深入浅出话热管散热器和励磁热管功率柜(整理励磁专家陈小明的资料).docx

目 录目 录I第一章 深入浅出话热管散热器1一、从高压锅话热管1二、热管原理2三、热管的基本特性4四、热管种类4五、热管散热器5六、热管的应用7第二章 励磁热管功率柜9一、励磁功率柜简述9二、早期励磁热管功率柜简述12三、葛洲坝电厂励磁热管功率柜简述13三、对葛洲坝电厂两种热管功率柜的认识17四、对新一代励磁热管功率柜展望18I第一章 深入浅出话热管散热器一、从高压锅话热管生活常识告诉我们，假如高压锅里面没有水，下面马上烧红而上面并不烫手，可见没有水的高压锅热传导很慢。如果高压锅放入少量的水，下面不会烧红，水一沸腾上面就很烫手，热传导很快。究其原因，是因为沸腾的水在这个过程中快速传递热量。从理论上来说，沸腾的水在高压锅里发生了相变过程：水加热沸腾，由水变为蒸汽，吸收锅底大量热量；蒸汽迅速上升，接触到温度稍微低一点的锅面，蒸汽冷凝成水释放大量热量，并在重力的作用下回流到锅里面。我们知道物质有三种状态：固态、液态和气态，对应这三种状态存在三种相：固相、液相、气相。所谓相那就是当物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。当物体由一种相态（固态、液态或气态）至另一种相态的转变，其间物理特性和分子结构发生了明显变化。当液相变为气相，吸收大量热量；当气相变为液相，释放大量热量。没有水的高压锅没有相变，热传导仅仅是金属的热传导，锅底锅盖上下温差大，传热响应慢，等温性差。有水的高压锅除了原来金属的热传导方式外，还增加了一种水沸腾相变传导热量方式，水变为汽，汽变成水，前者吸收锅底大量热量，后者将大量热量释放到锅盖。这种相变热传导方式，就是热管传导方式，使得高压锅上下温差小，传热响应快，等温性好。由此可见，热管就是一个在密封的金属体放入少量液态工质，一旦液态加热沸腾，发生气态相变，迅速传导热量。有水的高压锅就相当于一个热管，并且还是一个重力热管，因为水大部分是靠重力回流到锅底的。这种相当于热管的东西，在生活中很多，其原理简化为下图，A是液体，B是汽化过程，液体沸腾，C是气体在冷端释放热量，D是气体又变成液体并且在重力作用下回流到液体之中。2、 热管原理热管是一种传热性极好的人工器件，常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管，内部有少量工作介质（液体）和毛细结构，管内的空气及其他杂物必须排除在外。也就是说，典型热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用或重力回流到蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。1. 详细热管原理，热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程。（1） 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面；（2） 液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发；（3） 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；（4） 蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结；（5） 热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；（6） 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。2. 热管工作时利用了三种物理学原理。（1） 在真空状态下，液体的沸点降低；（2） 同种物质的汽化潜热比显热高的多；（3） 多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。213、 热管的基本特性热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。