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，常用的散热方式有空气冷却（型材散热器）和水冷。

⑴ 空气冷却（型材散热器）

空气冷却是以空气为吸热介质的冷却方式。器件芯片发出的热量经管壳传到型材散热器表面，让空气流经这些表面吸热，在风扇或自然对流的作用下环境温度的空气源源不断地补充进去，散热系统便达到某种温度值的热平衡。在稳定的平衡状态下，下面的公式可近似地表达相关因素的函数关系:

Q=h•A•△T

其中:h—吸热介质的对流换热系数,W/m²•℃;

A—散热器有效表面积, m²;

△T—散热器表面温度与环境温度的差值,℃;

Q—该系统能散发的热流量,W。

上式一般称为牛顿冷却公式。

系数h是由几何条件、流体的流速和流量及物理性质的复杂函数。在特定条件下，h一般只能用实验方法近似确定。在既定条件下，人们很难去增大h值，通常用提高流速和流量的方法。

电力半导体器件风冷散热器一般采用3～6m/s的风速。美国、日本规定风机噪音不得大于65dB，所以他们规定的风速为2～4m/s。

△T在一般条件下几乎是无法增大的，这是由于：①、人们很难改变环境温度，②、对器件本身的承受温度又有明确的上限规定。

对一具体的发热器件而言，当热流密度一定的情况下，即发热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，这是由于：热量沿散热器表面散开，传递到散热片上的面积是非常有限的，离开器件较远处，基本感受不到热量，所以把散热器表面做大到一定程度后，再增加散热面积对散热效果已经没有意义。对于型材散热器也是一样，其齿根处温度较高，齿尖处只有很少的热量到达，所以齿片增高到一定程度后，再增加齿高对散热也毫无用处。
    所以，要提高系统的散热功率，只有扩大散热器的有效表面积并使面上各处的△T尽量一致。

⑵ 水冷

采用水冷方式散热，就是散热器放在循环水中，利用水流带走热量。应该说，从散热的角度来说，水冷的效果是非常明显的。但是，水循环系统工艺要求高，安装复杂，后续维护工作量大，而且一旦漏水，会带来严重的安全隐患。所以，在能够用空气冷却解决问题的场合，不提倡采用水冷。

若采用水冷散热方法，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，要求环境温度与水温之差不大于9.5~11℃；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

由于热管是高效传散热元件，它是利用工作介质吸收和释放汽化潜热来传递热量，具有很小的热阻，可以在小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，热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。

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。

隔爆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。

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部分。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，传输至热和的另一端即冷凝段，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成液体，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。热管散热器的工和原理是热管通过工作介质（传热流体）相变传输热量，冷却凝结后依靠毛细结构的抽吸作用或液体生力来驱动工作介质回流。

这种结构型式的热管散热器，由于热管是工作介质吸收和释放汽化潜热来传递热量，具有很小的热阻，可以在小温差下传递很大的热量。因此可以增加散热片的数量，扩大散热面积来提高散热功率。若翅化比合理（散热片尺寸与热管外径尺寸匹配合理），不仅散热片温度比较一致，而且又高于实体散热器表面温度，这样就增加了散热片的表面温度与环境温度的差值，可提高散热功率，消除实体散热器的缺陷。

3 结论

（1）在众多的传热元件中，热管是有效的传热元件。隔爆型热管散热器，保证了防爆电气设备中元器件的有效散热，使得新型电子元器件在爆炸性危险场所的应用有了可靠的基础，现已广泛应用于煤矿井下各种场合用的变频调速装置中，有效地解决了电气设备隔爆散热的难题。

（2）由于热管散热器具有紧凑可靠、高效散热、不需维护等特点，给防爆电气及整机设计提供了许多灵活性和优势，从而提高了整机的技术水平、综合性能及市场竞争力。