CN111781234A - 一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台及测试方法，测试平台包括机架，机架上连接有冷板，冷板入口依次通过入口水温控制模块、流量控制器、水泵和蓄水槽出口连接，蓄水槽、水泵、流量控制器、入口水温控制模块构成冷却液供给模块；冷板出口和蓄水槽回水口连接；冷板上设有热载荷施加模块，热载荷施加模块设有热源温度测量部件；冷板的入口设有入口温度测量部件，冷板的出口设有出口温度测量部件；机架上设有环境温度测量部件；环境温度测量部件、出口温度测量部件、入口温度测量部件、热源温度测量部件构成温度测量模块；冷板的入口和出口之间连接有压强差测量模块；本发明在测试平台实现对于不同尺寸、结构的热损失测定和散热性能测定。

Description

一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台及测试方法

技术领域

本发明属于冷板性能测试技术领域，具体涉及一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台及测试方法。

技术背景

分层冷板可以很好的解决电力电子集成模块在使用时存在的发热问题，从而有效延长电力电子集成模块使用寿命，降低使用故障率。冷板在使用过程中最为重要的性能指标包括：流体进出口的压强差和冷板热阻。

近年来，针对于不同的应用场景，工程人员设计的冷板存在着出入口布局不同，入口流速不同，单层与多层结构不同，所适用散热功率不同，尺寸大小不同等等诸多差异；因此，国内外研究者在测试特定冷板的使用性能时，往往只能根据特定的冷板结构搭建对应的试验装置，这样的实验方法具有外部环境变量可控性差，可测试冷板类型单一，性能测定方法统一性差等缺点，从而导致实验操作难度大，受干扰可能性高，实验平台搭建工作繁复，需要进行跨实验平台性能实验等问题，不利于冷板研究与工程测试的进行。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台及测试方法，在单一平台实现对于不同尺寸、结构的冷板的重要性能指标的测定，完成对冷板使用性能的评估，方便冷板研究和工程测试的进行。

为了达到上述目的，本发明所述的实验装置和测定方法如下：

一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，包括机架，机架上连接有冷板，冷板的入口和入口水温控制模块的出口连接，入口水温控制模块的入口和流量控制器的出口连接，流量控制器的入口和水泵的出口连接，水泵的入口和蓄水槽的出口连接，蓄水槽、水泵、流量控制器、入口水温控制模块构成冷却液供给模块；冷板的出口和蓄水槽的回水口连接；

冷板上设有热载荷施加模块，热载荷施加模块设有热源温度测量部件；冷板的入口设有入口温度测量部件，冷板的出口设有出口温度测量部件；机架上设有环境温度测量部件；环境温度测量部件、出口温度测量部件、入口温度测量部件、热源温度测量部件构成温度测量模块；

冷板的入口和出口之间连接有压强差测量模块；

通过水泵将蓄水槽内的冷却液压入出流水路，通过控制流量控制器的阀门控制流入冷板的冷却液流量，出流水路流经入口水温控制模块，控制流入冷板的冷却液初始温度，流出冷板的冷却液通过回流水路回流至蓄水槽。

所述的热载荷施加模块由可控热源和连接部分组成；可控热源由保温材料层包裹加热管构成，提供的加热功率范围0-1000W；连接部分包括铜块，玻璃棉和隔热层，铜块上下两个面分别与冷板和可控热源紧密接触；铜块的前后两个面各有2个温度测量点，用于采集铜块温度。

所述的入口水温控制模块由冷却器与加热器两个部分构成，流经入口水温控制模块的冷却液先经过冷却器降温至5℃，再经过加热器加热至设定温度T_orig。

所述的温度测量模块由7个温度传感器构成，温度量程为0～700℃，测量精度为±0.5℃；入口温度测量部件、出口温度测量部件分别采用1个温度传感器，用于测量入口处液体温度T_in和出口处液体温度T_out；热源温度测量部件采用4个温度传感器，分别在4个测温点处与可控热源接触，用于测量四个接触点处的温度T₁，T₂，T₃，T₄；环境温度测量部件采用1个温度传感器，暴露在环境中，与大气直接接触，用于测量实验环境温度T_en。