1. 很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善（径向热管除外）。2. 优良的等温性热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。3. 热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。4. 热流方向可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应容器及其他装置。5. 热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。6. 恒温特性（可控热管）普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。7. 环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。4、 热管种类典型热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管两端一个为蒸发段（加热段），另一个为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置明显的绝热段。因此，我们不能说一个热管没有明显的绝热段就不是热管。有水的高压锅就是一个沸点为100度的热管，没有明显的绝热段。由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种：（1） 按照热管管内的工作温度区分：可分为低温热管（-2730）、常温热管（0250）、中温热管（250450）、高温热管（4501000）等。（2） 按照工作液体回流动力区分：可分为有芯热管、两相闭式热管（又称重力热管）、两相环流热管（又称环形热管）、策略辅助热管、旋转热管、电流体动热热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。（3） 按照热管金属材料和工作液体来分：可分为铜-水热管、碳钢-水热管、铜钢复合-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-萘热管、不锈钢-钠热管等等。（4） 按结构形式区分：可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等等。（5）按热管的功用划分：可分为传输热量的热管、热二极管、热开关管、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。5、 热管散热器我们现在的生活离不开电力设备，也离不开计算机等电子控制设备，从专业角度上将，我们现在的生活离不开电力电子设备（电力+电子+控制）。而影响电力电子设备应用的重要问题，就是散热问题。我们知道，高速运动的电子会碰撞产生热量，正常运行的电子或电力电子芯片会产生热量。要想保证这些芯片正常运行，就必须采取措施将芯片产生的热量迅速散发掉，否则芯片会因高温“烧掉”而损害。普通电力电子芯片的允许温度为100多度，据说最高为150。安全运行温度不要超过100，其芯片的管壳（外壳）温度应该低于100，一般选为80较为合适。为了保证电力电子芯片的运行温度不要超标，必须给电力电子元器件散热，传统方法一般采用铝散热器，有的自冷、有的风冷。为了散热效率，把铝片设计的非常复杂，如下图所示。 自从有个热管，就有了热管散热器。热管散热器是利用热管技术能对许多老式散热器或换热产品和系统作重大的改进而产生出的新产品。典型的热管散热器是重力热管散热器，所谓重力热管，那就是热管内的液体主要靠重力的作用回流到蒸发段的，因此重力热管散热器一般倾斜放置，如下图所示。上图中的重力热管的工作原理是：将数根铜芯热管倾斜放置，低端（蒸发段）焊接铜板，并且压装电力电子器件，让管壳的高温传导到热管上。一旦管壳的高温使得热铜工作液体沸腾，汽化的蒸汽吸收热量并且迅速传导到热管高端（冷凝段），蒸汽遇到散热器又冷凝成液体，释放大量热量。