热管技术在煤矿井下防爆电气设备中的应用.docx

欢迎光临安全人之家 https:/ 热管技术在煤矿井下防爆电气设备中的应用 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， 欢迎光临安全人之家 https:/ 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。 欢迎光临安全人之家 https:/ 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 欢迎光临安全人之家 https:/ 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