所述的压强差测量模块采用一个压差传感器，测量的量程为0～250kPa，测量精度±1％，用于测量冷板冷却液出口端和入口端的压强差ΔP。

所述的流量控制器由量程为1.6L/h～16L/h的浮子流量计1和量程为16L/h～160L/h的浮子流量计2并联构成，浮子流量计1的并联支路上连接有阀门1，浮子流量计2的并联支路上连接有阀门2。

所述的机架包括平台，平台上安装有温度测量模块3，压强测量模块4和热载荷施加模块5，平台下方的机架上安装有冷却液供给模块6，平台上方的机架上设有热载荷施加模块的控制部件1和温度、压强值数显部件2。

利用上述一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台的测试方法，包括热损失测定和散热性能测定：

1)热损失测定包括以下步骤：

1.1)装夹：将冷板固定在热载荷施加模块上，并保证冷板散热部分与热载荷施加模块连接部分的铜块紧密接触；将出流水路和回流水路的管螺纹接头连接到冷板的入口处和出口处；

1.2)加热：打开电源开关，打开热载荷施加模块开关，调节电压旋钮直至加热功率达到P₁，等待热载荷施加模块的可控热源温度稳定，稳定标准为1分钟内温度变化不超过±0.2℃；稳定后，记录下热载荷施加模块的可控热源温度Tl₁₁，Tl₁₂，Tl₁₃，Tl₁₄，环境温度Tl_en1，停止加热，冷却至室温；

1.3)计算热损失：重复步骤1.2)操作n次，记录下第i次操作的热载荷功率Pl_i，i＝1，2，3，……，n，可控热源温度Tl_i1，Tl_i2，Tl_i3，Tl_i4，环境温度Tl_eni；根据以上数据，计算加热块热损失功率；

2)散热性能测定包括以下步骤：

2.1)装夹：将冷板固定在热载荷施加模块上，并保证冷板散热部分与热载荷施加模块连接部分的铜块紧密接触；将出流水路和回流水路的管螺纹接头连接到冷板的入口处和出口处；

2.2)通水：打开电源开关，打开水泵开关，调节浮子流量计阀门，控制流进冷板的冷却液流量为q₁，等待压强差传感器示数稳定，记录出入口压差值ΔP₁；

2.3)加热：打开热载荷施加模块开关，调节电压旋钮直至加热功率达到P₁，等待热载荷施加模块的可控热源温度和出入口处冷却液温度稳定，稳定标准为1分钟内温度变化不超过±0.2℃；稳定后，记录下铜块温度T₁₁，T₁₂，T₁₃，T₁₄，出入口处冷却液温度T_in1，T_out1，环境温度T_en1，停止加热，冷却至室温；

2.4)计算散热性能指标：重复步骤2.2)和步骤2.3)操作n次，记录下第i次操作的热载荷功率P_i，i＝1，2，3，……，n，冷却液流量q_i，加热块温度T_i1，T_i2，T_i3，T_i4，出入口处冷却液温度T_ini，T_outi，出入口压差值ΔP_i，环境温度T_eni；根据以上数据，计算冷板传热系数。

本发明的有益效果为：

由于本发明使用了独立的冷板装夹结构、采用管螺纹灵活连接的出流水路和入流水路以及包含两个并联浮子流量计的冷却液供给模块，所以可以对最大尺寸为110×110mm、所需冷却液流量大小在1.6L/h～160L/h、所需散热功率小于1000W、具有单层或者多层结构的冷板在单一平台上进行性能测试，从而避免了繁复的试验台搭建工作和跨实验平台的实验对比，可以让冷板性能的对比更加直观，准确；本发明测试平台的数据可视化程度高，所以可以减少实验操作难度，减少实验操作带来的认为实验误差；本发明使用了入口水温控制模块和环境温度测量模块，并且在测定方法中设计了环境热损失率测量环节，所以可以保证多次测试中的初始温度恒定，同时减少环境因素对测试结果的干扰作用。