液体通过重力和毛细作用回流到低端（蒸发段），如此反复，热管稳定动作，将原来聚集在管壳的温度降了下了，达到了散热目的。比较普通金属散热器和热管散热器的重要指标是热阻，在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的热阻小很多，其散热性能可提高十倍以上。重力热管散热器，按照按照热管管内的工作温度区分，属于常温热管（0250）、热管运行稳定范围为2580。即当温度达到25，热管里面的液体就应该沸腾，当温度达到80就已经达到了它应有的散热目的。如果需要散热的功率大于设计功率，此时温度继续上升，里面的气体压力巨大，可能会损坏密封的热管。一般来说，重力热管散热器试验的最大温度为120度；重力热管散热器，按照工作液体回流动力区分，属于有芯热管（里面有毛细）、属于两相闭式热管；按照热管金属材料和工作液体来分，属于铜-比水沸点低的工作液体热管，比如铜-丙酮热、铜-酒精热管等；按结构形式区分，可分为普通热管、径向热管等等。按热管的功用划分，属于传输热量的热管等等。研究表明，径向热管（倾斜放置）的效率较高，因此，重力热管散热器是一种很好的热管，使用较为广泛。6、 热管的应用计算机中央处理器CUP是一个高速运行的微电子芯片，是计算机的核心，运行中产生大量的热量。以前的CPU散热就是采用金属散热器外配风扇散热。如下图所示，风机下面就是CPU散热器，散热器下面就是CPU。CPU发热传给散热器，风扇冷却散热器。由于单纯的金属散热器的热阻太大，散热效果不好，制约了CUP的运行速度。同时风扇引来很多灰尘，导致散热效果更差。更为严重的是，导电的灰尘常常使得CPU引脚短路，造成CPU损坏。以前计算机爱好者，喜欢提高CPU的运行频率，即超频，的确可以提高运行速度，可是一旦超频运行，如果不加大风扇，CPU的温度就会上升，有点危险。自从有了CPU热管散热器以后，CPU运行速度就可以很高，且散热器体积小，重量轻，温度低、效果好。现在的CPU大都采用了热管散热器。典型的CPU热管散热器结构如下图所示。CPU热管散热器工作原理是：一根U型铜材热管，上端是铝散热器片，并且安装一个风机，下端是压接CPU管壳的金属板。一旦CPU运行产生热量，CPU将热能传给压接板，压接板传给热管，热管下端的液体沸腾变为气体，气体上升到铝片释放热量又变为液体，风机将铝片的热量吹走，加速气体变为液体。在重力的作用下，液体又回流到底部，再吸收CPU的热能又变为气体，如此反复工作，使得CUP的运行温度在允许范围内。还要值得注意的是，这种热管依然是重力热管，液体主要是靠重力回流到CPU段的，这是垂直放置的重力热管，尽管热传导效率没有倾斜放置的重力热管高，但依然是热管，其热阻很低，传热效果很好。目前，计算机CPU热管散热突飞猛进，产生了各种各样的类型，下面，让我们来欣赏这些精美热管散热器： 第二章 励磁热管功率柜一、励磁功率柜简述在电力电子行业，将交流变为直流（整流）和将直流变为交流（逆变）的应用场合越来越多了，发电机励磁功率柜就是一个典型的应用。发电机正常运行时，励磁装置功率部分提供可调的整流直流电，送到发电机的转子进行励磁即产生磁场，旋转的磁场切割发电机定子线圈，从而发电机发出交流电。当发电机停机时，励磁装置将转子直流电逆变成交流电进行灭磁，直到转子电流等于零为止。我们把既能整流又能逆变的这部分励磁装置功率部分成为励磁功率柜，也可以称为励磁整流柜。励磁功率柜一般采用晶闸管三相全控桥整流电路，正常运行时整流（交流变直流），停机灭磁时逆变（直流变交流），主要技术要点如下图所示。大功率晶闸管一般采用铝型材散热器，中间是晶闸管，两边是铝型材，组成一个晶闸管功率组件，如下图所示。根据不同的结构需要，也有将两个晶闸管用三个铝型材组建在一起的双晶闸管组件，也有用两个晶闸管组成一个组件，如下图所示。将这些晶闸管组件放到一个盘柜里面，按照三相全控桥连接，就成了一个励磁功率柜。由于采用热阻大的铝型材散热器，因此励磁功率柜必须配有冷却风机，有的风机装在盘柜下面，有的在上面，有的一个，有的两个，如下图所示。风机运行中振动大、噪声大、灰尘多，是常规励磁功率柜的最大缺点。常规励磁功率柜还有一个缺点，那就是输出功率受到晶闸管温升的限制。