熱管技術在煤礦井下防爆電氣設備中的應用
摘要：文章介紹了傳統散熱方式存在的缺陷，詳細討論了熱管技術在防爆電器設備中的應用。
關鍵詞：熱管工作介質；潛熱；熱管散熱器；防爆電氣設備；應用
半個多世紀來，電氣防爆技術有了突飛猛進的發展。目前就是世界範圍內被普遍接受的防爆技術有：隔爆型、增安型、本質安全型、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用較為普遍。所謂隔爆型防爆設備就是將電氣設備置於即耐爆又隔爆的防爆外殼中。
隨著電力電子技術的發展，電力電子裝置向大功率、緊湊化、輕量化發展。單位體積內所產生的熱量增加很快，有效的散熱麵積卻相對減少，由於元器件的可靠性與溫度成反比，設備的故障率隨元器件溫度升高而成指數關係增長，熱量積累可以摧毀元器件，熱波動可以造成焊點鬆動，因此應嚴格控製元器件溫度，從而可靠的散熱技術成了研究的重點課題，尤其對於防爆電氣設備更為重要。
1傳統散熱方式及其缺陷
傳統的散熱方式以換熱（冷卻）介質的名稱而命名，一般普通采用空氣冷卻，又分為風冷或自冷。器件工作時，管芯發熱經管殼傳到散熱器表麵，空氣在強迫或自然對流的作用下，源源不斷地流經散熱器表麵而散到空間，完成元器件的散熱工作。
銅和鋁是導電導熱性能都很好的材料，銅的導熱係數是鋁的2倍多，但其比重是鋁的3倍，綜合考慮，一般實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、釺焊型等。其熱阻是由材料的導熱性和體積內的有效麵積決定的。當鋁散熱器在體積達到0.006m3時，再加大其表麵積，也不能明顯減少熱阻，提高係統的熱流量。因此，對一具體的元器件，當熱流密度一定的情況下，即元器件的耗散功率及表麵一定時，無限製的增大散熱麵積是徒勞的。尤其是防爆電氣設備中的元器件散熱，實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，應防止散熱器出現凝露，在相對濕度70％時，要求環境與水溫之差不大於9.5～11℃；對於85％相對濕度時，通常要求環境空氣溫度與冷卻水溫度之差不大於5℃，否則冷卻水係統應有加熱裝置。環境溫度高，相對濕度大時均要求水溫提高。在相對濕度95％時，要求水流量為4L/min，同時還應有一套水處理係統，這種方法根本不適合煤礦井下的作業環境。
2防爆電氣設備用熱管散熱器
由於熱管是高效傳熱散熱元件，它是利用工作介質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，以獨特的傳熱方式實現超常的傳熱效果。所以應用熱管高效傳熱的理論，製作隔爆型管散熱器可以完全解決上述存在的問題，不但散熱效果遠遠好於實體散熱器，複雜性大大低於水冷，而可靠性卻大大高於水冷係統，改變傳統的散熱方法使爆炸性氣體環境中的電氣設備可靠性及自動化程度更加提高。
隔爆型熱管散熱器與防爆電氣的箱體組成1個完整的防爆殼體，不但能很好地解決爆炸氣體環境用電氣設備內電器元件的散熱問題，而且又能解決電氣設備防爆安全問題，使爆炸氣體環境用電氣設備自動化程度會更加進一步提高。同時，熱管散熱器屬於靜止型機械結構，無相對運動零件，沒有噪聲、沒有磨損、沒有汙染，屬於綠色環保型產品，而且壽命長（20a），免維護，因此給用戶帶來極大方便，尤其是煤礦井下防爆電氣設備。
隔煤型熱管散熱器結構如圖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境中的一套機械結構。
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
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。基板與熱管采用焊接組成一體，散熱片、隔離環與熱管采用過盈聯接，基板與法蘭盤通過螺栓連接組成一隔爆接合麵，法蘭盤再與防爆電氣設備的箱體用螺栓連接後再組成隔爆接合麵，使隔爆型熱管散熱器與機箱共同組成一個隔爆外殼。
隔爆型熱管散熱器工作時，熱管是傳輸熱量的元件，元器件安裝在基板上，元器件的發熱量通過基板由熱管的一端即通過工作介質的飽和蒸汽，傳輸於熱管的另一端即冷凝段，在冷凝段安裝有散熱片，將元器件產生的熱量通過對流和輻射傳至周圍環境空間，工作介質的飽和蒸汽凝結液體，依靠熱管內管芯毛細結構的抽吸作用回流至熱管的蒸發段。熱管散熱器的工作原理是熱管通過工作介質（傳熱流體）相變傳輸熱量，冷卻凝結後依靠毛細結構的抽吸作用或液體重力來驅動工作介質回流。
這種結構型式的熱管散熱器，由於熱管是工作介質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量，擴大散熱麵積來提高散熱功率。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，而且又高於實體散熱器表麵溫度，這樣就增加了散熱片的表麵溫度與環境溫度的差值，可提高散熱功率，消除實體散熱器的缺陷。
3結論
（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場所的應用有了可靠的基礎，現已廣泛應用於煤礦井下各種場合用的變頻調速裝置中，有效地解決了電氣設備隔爆散熱的難題，為新型電子元器件在防爆電氣設備中的應用開辟了一條新路。
（2）由於熱管散熱器具有緊湊可靠、高效散熱、不需維護等特點，給防爆電氣及整機設計提供了許多靈活性和優勢，不但能提高整機的技術水平，還可提高綜合性能及市場競爭力。
（吳寶宗 邵蓉 陳捷頻 王慧）
