王 岩
（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710016）
引言随着我国轨道交通领域电力机车的快速发展和电力机车变流器运行功率的不断提高，对于变流器冷却系统在冷却能力、体积、重量和可靠性等方面的要求也越来越高。
为满足变流器散热性能的要求，在变流器冷却系统上使用蒸发冷却技术代替现有的水冷技术，利用蒸发冷却介质吸热气化自动上升，散热冷却后液化自然下落，能够自主运行的特性，可以省去现有水冷系统中的水泵和膨胀水箱等器件，提高了系统的可靠性。
1 蒸发冷却技术的发展我国的中科院电工研究所早在1958 年，就开始了对蒸发冷却技术的研究[1]。目前蒸发冷却技术主要应用在大型水轮发电机、汽轮发电机、变压器[2]，IT 行业的服务器、数据中心，以及轨道交通领域的车载空调、车站空调系统[3]等等。
蒸发冷却技术，是利用绝缘性高、沸点低的有机工质，通过液体介质气化和液化相变换热的方式，实现对发热部件进行冷却的一种高效冷却技术。冷却介质在发热部件的位置吸收热量气化，气态介质在液态介质中自然上浮到达散热器，在散热器处散热液化，再回流补充到液态介质中，从而完成自发的散热循环。
在安装位置上，根据蒸发冷却技术原理，要求散热器的安装位置必须高于变流器发热源的位置，同时连接管路中不能有死角，这样气化后的冷却介质才能顺利上升到达散热器，完成热量传递。
2 蒸发冷却介质的选择蒸发冷却介质的选择是蒸发冷却系统构成的一个重要环节，冷却介质的好坏会直接影响冷却系统的性能。常用的蒸发冷却介质是使用氟醚类化合物，在选择冷却介质类型时要关注以下因素。
2.1 本质安全特性要求使用的冷却介质本身物化特性是安全的，能够达到无毒、无害、不燃不爆、无腐蚀性的要求。
2.2 环保特性由于介质中含有的氟类成分，部分对环境具有影响，目前通常采用消耗臭氧潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）两个指标来考核。因此在介质选择时，要求ODP 值严格为0，即对臭氧无破坏力，GWP 值目前没有统一的要求，应选取数值尽可能低的介质使用。
2.3 冷却介质的沸点蒸发冷却介质沸点的选择，需要综合被冷却器件的工作温度要求和散热效率要求。沸点过高时可能造成被冷却器件损坏，沸点过低时介质蒸汽与环境空气温差太小，又会造成冷却效率低。以牵引变流器功率模块为例，被冷却的IGBT 器件，运行结温要求是120 ℃，综合考虑工作温度和散热性能可将蒸发冷却介质的沸点选定在80 ℃左右。
2.4 流动与换热性能蒸发冷却系统需要实现自主循环，从流动需求上看，冷却介质的粘度以较低为宜，气化潜热、比热和导热系数以较高为宜。
2.5 材料相容性材料相容性是冷却介质的重要指标，需要检测冷却介质与所有相接触材料的相容性，确保冷却系统使用的材料与冷却介质在接触过程中不会出现使用功能上的退化。
3 在机车变流器上的应用机车变流器通常会布置在机械间，使用立式的柜体。在现有水冷散热系统中，变流器是通过水泵带动冷却介质循环将功率模块散发的热量传递到冷却风机柜的散热器，再通过风机的强迫风冷将热量散发到周围环境中。
以HXD2 型机车为例，其变流器和冷却柜结构如图2 所示，水冷系统使用水泵带动冷却液循环，将逆变功率模块和四象限功率模块运行时产生的热量，传输到冷却风机柜的散热器上，由冷却风机组从车外大气中吸取空气，通过散热器冷却后将热空气排出车外。
在机车变流器冷却系统中，以蒸发冷却系统代替现有水冷系统，可以使用选定的蒸发冷却介质代替水冷介质，去除冷却水泵和膨胀水箱，将逆变功率模块和四象限功率模块的液冷回路直接连接到散热器进行冷却。同时散热器的安装位置需要向上调整，保证散热器位置高于功率模块，这样吸热气化后产生的冷却介质蒸汽才能顺利进入到散热器中进行冷却。
因此，在现有的机车变流器中，以蒸发冷却系统代替原有的水冷系统，可以在保持变流器和冷却风机柜布局结构不变的情况下，省去水泵和膨胀水箱，减小变流器的体积重量和散热能耗，同时提高冷却系统可靠性。
4 在动车变流器上的应用动车变流器通常布置在车底，形状为扁平形，以CRH2 型动车组为例，其外形结构如图3 所示。动车变流器冷却系统的工作原理与机车变流器大致相同，在冷却风路上是使用冷却风机将冷却空气从变流器的一侧吸入，完成冷却后再从另一侧排出。
蒸发冷却系统在动车变流器中替代水冷系统时，由于动车变流器是扁平形状，上下空间范围较小，要满足散热器安装位置高于功率模块，需要对变流器内部结构的布局进行调整。在动车车体上的安装位置调整，可以考虑将变流器的散热器布置到车顶，与车载空调散热器放置在一起。
因此，蒸发冷却技术同样可以应用于动车变流器，同样具备减小变流器的体积重量和散热能耗，提高冷却系统可靠性的优点，但是需要对变流器的结构布局进行调整。
5 技术发展前景蒸发冷却技术应用在电力机车变流器上，相比于现有的水冷技术，具有体积小、质量小、散热能耗低、可靠性高等众多优点。蒸发冷却技术在电力机车上应用时，既可以对现有市场的存量变流器进行升级改造，也可以在新制变流器时使用，提高变流器的冷却系统的性能。在动车组变流器上使用时，需要对原有布局进行调整，适用于新制变流器。
蒸发冷却技术应用在电力机车、动车变流器领域，有着明显的技术优势和广阔的市场空间，同时该技术在变流器实际应用上所涉及到的一些问题，还需要进一步的实践和探索。