晶闸管壳温按照国标和行标的温度是不超过80，国外励磁行业通行做法是按照晶闸管允许温度限制，最大输出功率下管芯不超过125，管壳不超过110，正常运行下的壳温不超过80。由于普通铝散热器的热阻大，晶闸管的温度主要集中在管壳，要使管壳温度不超过规定的限制，就只能降低晶闸管的输出功率。在同样风机条件下，如果采用热管散热器，晶闸管的温度会很快传导到散热器的末端，大大降低了晶闸管的管壳温度，也就大大提高了晶闸管的输出功率。因此，励磁热管功率柜的应用有两个方向：取消冷却风机，采用自冷；保留风机，增到功率柜的出力。其主流方向是：取消风机，同时又有相当大的功率输出。2、 早期励磁热管功率柜简述随着热管、热管散热器的广泛采用，励磁功率柜也开始采用热管散热器来装配晶闸管。由于热管散热器热阻低、传热效果好，因此励磁热管功率柜就可以不采用冷却风机或者采用小冷却风机，噪声小，灰尘少，很受运行单位欢迎。我很早就听我的师傅万森海说过励磁热管功率柜，但是真正看到励磁热管功率柜，大概是2000年左右，我同葛洲坝电厂的邹先明专程到丹江口水电厂考察南京南瑞电控生产的励磁热管功率柜。最初的印象令我失望，功率柜里面的温度也不低，两个小风机必须长期投入使用，灰尘还不少。正是这个印象，暂时打消了我们葛洲坝电厂采用励磁热管功率柜的想法。造成最初励磁热管功率柜运行效果并不好的原因，现在看来很清楚，那就是当时的励磁热管功率柜结构设计有问题，没有仔细考虑如何将柜内的热量传导到柜外去。当时的南瑞励磁热管功率柜，包括我国最早研制励磁热管功率柜的武汉洪山电工，都在励磁热管功率柜的结构考虑不周，里面过多的环氧板和大型器件阻碍了柜内热量的流动，限制了柜内热量传导到柜外的效率，所以造成了运行温度过高的问题，如下所示。早期的励磁热管功率柜，都是采用的重力热管散热器。所谓重力热管散热器，我在深入浅出话热管散热器文中已经详细阐述，简单一句话，那就是一根直形热管，水平倾斜布置，热管里面的液体主要是因重力的作用回到热管底部的。现在我来摘抄葛洲坝电厂高劲松、曾涛、邹先明、夏敬杰2006年乌江渡电厂、西津电厂励磁热管功率柜考察报告，从这里可以看到早期励磁热管功率柜的结构：“乌江渡电厂1#发电机励磁功率柜采用热管冷却方式，由南瑞公司生产，2004年10月投入运行。发电机额定励磁电流1870A，额定励磁电压350V，有三个励磁功率柜，柜体长宽为1200mm1200mm，柜顶和柜体后门有通风网格，热管散热器选用重力热管，单柜设计出力1800A，每个功率柜装有6个小风扇，6个测温元件安装在散热器中上端附近，只能测量柜内的空气温度，设定59启动小风扇。整个装置安装在厂房大厅，乌江渡电厂的厂房属地下厂房，厂房内环境温度较低，约27。”“西津电厂1#机励磁系统功率柜采用热管冷却方式，由武汉洪山电工技术研究所生产，于1997年投运。发电机额定励磁电流1400A，有2个励磁功率柜，柜体长宽为1000mm1000mm，柜顶和柜后门有通风网格，热管散热器选用重力热管，每个功率柜装有3个小风扇，每个风扇功率38W。功率柜背后装有2个柜式空调，整个励磁安装间与厂房大厅是封闭的。”三、葛洲坝电厂励磁热管功率柜简述葛洲坝电厂一直没有停止采用热管功率柜的想法，因为我们深知普通功率柜所带来的问题：风机振动大、噪声大、可靠性差、灰尘多等。在没有采用热管功率柜的时候，葛洲坝电厂以黄大可为首的励磁专家对普通功率柜的风系统进行了很多次改造，最成功的就是取消单个功率柜的风机，改分散冷却风机系统为集中冷却风机系统，利用风道将风机安装在风道的另一段，减少了风机数量，减少了风机振动对功率柜的影响，如下图所示。鉴于早期重力热管散热器存在的诸多问题，2002年葛洲坝电厂联合三峡能事达公司和鞍山欧博达热管公司，开始研制环形重力热管功率柜，最终于2003年投运STR-1600RG热管功率柜，6个环形热管散热器上下布置，下面有两个小风机，温度超过设定值就启动风机进行辅助降温，温度低于设定值就停止风机，热管功率柜自冷运行。如下图所示。从上图上看，STR-1600RG环形热管功率柜在结构上，柜内塞得满满当当，也存在风阻过大，柜内温度过高，散热器温度不均衡等问题。