附图说明

图1为本发明测试平台的组成示意图。

图2为测试平台中热载荷施加模块与冷板位置关系示意图。

图3为测试平台中入口水温控制模块的工作原理示意图。

图4为测试平台中流量控制器的工作原理示意图。

图5为测试平台的机架布局示意图。

图6为本发明测定方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

如图1所示，一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，包括机架，机架上通过螺纹连接有冷板，冷板的入口和入口水温控制模块的出口连接，入口水温控制模块的入口和流量控制器的出口连接，流量控制器的入口和水泵的出口连接，水泵的入口和蓄水槽的出口连接，蓄水槽、水泵、流量控制器、入口水温控制模块构成冷却液供给模块；冷板的出口和蓄水槽的回水口连接；

冷板上设有热载荷施加模块，热载荷施加模块设有热源温度测量部件；冷板的入口设有入口温度测量部件，冷板的出口设有出口温度测量部件；机架上设有环境温度测量部件；环境温度测量部件、出口温度测量部件、入口温度测量部件、热源温度测量部件构成温度测量模块；

冷板的入口和出口之间连接有压强差测量模块；

通过水泵将蓄水槽内的冷却液压入出流水路，通过控制流量控制器的阀门控制流入冷板的冷却液流量，出流水路流经入口水温控制模块，控制流入冷板的冷却液初始温度，流出冷板的冷却液通过回流水路回流至蓄水槽。

所述的热载荷施加模块由可控热源和连接部分组成；可控热源由保温材料层包裹加热管构成，提供的加热功率范围0-1000W，加热管通过调节输入电压U改变的加热功率P，加热功率的计算公式如下：

P＝U²/R (1)

其中R为加热管电阻值；

连接部分包括铜块，玻璃棉和隔热层，如图2所示，铜块上下两个面分别与冷板和可控热源紧密接触，传递热量；铜块的前后两个面各有2个温度测量点，用于采集铜块温度。

如图3所示，所述的入口水温控制模块由冷却器与加热器两个部分构成，流经入口水温控制模块的冷却液先经过冷却器降温至5℃，再经过加热器加热至设定温度T_orig。

所述的温度测量模块由7个温度传感器构成，温度量程为0～700℃，测量精度为±0.5℃；入口温度测量部件、出口温度测量部件分别采用1个温度传感器，用于测量入口处液体温度T_in和出口处液体温度T_out；热源温度测量部件采用4个温度传感器，分别在4个测温点处与可控热源接触，用于测量四个接触点处的温度T₁，T₂，T₃，T₄；环境温度测量部件采用1个温度传感器，暴露在环境中，与大气直接接触，用于测量实验环境温度T_en。

所述的压强差测量模块采用一个压差传感器，测量的量程为0～250kPa，测量精度±1％，用于测量冷板冷却液出口端和入口端的压强差ΔP。

如图4所示，所述的流量控制器由量程为1.6L/h～16L/h的浮子流量计1和量程为16L/h～160L/h的浮子流量计2并联构成，浮子流量计1的并联支路上连接有阀门1，浮子流量计2的并联支路上连接有阀门2。

如图5所示，所述的机架包括平台，平台上安装有温度测量模块3，压强测量模块4和热载荷施加模块5，平台下方的机架上安装有冷却液供给模块6，平台上方的机架上设有热载荷施加模块的控制部件1和温度、压强值数显部件2。

如图6所示，利用上述一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台的测试方法，包括热损失测定和散热性能测定：

1)热损失测定包括以下步骤：

1.1)装夹：利用螺栓将冷板固定在热载荷施加模块上，并保证冷板散热部分与热载荷施加模块连接部分的铜块紧密接触；将出流水路和回流水路的管螺纹接头连接到冷板的入口处和出口处。

