热管技术在特种汽车上的应用

   热管是世界上迄今所知的传热速度最快的传热元件,被称为“热超导管”。1970 年我国引进后,已经成功地应用于国民经济各领域。近年来,随着汽车向专用化和驾乘自动化、舒适化方向发展,热管技术已经进入了汽车特别是特种汽车设计制造领域。

1 　热管用于汽车内电器的散热冷却

    现代汽车尤其是特种汽车需要大量地使用各种电器,而这些电器元件必须在额定的温度下工作。一旦超过了这个额定温度,则元件的性能将大幅度下降而工作不稳定,严重时,则可能烧损该元件甚至
整个设备。所以这些元件的散热冷却对于保证汽车的正常和安全运行是非常重要的,特别是在要求电器元件的体积、重量小型化的同时又具有大电流、高电压、大功率、高频率、长寿命和高可靠性的情况下,传统的冷却方式和设置已经远远不能满足其需要。

    热管散热器对电器元件进行散热冷却,比传统的散热器具有以下优势:

a. 传热速度快、散热量大、散热效率高。从而使散热器体积小重量轻。
b. 可以将热量从发热元件上引出,在距离元件较远的地方进行散热,易于元件和其他零件之间的结构布置。
c. 冷却方式可以是自冷、风冷和水冷,特别是不必忌讳冷却水的电器绝缘性能的影响和破坏。

1.1 　电器密封箱体内部热量整体性的散热当大量元件被密封在箱体内时,其工作中产生的热量需要及时地散发到箱体的外部,传统的方法是利用金属壳体自身向大气散热,为了提高散热速度,金属壳体上可以装置大量的翅片;或者采用向箱体内部通循环水进行冷却。前者的散热量有限,不
适应在机壳外部采用风机提高空气的流动速度来提高冷却效果,更不适应采用涂层的金属机壳和非金属绝缘机壳。后者对于大多数电器来讲,则往往忌讳水有可能破坏电器的绝缘性能。
    采用热管对密封箱体内部热量进行整体性散热有三种结构组合方式:图1 是其示意图,图1a 是热管散热器安装在箱体的顶部;图1b 是热管散热器安装在箱体的侧面;图1c 是采用了分离型热管散热器。

图1 　采用热管散热器对电器密封箱体内部热量进行整体散热

1.2 　对单个发热元件进行局部散热电器密封箱体内部热量整体性的散热并不是对每一个发热元件都能得到充分的冷却。尤其是对那些个别功率大,发热量大,又特别重要或贵重的元件,更需要进行单独散热。例如整流器、变压器、高频发生器、集成电路等。
    用于电器元件散热的热管散热器有两类:一类是直接式,即将热管的蒸发段直接与元件制造成一体,冷凝段引出元件外,把元件内部的热量引出到元件外部,在外部的冷流体中散发;另一类是间接式,
即将热管附加在元件上,成为独立的热管散热器。
    目前应用较多的是间接式,常用的热管有两种:单支管式热管和分离式热管,其结构都比较简单。
    上面提及的热管散热器,已经应用在变压器^[1] 、晶闸管^[2] 、可控硅^[3]等电器设备上。它对于运动中的各种专用车辆,如工程车、发电车、测量车、广播电视转播车、卫星通讯车等具有特别重要的意义。因为它们中间有许多电力电子设备的散热需要它们运动时产生的空气流来帮助,然而如果把这些发热元件直接安装在车外,则往往会因灰尘的吸附而导致电火花、电路短路、电路断路、散热不足等问题。若采用热管散热器,则可把电器元件安装在比较洁净的车内,而把散热器的散热部分安装在车外,充分利用车辆运动时产生的空气流进行冷却。这种在车辆上使用的热管散热器,已经成功地大量应用在铁路和轨道交通的机动车中^[4] 。

2 　热管用于汽车发动机的散热冷却

    汽车发动机大多采用水套冷却,从而使其结构复杂,体积加大,自重增加。而使用热管收集热量并引出机外采用空气冷却则可避免这些问题的产生。
    专利《外露式风冷系统》^[5]提出了这一设想。其设想的结构是:采用大量的“集热爪”的一端连接于内燃机的汽缸(缸体和缸盖) ,另一端则与热管的蒸发段相连接,热管的冷凝段外露在大气中进行散热。在分离型热管技术已经成熟的今天,其结构可以进一步简化,即将分离型热管的蒸发段分布并直接连接在内燃机的汽缸上,而将分离型热管的冷凝段外露在大气中进行散热。本结构可以取代现有的风冷式、水冷式内燃机的散热系统,从而设计出新型的风冷内燃机。应用了这种发动机的汽车将特别适合于在长途运输和缺水地区使用。

3 　采用热管回收利用发动机排气余热

只要在发动机排气管上安装一些热管,就可以回收其余热并用于加热食物,烧水,甚至可用来调节车内的空气^[6] 。

 4 　热管用于汽车车厢内的通风和空气调节

    大型客车内的空气是需要经常进行更换的。这种车内与室外空气的交换,意味着要消耗大量的热能。因而回收这些空气交换中的热能,将可以减少汽车发动机额外的动力消耗。但是由于车内外空气的温差太小了,一般只有20 ℃～40 ℃,所以采用普通的换热器不但体积大成本高,而且效果往往不理想,而采用热管换热器,就可以充分发挥热管回收低品位热能的独特优点。

图2 示出了这种热管回收装置的结构示意图。

图2a 是冬季采暖状态。这时,排出的车内热空气一般为26 ℃,进入的车外冷空气一般为- 30 ℃～0 ℃,温差为30 ℃～50 ℃,它是利用排出的车内热空气加热进入的车外冷空气;图2b 是夏季空冷状态。这时,排出的车内冷空气一般为26 ℃,进入的车外热空气一般为30 ℃～40 ℃,温差为5 ℃～15 ℃,它是利用排出的车内冷空气冷却进入的车外热空气。看起来冬季和夏季各需一套,其实应用时只需一套,仅仅是把冬季和夏季的管道互相交换一下就可以了。

图2 　采用热管换热器回收车厢内空调系统的余热