究其原因，正如葛电测控分部总结的那样：主要是由于盘柜前后门设计的散热孔比较小，再加上环形热管散热器体积大，影响了柜内的自然通风，并非是由于环形热管原理本身问题。造成这种情况是因为当时大家关注的是热管散热器原理问题，没有意识到将柜内热量排到柜外是热管功率柜必须解决的另一个重大技术问题。针对STR-1600RG环形热管功率柜存在的问题，2006年葛洲坝电厂以黄大可为首励磁专家开始研制的GDR-1200普通重力热管小功率柜，虽然还是6个直形热管散热器上下布置，但是由于散热器体积小，减少了柜内风阻，并且在盘柜前后门上以及盘柜顶上多开通风口，打通了柜内热量与外部的交换通道，降低了柜内温度，取得了可喜的成绩。GDR-1200柜上部配置了三个小风机，当温度超高过设定值就启动，低于设定值就停止，如下图所示。无论是STR-1600RG环形重力热管功率柜，还是GDR-1200直形重力热管功率柜，都是采用6个热管散热器上下布置，都存在一个限制其输出功率的短板效应：上层晶闸管热管散热器的环境温度比下层高，上层晶闸管的温升极限就是这个功率柜的输出极限，极大地降低了功率柜的输出能力。比如，按照下层晶闸管的温升极限考核该功率柜最大输出能力为1600A，但是如果按照上层晶闸管的温升极限来考核，该功率柜最大输出能力可能只能为1200A，因此，该功率柜的输出能力只能是1200A了。另外，由于直形重力热管是柜内水平倾斜布置，如果增大直形热管功率或者是体积，就必须增大盘柜横向尺寸，因此直形重力热管的最大问题就是因为布置问题，不能大幅度提高其输出功率。为了提高热管的输出功率，为了解决上层热管的环境温度比下层高的难题，早在2005年三峡能事达公司（顾宏进、吴光军、万和勇、周宇等）联合葛洲坝电厂（邵显钧、朱必良、高劲松等）和鞍山欧博达公司（郭度厚、张馨元等）继续攻关环形重力热管功率柜，研制STR-2500RG大热管功率柜（2500A），采用6个环形热管散热器水平布置，解决了上层晶闸管环境温度过高的短板效应，极大地提高了热管功率，如下图所示。该热管励磁功率柜即将投入三峡地下电站700MW机组上使用。2010年11月底，黄大可等葛电技术人员再次对STR-2500RG环形热管功率柜进行温升试验，从小电流800A开始直到最大输出电流3000A，试验表明具有自冷条件下2500A输出能力。2010年7月，ABB在瑞士励磁公司对STR-2500RG环形热管功率柜进行了大电流型式试验，证明输出能力达到2500A，可以短时输出3000A。随后ABB公司对STR-2500RG大功率柜结构进行改进：将电容从风道上已到了盘柜侧面，减少了电容因为高温损坏的可能；取消了小风机，是一个彻头彻尾的自冷大功率柜。该环形重力热管功率经过ABB专家的改进，再配上了ABB的UNITROL5000或UNITROL6000控制系统，就成为ABB励磁公司的首款大型热管励磁系统，如下图所示。葛洲坝电厂热管功率柜选型论证，经历了激烈的技术讨论，提高了我们的认识：热管功率柜涉及两个技术问题，第一是采用何种热管将可控硅的热量传递到散热器，第二是采用何种冷却技术将柜内的热量排到柜外。葛洲坝电厂热管功率柜的讨论结论是，STR-1600RG环形重力热管功率柜存在结构问题，需要改进；建议葛洲坝电厂采用GDR-1200直形热管功率柜；三峡地下电站采用STR-2500RG环形热管功率柜。STR-2500RG环形热管功率柜按照直形热管功率柜经验，增大进出通风口，并且将6个直形热管散热器上下布置结构改为水平布置，减少下层散热器对上层散热器的影响，提高了热管功率柜的输出水平。三、对葛洲坝电厂两种热管功率柜的认识（1） 直形与环形热管原理无论是一根密封抽真空的长管，还是一个密封抽真空的环形管，在里面注入少量液体（乙醇等），能够把加热端的热量通过液体汽化传递到冷却端，这根金属管就成了热管，如下图所示。在热管下端加热，液体沸腾后产生汽体（蒸发），汽体迅速上升并将热量传导到上端后又变成液体（冷凝），液体依靠重力回到热管下端，如此反复循环，这就是重力热管的原理。能事达励磁功率柜采用的热管，无论是小功率柜采用的直管，还是大功率柜采用环管，原理上都属于重力热管。只要热管密封好，液体沸点合适，就能够将可控硅运行产生的温度迅速传导到整个散热器，再利用功率柜