摘要：文章介紹了傳統(tǒng)散熱方式存在的缺陷，詳細(xì)討論了熱管技術(shù)在防爆電器設(shè)備中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：熱管工作介質(zhì)；潛熱；熱管散熱器；防爆電氣設(shè)備；應(yīng)用
半個(gè)多世紀(jì)來，電氣防爆技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前就是世界范圍內(nèi)被普遍接受的防爆技術(shù)有：隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型、正壓型、充油型、澆封型和無火花型等。其中隔爆型防爆電氣應(yīng)用較為普遍。所謂隔爆型防爆設(shè)備就是將電氣設(shè)備置于即耐爆又隔爆的防爆外殼中。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置向大功率、緊湊化、輕量化發(fā)展。單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的熱量增加很快，有效的散熱面積卻相對(duì)減少，由于元器件的可靠性與溫度成反比，設(shè)備的故障率隨元器件溫度升高而成指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，熱量積累可以摧毀元器件，熱波動(dòng)可以造成焊點(diǎn)松動(dòng)，因此應(yīng)嚴(yán)格控制元器件溫度，從而可靠的散熱技術(shù)成了研究的重點(diǎn)課題，尤其對(duì)于防爆電氣設(shè)備更為重要。
1傳統(tǒng)散熱方式及其缺陷
傳統(tǒng)的散熱方式以換熱（冷卻）介質(zhì)的名稱而命名，一般普通采用空氣冷卻，又分為風(fēng)冷或自冷。器件工作時(shí)，管芯發(fā)熱經(jīng)管殼傳到散熱器表面，空氣在強(qiáng)迫或自然對(duì)流的作用下，源源不斷地流經(jīng)散熱器表面而散到空間，完成元器件的散熱工作。
銅和鋁是導(dǎo)電導(dǎo)熱性能都很好的材料，銅的導(dǎo)熱系數(shù)是鋁的2倍多，但其比重是鋁的3倍，綜合考慮，一般實(shí)體散熱器都采用鋁作為首選材料，鋁材散熱器一般為鑄造型，擠壓型、釬焊型等。其熱阻是由材料的導(dǎo)熱性和體積內(nèi)的有效面積決定的。當(dāng)鋁散熱器在體積達(dá)到0.006m3時(shí)，再加大其表面積，也不能明顯減少熱阻，提高系統(tǒng)的熱流量。因此，對(duì)一具體的元器件，當(dāng)熱流密度一定的情況下，即元器件的耗散功率及表面一定時(shí)，無限制的增大散熱面積是徒勞的。尤其是防爆電氣設(shè)備中的元器件散熱，實(shí)體散熱器將無法將熱量散到空氣中。
若要用水冷散熱方法，為確保水冷散熱器的絕緣性，應(yīng)防止散熱器出現(xiàn)凝露，在相對(duì)濕度70％時(shí)，要求環(huán)境與水溫之差不大于9.5～11℃；對(duì)于85％相對(duì)濕度時(shí)，通常要求環(huán)境空氣溫度與冷卻水溫度之差不大于5℃，否則冷卻水系統(tǒng)應(yīng)有加熱裝置。環(huán)境溫度高，相對(duì)濕度大時(shí)均要求水溫提高。在相對(duì)濕度95％時(shí)，要求水流量為4L/min，同時(shí)還應(yīng)有一套水處理系統(tǒng)，這種方法根本不適合煤礦井下的作業(yè)環(huán)境。
2防爆電氣設(shè)備用熱管散熱器
由于熱管是高效傳熱散熱元件，它是利用工作介質(zhì)吸收和釋放汽化潛熱量，具有很小的熱阻，可以在濁溫差下傳遞很大的熱量，以獨(dú)特的傳熱方式實(shí)現(xiàn)超常的傳熱效果。所以應(yīng)用熱管高效傳熱的理論，制作隔爆型管散熱器可以完全解決上述存在的問題，不但散熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于實(shí)體散熱器，復(fù)雜性大大低于水冷，而可靠性卻大大高于水冷系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的散熱方法使爆炸性氣體環(huán)境中的電氣設(shè)備可靠性及自動(dòng)化程度更加提高。
