了传统散热方式存在的缺陷，详细讨论了热管技术在防爆电器设备中的应用。 关键词：热管工作介质； 潜热；热管散热器；防爆电气设备；应用半个多世纪来，电气防爆技术有了突飞猛进的发展。目前就是世界范围内被普遍接受的防爆技术有： 隔爆型、增安型、本质安全型、正压型、充油型、浇封型和无火花型等。其中隔爆型防爆电气应用较为普遍。所谓隔爆型防爆设备就是将电气设备置于即耐爆又隔爆的防爆外壳中。随着电力电子技术的发展，电力电子装置向大功率、紧凑化、轻量化发展。单位体积内所产生的热量增加很快，有效的散热面积却相对减少，由于元器件的可靠性与温度成反比，设备的故障率随元器件温度升高而成指数关系增长，热量积累可以摧毁元器件，热波动可以造成焊点松动，因此应严格控制元器件温度，从而可靠的散热技术成了研究的重点课题，尤其对于防爆电气设备更为重要。1 传统散热方式及其缺陷传统的散热方式以换热 （冷却）介质的名称而命名，一般普通采用空气冷却，又分为风冷或自冷。器件工作时，管芯发热经管壳传到散热器表面，空气在强迫或自然对流的作用下，源源不断地流经散热器表面而散到空间，完成元器件的散热工作。铜和铝是导电导热性能都很好的材料，铜的导热系数是铝的2 倍多，但其比重是铝的 3 倍，综合考虑，一般实体散热器都采用铝作为首选材料，铝材散热器一般为铸造型，挤压型、钎焊型等。其热阻是由材料的导热性和体积内的有效面积决定的。当铝散热器在体积达到0.006m3 时，再加大其表面积， 也不能明显减少热阻， 提高系统的热流量。因此，对一具体的元器件，当热流密度一定的情况下，即元器件的耗散功率及表面一定时，无限制的增大散热面积是徒劳的。尤其是防爆电气设备中的元器件散热， 实体散热器将无法将热量散到空气中。若要用水冷散热方法，为确保水冷散热器的绝缘性，应防止散热器出现凝露，在相对湿度 70时，要求环境与水温之差不大于 9.511；对于 85相对湿度时，通常要求环境空气温度与冷却水温度之差不大于 5，否则冷却水系统应有加热装置。 环境温度高，相对湿度大时均要求水温提高。在相对湿度 95时，要求水流量为 4L/min，同时还应有一套水处理系统， 这种方法根本不适合煤矿井下的作业环境。 2 防爆电气设备用热管散热器由于热管是高效传热散热元件，它是利用工作介质吸收和释放汽化潜热量，具有很小的热阻，可以在浊温差下传递很大的热量，以独特的传热方式实现超常的传热效果。所以应用热管高效传热的理论， 制作隔爆型管散热器可以完全解决上述存在的问题，不但散热效果远远好于实体散热器，复杂性大大低于水冷，而可靠性却大大高于水冷系统，改变传统的散热方法使爆炸性气体环境中的电气设备可靠性及自动化程度更加提高。隔爆型热管散热器与防爆电气的箱体组成 1 个完整的防爆壳体，不但能很好地解决爆炸气体环境用电气设备内电器元件的散热问题，而且又能解决电气设备防爆安全问题，使爆炸气体环境用电气设备自动化程度会更加进一步提高。 同时，热管散热器属于静止型机械结构，无相对运动零件，没有噪声、没有磨损、没有污染，属于绿色环保型产品，而且寿命长 （20a），免维护，因此给用户带来极大方便，尤其是煤矿井下防爆电气设备。隔煤型热管散热器结构如图 1 所示，它是由热管散热体及其附件等组成，是将热量传递到周围环境中的一套机械结构。 1隔爆箱体； 2法兰盘； 3 螺栓； 4基板； 5螺栓； 6热管； 7散热片； 8隔离环图 1 隔爆型热管散热器示意图热管散热体是散热过程中起主要传导作用的热管散热器主体，包括热管 6 及其相连接的基板 4、散热片 7、隔离环 8 等零件。 IGBT 模块安装在基板上，基板是连接元器件和热管受热的散热体部分。散热片是连接热管冷却段的散热体中分。附件为法兰盘 2、螺栓 3、5 等零件组成。基板与热管采用焊接组成一体，散热片、隔离环与热管采用过盈联接，基板与法兰盘通过螺栓连接组成一隔爆接合面，法兰盘再与防爆电气设备的箱体用螺栓连接后再组成隔爆接合面，使隔爆型热管散热器与机箱共同组成一个隔爆外壳。隔爆型热管散热器工作时，热管是传输热量的元件，元器件安装在基板上，元器件的发热量通过基板由热管的一端即通过工作介质的饱和蒸汽，传输于热管的另一端即冷凝段，在冷凝段安装有散热片，将元器件产生的热量通过对流和辐射传至周围环境空间，工作介质的饱和蒸汽凝结液体，依靠热管内管芯毛细结构的抽吸作用回流至热管的蒸发段。热管散热器的工作原理是热管通过工作介质（传热流体）相变传输热量，冷却凝结后依靠毛细结构的抽吸作用或液体重力来驱动工作介质回流。这种结构型式的热管散热器，由于热管是工作介质吸收和释放汽化潜热来传递热量，具有很小的热阻，可以在小温差下传递很大的热量。因此可以增加散热片的数量，扩大散热面积来提高散热功率。若翅化比合理（散热片尺寸与热管外径尺寸匹配合理），不仅散热片温度比较一致，而且又高于实体散热器表面温度，这样就增加了散热片的表面温度与环境温度的差值，可提高散热功率，消除实体散热器的缺陷。