CN107203660A - 一种提高功率单元效能的水管变径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高功率单元效能的水管变径计算方法，其特征在于，合理分配功率单元各支路水管管径，实现合理分配各支路冷却水流量；而流量又影响功率单元水冷系统的散热效能，IGBT的结温：Tj_IGBT＝P_IGBT×(Rth_IGBT+Rth_hs)+Tin；放电电阻的结温：Tj_Resistor＝P_Resistor×(Rth_hs+Rth_grease)+Tin；冷却水流量满足各支路水管流量总和等于总水管的流量。优点是：调整水管的内径，改变水冷板的冷却效率，实现了优化水路的目的。

Description

一种提高功率单元效能的水管变径计算方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子变换器领域，尤其涉及一种提高功率单元效能的水管变径计算方法。

背景技术

当今时代，无论在国防、军工、民用等重要领域，电力电子设备得到了广泛的应用，其稳定性和可靠性也因此引起人们关注。在影响电力电子装置的可靠性的多种因素中，散热是至关重要的一个。在众多的散热方式中，水冷散热以其较高的对流换热系数，优秀的散热效率，使其得到了广泛的应用。

如图1是功率单元水路的示意图，冷却水从单元的总进水管流入，在支进水管处分流为支进水管一、支进水管二，再先后分别流经两个水冷板和支出水管，在汇流至总出水管。在整个水循环的过程中，冷却水在密闭的水路中循环，在流经水冷板时，发热元件(主要是IGBT)产生的热量与冷却液充分交换。

作为功率耗散的媒介，冷却水的流量越大，对发热元件功率的耗散越有利，主要体现在水冷板的热阻会随着流量的加大而减小，即：间接提高了水冷板的导热能力。而水管直径影响流量的大小，因此需要合理设计水管，有利于各发热元件的散热。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种提高功率单元效能的水管变径计算方法，在成熟可靠的水管加工工艺基础之上，调整水管的内径，依据热传递和流体力学理论，经过推导和计算，优化水路，更大程度地提高提高发热元件的使用效率。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种提高功率单元效能的水管变径计算方法，其特征在于，合理分配功率单元各支路水管管径，实现合理分配各支路冷却水流量；而流量又影响功率单元水冷系统的散热效能，具体包括以下步骤：

1)IGBT的结温：

Tj_IGBT＝P_IGBT×(Rth_IGBT+Rth_hs)+Tin (1)

式(1)中：P_IGBT是IGBT的损耗；Rth_IGBT是IGBT的热阻；Rth_hs是水冷板的热阻；Tin是水冷板进水温度；

2)放电电阻的结温：

Tj_Resistor＝P_Resistor×(Rth_hs+Rth_grease)+Tin (2)

式(2)中：P_Resistor是放电电阻的损耗；Rth_grease是放电电阻导热硅脂的热阻；

3)Rth_hs水冷板的热阻计算：

Rth_hs＝[Tmax-Tin-P/(v×C×ρ)]×(A/P) (3)

式(3)中：P是水冷板上发热元件的损耗；C是冷却水的比热容；v冷却水的流速；Tmax是水冷板表面允许的最高温度；ρ是冷却水的密度；A是被冷却区域的面积；

4)各支路中水管内冷却水流阻：

H＝2×L×f×ρ×Q²/(π×d³)+4×k×ρ×Q/(π×d²×2000) (4)

式(4)中：f是摩擦系数；L是水管长度；k是阻力系数；Q是冷却水流量；d是水管直径；

5)Q冷却水流量满足各支路水管流量总和等于总水管的流量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

调整水管的内径，改变水冷板的冷却效率，实现了优化水路的目的，依据热传递和流体力学理论，经过推导和计算，再辅之以仿真，使得电力电子变换器功率单元的水冷散热在一定程度上实现了水路优化，更大程度地开发了单元的功率变换能力。