1.2)加热：打开电源开关，打开热载荷施加模块开关，调节电压旋钮直至加热功率达到P₁，等待热载荷施加模块的可控热源温度稳定，稳定标准为1分钟内温度变化不超过±0.2℃；稳定后，记录下热载荷施加模块的可控热源温度Tl₁₁，Tl₁₂，Tl₁₃，Tl₁₄，环境温度Tl_en1，停止加热，冷却至室温；

1.3)计算热损失：重复步骤1.2)操作n次，记录下第i次操作的热载荷功率Pl_i，i＝1，2，3，……，n，可控热源温度Tl_i1，Tl_i2，Tl_i3，Tl_i4，环境温度Tl_eni；根据以上数据，计算加热块热损失功率；

2)散热性能测定包括以下步骤：

2.1)装夹：利用螺栓将冷板固定在热载荷施加模块上，并保证冷板散热部分与热载荷施加模块连接部分的铜块紧密接触；将出流水路和回流水路的管螺纹接头连接到冷板的入口处和出口处；

2.2)通水：打开电源开关，打开水泵开关，调节浮子流量计阀门，控制流进冷板的冷却液流量为q₁，等待压强差传感器示数稳定，记录出入口压差值ΔP₁；

2.3)加热：打开热载荷施加模块开关，调节电压旋钮直至加热功率达到P₁，等待热载荷施加模块的可控热源温度和出入口处冷却液温度稳定，稳定标准为1分钟内温度变化不超过±0.2℃；稳定后，记录下铜块温度T₁₁，T₁₂，T₁₃，T₁₄，出入口处冷却液温度T_in1，T_out1，环境温度T_en1，停止加热，冷却至室温；

2.4)计算散热性能指标：重复步骤2.2)和步骤2.3)操作n次，记录下第i次操作的热载荷功率P_i，i＝1，2，3，……，n，冷却液流量q_i，加热块温度T_i1，T_i2，T_i3，T_i4，出入口处冷却液温度T_ini，T_outi，出入口压差值ΔP_i，环境温度T_eni；根据以上数据，计算冷板传热系数。

Claims (8)

1.一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，包括机架，其特征在于：机架上连接有冷板，冷板的入口和入口水温控制模块的出口连接，入口水温控制模块的入口和流量控制器的出口连接，流量控制器的入口和水泵的出口连接，水泵的入口和蓄水槽的出口连接，蓄水槽、水泵、流量控制器、入口水温控制模块构成冷却液供给模块；冷板的出口和蓄水槽的回水口连接；

冷板上设有热载荷施加模块，热载荷施加模块设有热源温度测量部件；冷板的入口设有入口温度测量部件，冷板的出口设有出口温度测量部件；机架上设有环境温度测量部件；环境温度测量部件、出口温度测量部件、入口温度测量部件、热源温度测量部件构成温度测量模块；

冷板的入口和出口之间连接有压强差测量模块；

通过水泵将蓄水槽内的冷却液压入出流水路，通过控制流量控制器的阀门控制流入冷板的冷却液流量，出流水路流经入口水温控制模块，控制流入冷板的冷却液初始温度，流出冷板的冷却液通过回流水路回流至蓄水槽。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，其特征在于：所述的热载荷施加模块由可控热源和连接部分组成；可控热源由保温材料层包裹加热管构成，提供的加热功率范围0-1000W；连接部分包括铜块，玻璃棉和隔热层，铜块上下两个面分别与冷板和可控热源紧密接触；铜块的前后两个面各有2个温度测量点，用于采集铜块温度。

3.根据权利要求1所述的一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，其特征在于：所述的入口水温控制模块由冷却器与加热器两个部分构成，流经入口水温控制模块的冷却液先经过冷却器降温至5℃，再经过加热器加热至设定温度T_orig。