隔爆型熱管散熱器與防爆電氣的箱體組成1個(gè)完整的防爆殼體，不但能很好地解決爆炸氣體環(huán)境用電氣設(shè)備內(nèi)電器元件的散熱問題，而且又能解決電氣設(shè)備防爆安全問題，使爆炸氣體環(huán)境用電氣設(shè)備自動(dòng)化程度會(huì)更加進(jìn)一步提高。同時(shí)，熱管散熱器屬于靜止型機(jī)械結(jié)構(gòu)，無相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件，沒有噪聲、沒有磨損、沒有污染，屬于綠色環(huán)保型產(chǎn)品，而且壽命長(zhǎng)（20a），免維護(hù)，因此給用戶帶來極大方便，尤其是煤礦井下防爆電氣設(shè)備。
隔煤型熱管散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由熱管散熱體及其附件等組成，是將熱量傳遞到周圍環(huán)境中的一套機(jī)械結(jié)構(gòu)。
1－隔爆箱體；2－法蘭盤；3－螺栓；4－基板；5－螺栓；6－熱管；7－散熱片；8－隔離環(huán)
圖1隔爆型熱管散熱器示意圖
熱管散熱體是散熱過程中起主要傳導(dǎo)作用的熱管散熱器主體，包括熱管6及其相連接的基板4、散熱片7、隔離環(huán)8等零件。IGBT模塊安裝在基板上，基板是連接元器件和熱管受熱的散熱體部分。散熱片是連接熱管冷卻段的散熱體中分。附件為法蘭盤2、螺栓3、5等零件組成?；迮c熱管采用焊接組成一體，散熱片、隔離環(huán)與熱管采用過盈聯(lián)接，基板與法蘭盤通過螺栓連接組成一隔爆接合面，法蘭盤再與防爆電氣設(shè)備的箱體用螺栓連接后再組成隔爆接合面，使隔爆型熱管散熱器與機(jī)箱共同組成一個(gè)隔爆外殼。
隔爆型熱管散熱器工作時(shí)，熱管是傳輸熱量的元件，元器件安裝在基板上，元器件的發(fā)熱量通過基板由熱管的一端即通過工作介質(zhì)的飽和蒸汽，傳輸于熱管的另一端即冷凝段，在冷凝段安裝有散熱片，將元器件產(chǎn)生的熱量通過對(duì)流和輻射傳至周圍環(huán)境空間，工作介質(zhì)的飽和蒸汽凝結(jié)液體，依靠熱管內(nèi)管芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)的抽吸作用回流至熱管的蒸發(fā)段。熱管散熱器的工作原理是熱管通過工作介質(zhì)（傳熱流體）相變傳輸熱量，冷卻凝結(jié)后依靠毛細(xì)結(jié)構(gòu)的抽吸作用或液體重力來驅(qū)動(dòng)工作介質(zhì)回流。
這種結(jié)構(gòu)型式的熱管散熱器，由于熱管是工作介質(zhì)吸收和釋放汽化潛熱來傳遞熱量，具有很小的熱阻，可以在小溫差下傳遞很大的熱量。因此可以增加散熱片的數(shù)量，擴(kuò)大散熱面積來提高散熱功率。若翅化比合理（散熱片尺寸與熱管外徑尺寸匹配合理），不僅散熱片溫度比較一致，而且又高于實(shí)體散熱器表面溫度，這樣就增加了散熱片的表面溫度與環(huán)境溫度的差值，可提高散熱功率，消除實(shí)體散熱器的缺陷。
3結(jié)論
（1）在眾多的傳熱元件中，熱管有效的傳熱元件。隔爆型熱管散熱器，保證了防爆電氣設(shè)備中元器件的有效散熱，使得新型電子元器件在爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的應(yīng)用有了可靠的基礎(chǔ)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于煤礦井下各種場(chǎng)合用的變頻調(diào)速裝置中，有效地解決了電氣設(shè)備隔爆散熱的難題，為新型電子元器件在防爆電氣設(shè)備中的應(yīng)用開辟了一條新路。
（2）由于熱管散熱器具有緊湊可靠、高效散熱、不需維護(hù)等特點(diǎn)，給防爆電氣及整機(jī)設(shè)計(jì)提供了許多靈活性和優(yōu)勢(shì)，不但能提高整機(jī)的技術(shù)水平，還可提高綜合性能及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
（吳寶宗 邵蓉 陳捷頻 王慧）