附图说明

图1是功率单元水路的结构示意图。

图2是功率单元水路的原理图。

图3是放电电阻支路水管的缩径示意图。

图中：1-总进水管 21-支进水管一 22-支进水管二 31-支出水管一 32-支出水管二 4-总出水管 5-放电电阻 61-水冷板一 62-水冷板二 7-绝缘垫板 8-IGBT。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

作为功率耗散的媒介，冷却水的流量越大，对发热元件功率的耗散越有利，主要体现在水冷板的热阻会随着流量的加大而减小，即：间接提高了水冷板的导热能力(主要是热阻Rth_hs的减小)，经过推导，得到Rth_hs水冷板的热阻计算公式：

Rth_hs＝[Tmax-Tin-P/(v×C×ρ)]×(A/P) (3)

式(3)中：P是水冷板上发热元件的损耗；C是冷却水的比热容；v冷却水的流速；Tmax是水冷板表面允许的最高温度；ρ是冷却水的密度；A是被冷却区域的面积；Tin是水冷板进水温度。

从式(3)中不难看出，流量越大，水冷板的热阻越小。冷却水流量对水系统的散热能力有着至关重要的作用。

套用基尔霍夫定律：在任一瞬间，对总管中的任一节点，流进某一节点的水流量之和恒等于流出这一节点的流量之和，图1中，流经总水管的总流量等于Path1～Path2两个支路水管流量之和，即：总进水管1流量＝进水支管一流量+进水支管二流量；总出水管4流量＝出水支管一流量+出水支管二流量；

Q_PM_IN＝Q_Path1+Q_Path2 (5)

将流体理论参数等效到电路学中，水压差相当于电势差，流量相当于电流，流阻相当于电阻，图1结构图可等效图2的原理图，据此不难看出，支路流阻的变化会使得其流量随之变化，而水管缩径可有效的调整流阻。

在图2的各支路中，水冷板的流阻-流量特性一般由厂家提供，而水管内冷却水流阻的特性可依据下面公式得出：

H＝2×L×f×ρ×Q²/(π×d³)+4×k×ρ×Q/(π×d²×2000) (4)

式(4)中：f是摩擦系数；L是水管长度；k是阻力系数；Q是冷却水流量；d是水管直径；

用水管缩径的方式调整各支路流阻进而影响流量的分配，间接提高水冷散热的灵活性，优化功率单元的运行效能。在总流量不变的情况下，增加发热量较小的放电电阻5支路的流阻，进而间接增加压接式IGBT(以下简称：PPIGBT)支路的流量，使其结温不变的同时，能够运行在更严苛的工况。

IGBT的结温：

Tj_IGBT＝P_IGBT×(Rth_IGBT+Rth_hs)+Tin (1)

式(1)中：P_IGBT是IGBT的损耗；Rth_IGBT是IGBT的热阻；Rth_hs是水冷板的热阻；Tin是水冷板进水温度；

见图1，根据水路结构及各发热元件热阻，由式(1)可知，在水冷板进水温度Tin一定时，IGBT的结温即是Tin+温升。

利用相同原理得到放电电阻5的结温：

Tj_Resistor＝P_Resistor×(Rth_hs+Rth_grease)+Tin (2)

式(2)中：P_Resistor是放电电阻5的损耗；Rth_grease是放电电阻5导热硅脂的热阻；

结合式(4)和图2所示原理图，建立模型，进而估算各支路流阻不同时的流量分配。

实施例：

1、流量分配的理想值

在功率单元中，依赖水冷散热的元件主要是PPIGBT和放电电阻5。其中，放电电阻5的发热量一般远低于PPIGBT，可以考虑适当降低放电电阻5水冷板的冷却水流量。

计算理想的水冷板热阻值，见表1：

表1

数据	代号	数值	单位
				放电电阻5损耗	P_Resistor	200	W
PPIGBT损耗	P_IGBT	2000	W
				功率单元最高进水温度	Tin	60	℃
放电电阻5最高温度	T_R_max	75	℃
				PPIGBT最高结温	T_IGBT_max	100	℃
放电电阻5导热硅脂热阻	Rth_grease	0.061	℃/W
				PPIGBT热阻	Rth_IGBT	0.01	℃/W