4.根据权利要求1所述的一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，其特征在于：所述的温度测量模块由7个温度传感器构成，温度量程为0～700℃，测量精度为±0.5℃；入口温度测量部件、出口温度测量部件分别采用1个温度传感器，用于测量入口处液体温度T_in和出口处液体温度T_out；热源温度测量部件采用4个温度传感器，分别在4个测温点处与可控热源接触，用于测量四个接触点处的温度T₁，T₂，T₃，T₄；环境温度测量部件采用1个温度传感器，暴露在环境中，与大气直接接触，用于测量实验环境温度T_en。

5.根据权利要求1所述的一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，其特征在于：所述的压强差测量模块采用一个压差传感器，测量的量程为0～250kPa，测量精度±1％，用于测量冷板冷却液出口端和入口端的压强差ΔP。

6.根据权利要求1所述的一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，其特征在于：所述的流量控制器由量程为1.6L/h～16L/h的浮子流量计1和量程为16L/h～160L/h的浮子流量计2并联构成，浮子流量计1的并联支路上连接有阀门1，浮子流量计2的并联支路上连接有阀门2。

7.根据权利要求1所述的一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台，其特征在于：所述的机架包括平台，平台上安装有温度测量模块(3)，压强测量模块(4)和热载荷施加模块(5)，平台下方的机架上安装有冷却液供给模块(6)，平台上方的机架上设有热载荷施加模块的控制部件(1)和温度、压强值数显部件(2)。

8.利用权利要求1所述的一种电力电子集成模块分层冷板性能测试平台的测试方法，其特征在于，包括热损失测定和散热性能测定：

1)热损失测定包括以下步骤：

1.1)装夹：将冷板固定在热载荷施加模块上，并保证冷板散热部分与热载荷施加模块连接部分的铜块紧密接触；将出流水路和回流水路的管螺纹接头连接到冷板的入口处和出口处；

1.2)加热：打开电源开关，打开热载荷施加模块开关，调节电压旋钮直至加热功率达到P₁，等待热载荷施加模块的可控热源温度稳定，稳定标准为1分钟内温度变化不超过±0.2℃；稳定后，记录下热载荷施加模块的可控热源温度Tl₁₁，Tl₁₂，Tl₁₃，Tl₁₄，环境温度Tl_en1，停止加热，冷却至室温；

1.3)计算热损失：重复步骤1.2)操作n次，记录下第i次操作的热载荷功率Pl_i，i＝1，2，3，……，n，可控热源温度Tl_i1，Tl_i2，Tl_i3，Tl_i4，环境温度Tl_eni；根据以上数据，计算加热块热损失功率；

2)散热性能测定包括以下步骤：

2.1)装夹：将冷板固定在热载荷施加模块上，并保证冷板散热部分与热载荷施加模块连接部分的铜块紧密接触；将出流水路和回流水路的管螺纹接头连接到冷板的入口处和出口处；

2.2)通水：打开电源开关，打开水泵开关，调节浮子流量计阀门，控制流进冷板的冷却液流量为q₁，等待压强差传感器示数稳定，记录出入口压差值ΔP₁；

2.3)加热：打开热载荷施加模块开关，调节电压旋钮直至加热功率达到P₁，等待热载荷施加模块的可控热源温度和出入口处冷却液温度稳定，稳定标准为1分钟内温度变化不超过±0.2℃；稳定后，记录下铜块温度T₁₁，T₁₂，T₁₃，T₁₄，出入口处冷却液温度T_in1，T_out1，环境温度T_en1，停止加热，冷却至室温；

2.4)计算散热性能指标：重复步骤2.2)和步骤2.3)操作n次，记录下第i次操作的热载荷功率P_i，i＝1，2，3，……，n，冷却液流量q_i，加热块温度T_i1，T_i2，T_i3，T_i4，出入口处冷却液温度T_ini，T_outi，出入口压差值ΔP_i，环境温度T_eni；根据以上数据，计算冷板传热系数。

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