按照发热元件的最高温度来倒推，可以得出理想的水冷板的热阻值，据此，由式(1)可得：

100＝2000×(0.01+Rth_hs_IGBT)+60，计算可得PPIGBT水冷板热阻理想值为：

Rth_hs_IGBT＝0.01(℃/W)

由式(2)可得：

75＝200×(Rth_hs_Resistor+0.061)+60，计算可得放电电阻5水冷板热阻理想值为：

Rth_hs_Resistor＝0.014(℃/W)

由水冷板厂家给出的热阻-流量关系如表2：

表2

表2是美尔森提供的某型号水冷板的热阻特性数据，查表得出：

PPIGBT支路水冷板理想流量为6(L/min)，放电电阻5支路水冷板理想流量为4(L/min)

2、支路水管缩径量的计算

求得了各支路的流量之后，建立如图2的水路模型。水流过两个支路后，在支路的两端会产生流阻。支路中包括水管和水冷板，水冷板的水路特性是厂家提供的。水管的流阻-流量可以通过式(4)拟合得到二次关系式，因此，通过计算非常繁琐，仿真则更加便利、准确。

PPIGBT支路的水管无缩径，内径定为4mm，根据式(4)计算得到Q和H的二次多项式：

H＝1.7492×Q²+0.0027794×Q-0.00059982

为了增加放电电阻5支路的流阻，其水管需要缩径，见图3，水管的内径由粗变细，据此来增加水管的流阻；

根据式(4)和图2，最终确定缩径至3.2mm时，得到放电电阻5支路水管多项式为：

H＝4.47×Q²+0.0027794×Q-0.00059982

得到：在总流量10L/min时，PPIGBT支路和放电电阻5支路的流量分别为：6L/min和4L/min，满足了流量分配的要求，进而满足了水冷板热阻的要求。

本发明优点是在功率单元成本较高的物料保持不变得情况下，只通过调整水管的结构，即可提高发热元件的使用效率，间接地降低了功率单元的使用成本，在不失稳定性的同时，提高了经济性。

Claims (1)

1.一种提高功率单元效能的水管变径计算方法，其特征在于，合理分配功率单元各支路水管管径，实现合理分配各支路冷却水流量；而流量又影响功率单元水冷系统的散热效能，具体包括以下步骤：

1)IGBT的结温：

Tj_IGBT＝P_IGBT×(Rth_IGBT+Rth_hs)+Tin (1)

式(1)中：P_IGBT是IGBT的损耗；Rth_IGBT是IGBT的热阻；Rth_hs是水冷板的热阻；Tin是水冷板进水温度；

2)放电电阻的结温：

Tj_Resistor＝P_Resistor×(Rth_hs+Rth_grease)+Tin (2)

式(2)中：P_Resistor是放电电阻的损耗；Rth_grease是放电电阻导热硅脂的热阻；

3)Rth_hs水冷板的热阻计算：

Rth_hs＝[Tmax-Tin-P/(v×C×ρ)]×(A/P) (3)

式(3)中：P是水冷板上发热元件的损耗；C是冷却水的比热容；v冷却水的流速；Tmax是水冷板表面允许的最高温度；ρ是冷却水的密度；A是被冷却区域的面积；

4)各支路中水管内冷却水流阻：

H＝2×L×f×ρ×Q²/(π×d³)+4×k×ρ×Q/(π×d²×2000) (4)

式(4)中：f是摩擦系数；L是水管长度；k是阻力系数；Q是冷却水流量；d是水管直径；

5)Q冷却水流量满足各支路水管流量总和等于总水管的流量。